УДК 550.34
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАСЩЕПЛЕННЫХ ¿-ВОЛН В ЗАДУГОВОЙ ОБЛАСТИ ЮЖНО-КУРИЛЬСКОЙ ЗОНЫ СУБДУКЦИИ
© 2013 г. М. Н. Лунева
Институт тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН 680000Хабаровск, ул. Ким-Ю-Чена, 65, е-таП: margo@itig.as.khb.ru Поступила в редакцию 12.01.2012 г.
Проведено исследование распределения параметров расщепленных ¿-волн от глубокофокусных землетрясений в области Сахалина и Хоккайдо с оценкой ориентации осей симметрии среды в рамках вязкоупругой анизотропной моделей мантии. Под Японским морем выявлено мантийное течение вдоль СЗ 310° ± 20° с наклоном 20—30° от горизонтальной плоскости, согласующееся с направлением движения Тихоокеанской плиты. Под южной частью Охотского моря быстрая а-ось [100] оливина ориентирована СВ 30 ± 15°, субпараллельно простиранию Курильской дуги, а с-ось [001] наклонена ~35° от горизонтальной плоскости. Учитывая повышенный тепловой поток в данном регионе, предполагается развитие мантийного течения вдоль с-оси оливина СЗ 300° ± 20° и сдвиговой плоскостью [010] в условиях частичного плавления мантии (В-тип ЬРО). Минимальная степень анизотропии 1—2.5% обнаружена под Сахалином, а максимальная 3—5% — под Японским морем. Повышение степени анизотропии отмечается с увеличением глубины событий до 350 км.
DOI: 10.7868/S0203030613060047
ВВЕДЕНИЕ
В современных геодинамических исследованиях активно используются данные по сейсмической анизотропии, что обусловлено, прежде всего, взаимосвязью деформационных процессов с анизотропными свойствами среды [Conrad et al., 2007; Long, Becker, 2010]. Сейсмическая анизотропия выявлена в различных областях Земли, на различных глубинах и является потенциально эффективным методом в развитии моделей движения тектонических плит, геометрии конвективных течений в мантии. Наиболее информативными являются методы, основанные на измерении параметров объемных расщепленных поперечных волн, распространяющихся от землетрясений в субвертикальных направлениях, и измерении скорости поверхностных волн Релея и Лява, распространяющихся в различных горизонтальных направлениях. Современные исследования показывают хорошую согласованность сейсмической анизотропии с данными измерения абсолютного движения плит в области
океанов, где развиваются преимущественно горизонтальные течения в астеносфере, а также латеральную неоднородность анизотропии мантии, связанную с изменением ее реологических свойств [Becker et al., 2008; Billen, 2008]. Трудности в интерпретации данных связаны с областями, где развиваются наклонные, вертикальные течения (зоны субдукции, спрединга), а также с областями континентальных плит с повышенной мощностью литосферы.
Исследования сейсмической анизотропии в зонах субдукции Тихого океана показывают разнообразие в ориентации азимута поляризации быстрой ¿-волн (ф), разности времен прихода ¿-волн (5i), степени анизотропии (а) вдоль зон субдукции и при движении от желоба к задуго-вой области. Классическая модель двумерного течения в направлении погружения плиты в мантийном клине с переходом от водонасыщен-ной мантии в области передовой дуги к задуго-вой области не смогла объяснить наблюдаемые различия волновых параметров в области других
зон субдукции [Nakajima, Hasegawa, 2004]. Предложены другие модели, которые предлагают учитывать развитие течений вдоль желоба, трехмерное течение в мантийном клине, а также скорость и направление миграции субдуктирующей плиты и глубоководного желоба [Long, Becker, 2010; Schellart et al., 2011]. Дискуссионным остается вопрос о природе анизотропии погружающейся плиты на различных глубинах.
Интерпретация данных сейсмической анизотропии, определение течений в мантии основаны на результатах экспериментальных лабораторных исследований оливина, породообразующего минерала перидотитовой мантии [Holtzman et al., 2003; Kaminski, 2006; Kohlstedt, Holtzman, 2009], а также на результатах физического и математического моделирования вязко-пластических течений [Kaminski, Ribe, 2002; Wenk, Tome, 1999]. Исследования позволяют судить о взаимосвязи предпочтительной ориентации кристаллической решетки (ПОКР, LPO — lattice preferred orientation), степени активности дислокационного скольжения вдоль различных направлений с характером деформаций в мантии. При деформации оливиновых агрегатов LPO претерпевает изменения в результате пластической деформации и динамической перекристаллизации. Результирующая LPO является функцией истории деформирования и зависит от вещественного состава породы. При средних сдвиговых нагрузках LPO может быть описана через эллипсоид конечных деформаций (ЭКД) [McKenzie, 1979; Ribe, 1992]. В этом случае кристаллографическая ось оливина, отвечающая максимальной скорости продольной волны (a) [100], ориентируется вдоль длинной оси эллипсоида, а степень анизотропии оценивается по соотношению осей эллипсоида конечных деформаций. При постепенном нарастании нагрузки и температуры динамическая перекристаллизация начинает контролировать изменения LPO, которая приводит к отклонению a-оси от длинной оси ЭКД. В предельном случае доминирующая плоскость скольжения (010) и направление скольжения [100] соответственно совпадают со сдвиговой плоскостью и направлением простого сдвига.
