УДК 550.834
СЕЙСМО-ПЛОТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ ПО СВЕРХДЛИННЫМ СЕЙСМИЧЕСКИМ ПРОФИЛЯМ "КВАРЦ", "КРАТОН" И "КИМБЕРЛИТ"
© 2015 г. Т. П. Егорова1, Г. А. Павленкова2
1 Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины, г. Киев 2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: gpavlenkova@yandex.ru Поступила в редакцию 13.08.2013 г.
Уникальные глубинные сейсмические исследования, проведенные в России с применением ядерных взрывов, позволили определить детальную структуру земной коры, верхней мантии и переходной зоны к нижней мантии до глубины 700 км на огромной площади Северной Евразии. Показано, что сейсмические скорости в верхней мантии отражают, в основном, ее температурный режим. Гравитационное моделирование, выполненное по этим сейсмическим профилям, показало отсутствие прямой связи между сейсмической скоростью и плотностью. Сибирский кратон, характеризующийся низким тепловым потоком и высокоскоростной мантией, отличается пониженной плотностью. Верхняя мантия Восточно-Европейской платформы, примерно с таким же тепловым потоком, характеризуется максимальными плотностями и скоростями. Западно-Сибирская плита отличается высоким тепловым потоком, пониженными сейсмическими скоростями и повышенной плотностью в верхней мантии. Такое соотношение скоростей сейсмических волн и плотности означает разный состав вещества верхней мантии изученных структур: верхняя мантия Сибирского кра-тона деплетирована.
Ключевые слова: земная кора, верхняя мантия, сейсмическое профилирование, плотностное моделирование.
DOI: 10.7868/S0002333715010044
ВВЕДЕНИЕ
В России в 70—80-е годы прошлого столетия были проведены крупные плановые работы по регистрации ядерных взрывов на сверхдлинных профилях (термин сверхдлинные профили обозначает не длину самого профиля, а расстояния от источника, на которых зарегистрированы волны). Ядерные взрывы были проведены МинГео СССР специально для изучения структуры земной коры и верхней мантии (рис. 1). Кроме ядерных взрывов, которые позволили зарегистрировать мантийные волны до удалений 3200 км (глубина исследований более 700 км), на этих профилях для детального изучения земной коры и верхов мантии использовались большие химические взрывы с регистрацией волн до удалений от источника 200— 300 км, а иногда до 700—800 км (глубина исследований 50—70 км).
Выполненная система профилей покрывает огромную площадь Северной Евразии и ряд таких крупных разновозрастных структур, как древние Восточно-Европейская платформа и Сибирский кратон, молодые Западно-Сибирская и Тимано-Печорская плиты, Урал и Байкальскую рифтовую
систему. Поскольку большая часть этой территории является асейсмичной и на ней мало сейсмологических станций, именно система сверхдлинных сейсмических профилей позволяла получить детальную информацию о глубинном строении перечисленных геоструктур.
Однако в течение длительного времени данные по регистрации мирных ядерных взрывов были закрытой информацией. Их систематическая интерпретация началась фактически в 90-е годы [Егоркин, 1991; 1999; 2004; Pavlenkova, 1996]. Тогда же в их обработке приняли участие и зарубежные специалисты [Fucks, 1997]. Полученные разными авторами модели достаточно серьезно различались между собой. Эти различия объясняются многими факторами. Главными из них являлись неполные системы наблюдений и разный объем информации, используемой отдельными авторами для построения скоростных моделей. Так, некоторые исследователи получали одномерные скоростные модели мантии с использованием только первых волн. А.В. Егоркин [1999], напротив, применял скоростную фильтрацию для выделения как можно большего числа отраженных
1
2
3
Рис. 1. Схема сверхдлинных профилей, отработанных с мирными ядерными взрывами. Условные обозначения: 1 — сейсмические профили (утолщенными линиями показаны профили, по которым проводилось сейсмо-плотност-ное моделирование); 2 — контуры основных геоструктур; 3 — пункты ядерных взрывов; 4 — области пониженного теплового потока [Чермак, 1982].