По экспериментальным данным выделено 5 типов текстур оливина (A—E), которые отражают доминирование определенной системы дислокационного/диффузионного скольжения в зависимости от давления, уровня девиатора на-
пряжений, температуры, водонасыщенности мантии и скорости деформирования [КатшЫ, 2002, 2006; КагаЬ й а1., 2008]. Три наиболее активные системы дислокационного скольжения (010)[100], (001)[100] и (010)[001] определены в оливине с направлением сдвига вдоль осей симметрии а [100] или с [001]. Оси симметрии а, Ь и с в оливине обозначаются как быстрая, медленная и средняя по скорости распространения продольной упругой волны вдоль осей (Уа < Ус < УЬ). В сухом оливине доминирует система дислокационного скольжения с ориентацией [100] оси вдоль направления простого сдвига. В присутствии воды происходит изменение в механическом поведении систем скольжений и увеличение скорости деформаций, обусловленных процессом диффузии. За счет понижения поверхностных напряжений вдоль граней повышается скорость миграции вдоль граней и границ зерен, увеличение плотности скоплений дислокаций и скорости вращения подзерен, кристаллов. Доминирующая система скольжений определяется с направлением с-оси [001] вдоль направления простого сдвига и сдвиговой плоскостью (010). На основе экспериментальных и теоретических исследований оливина и поликристаллических агрегатов симметрия среды определяется как ромбическая и согласуется с моделью вязкопластического деформирования в мантии и развитием конвективных течений.
В современных исследованиях уверенная взаимосвязь между деформациями верхней мантии, сейсмической анизотропией и геодезических данных обнаружена в областях развития горизонтальных течений в области океанов. В случае горизонтального течения все типы ЬРО, кроме В-типа, могут продуцировать развитие азимутов быстрой ¿-волны параллельно направлению течения. Предполагается, что А или Б тип текстуры доминирует в литосфере, а С, Е или А типы доминируют в мантии в зависимости от уровня напряжений, температуры и содержания воды. Тип А соответствует ориентации а-оси [100] вдоль направления сдвига и плоскости [010] параллельно сдвиговой плоскости при условии низких напряжений, высокой температуры и низкого содержания воды. Тип Б соответствует ориентации оси [100] вдоль направления сдвига при ориентации осей [010] и [001] в поясе направлений, перпендикулярных сдвиговой плоскости, при условии высоких напряжений и низкого содержания воды. Тип Е соответствует ориентации а-оси [100] вдоль направления сдвига и
плоскости (001) параллельно сдвиговой плоскости при условии низких напряжений и повышенного содержания воды. Тип С соответствует ориентации с-оси [001] вдоль направления сдвига и плоскости (100) параллельно сдвиговой плоскости при условии средних напряжений и высокого содержания воды.
Тип В соответствует с-оси [001] вдоль направления сдвига и плоскости (010) параллельно сдвиговой плоскости при условии высоких напряжений, низкой температуры и повышенного содержания воды. В этом случае азимут быстрой ¿-волны ориентирован перпендикулярно направлению максимального сдвига. Данный тип LPO предполагается в области мантийного клина и связан с процессами дегидратации пород океанической коры погружающейся плиты и последующей гидратацией и плавлением в вышележащей мантии. Появление флюидной составляющей мантии и образование высокоанизотропных гидратированных минералов может существенно изменить реологические свойства мантии и характер перераспределения деформаций/напряжений [Kawakatsu, Watada, 2007; Katayama et al., 2009; Mainprice, Ildenfonse, 2009; Reynard etal., 2007].
Эти вопросы являются актуальными при интерпретации распределения параметров расщепленных ¿-волн в области сочленения Японской и Курильской дуг. Результаты различных исследований показывают неоднородность распределения анизотропных свойств вдоль Японской и Курильской дуг [Лунева, 2011; Лунева, Сафонов, 2009; Long, Hilst, 2005; Nakajima et al., 2006; Tono et al., 2009; Wirth, Long, 2010]. По данным сейсмической томографии [Fukao et al., 2001] поверхность погружающейся Тихоокеанской плиты в области сочленения дуг представляет сложную конфигурацию с плавным погружением под Азиатский континент до глубины 500—700 км с образованием возвышенности, ориентированной на северо-запад, и более крутым погружением под Приморьем в сторону острова Сахалина. Детальные исследования поверхности погружающейся плиты под островом Хоккайдо по вертикальным обменным волнам ScSp выявили выпуклую геометрию плиты в западной части и вогнутую поверхность со стороны острова Сахалин [Osada et al., 2010]. Данная работа посвящена продолжению исследований сейсмической анизотропии мантии в области сочлене-
ния Японской и Курильской дуг и детального сопоставления распределения параметров расщепления ¿-волн от местных глубокофокусных землетрясен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.