волн, регистрирующихся в последующих вступлениях. В целом, структура мантии определялась большинством исследователей по материалам только ядерных взрывов без использования записей химических источников.
Все это затрудняло обобщение этих данных и использование их для комплексной интерпретации с другими геофизическими данными, в частности, для гравитационного моделирования. Сейсмо-гравитационный метод активно развивался в это время. В нашей стране в этом направлении важнейшими были работы [Булах и др., 1976; Страхов, Романюк, 1984; Старостенко и др., 1988; Гализдра, 1988; и другие]. В 90-е годы эти методы были опробованы при сейсмо-плотностном моделировании коры по профилям "Кратон", "Кимберлитит" и "Кварц" [Романюк и др., 1985; Павленкова, Романюк, 1991; Романюк, 1995]. Плотностное моделирование для верхней мантии осложнялось неоднозначностью интерпретации сейсмических данных разными авторами по сверх-
длинным профилям. В такой ситуации необходимо было обработать все сейсмические материалы на единой методической основе, и представить все модели в единой форме, удобной для плот-ностного моделирования и для дальнейшего их использования при комплексной интерпретации.
Такая работа была выполнена в течение нескольких последних лет [Павленкова, 2006; Рау1епкоуа G., Рау1епкоуа N 2006; Павленкова Г., Павленкова Н., 2008]. Была проведена переобработка всего полученного на сверхдлинных профилях материала с построением скоростных моделей земной коры и верхней мантии по единой методике и с использованием всех имеющихся записей от обоих видов источников, ядерных и химических. Это позволило выявить общие черты в структуре верхней мантии таких крупных тектонических образований, как древние Восточно-Европейская и Сибирские платформы, Западно-Сибирская и Тимано-Печорская молодые плиты и Урал. Представленные в единой форме и на основе сов-
местной интерпретации скоростные модели по системе пересекающихся профилей позволяют выявить общие закономерности глубинного строения этих структур и дать им сравнительную характеристику. Этот материал дает возможность провести их комплексную интерпретацию на основе данных других геофизических методов, в частности, интерпретацию гравитационного поля. В настоящей работе приводятся материалы сейсмо-плотностного моделирования по трем сверхдлинным профилям "Кварц", "Кратон" и "Кимберлит" (рис. 1).
1. СТРУКТУРА ЗЕМНОЙ КОРЫ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ
Полученные на сверхдлинных профилях данные показали (рис. 2б—рис. 4б), что для земной коры и верхней мантии изученной территории характерна существенная неоднородность. Это выражается в изменчивости сейсмических скоростей с глубиной и по горизонтали и в наличии резких сейсмических границ с переменным рельефом. В земной коре аномалеобразующими факторами являются, в основном, изменение мощности осадочного чехла и глубины до границы М. Самые мощные осадки наблюдаются в Печорской впадине и в северной части Западно-Сибирской плиты, а также в Вилюйской впадине Сибирской платформы (рис. 2 и рис. 3). На остальной части изученной территории мощность осадков не превышает 4—5 км.
Мощность земной коры также меняется в широком диапазоне, от 35 до 55 км, отражая ее региональные изменения при переходе к крупным структурам разной геологической природы, и локальные изменения, связанные, в основном, с блоковой структурой коры. В среднем, кора Восточно-Европейской платформы характеризуется несколько большей толщиной (45—50 км), чем кора Западно-Сибирской плиты и Сибирского кратона (40—45 км). Пониженная мощность коры характерна для Тимано-Печорской плиты (38—40 км). Наиболее резкие изменения толщины земной коры отмечаются под горными сооружениями и под глубокими впадинами. Так, в районе Урала и горного Алтая глубина до границы М увеличивается от 40 до 50—55 (рис. 2б). Под глубокими впадинами, напротив, толщина земной коры уменьшается: под Вилюйской впадиной граница М поднимается от 40—45 км на ее бортах до 35 км под наиболее прогнутыми частями фундамента (рис. 3 и рис. 4).
Внутренняя структура коры для большей части территории достаточно выдержанная. Она может быть описана тремя основными слоями: в верхней коре скорость изменяется от 6.0 до 6.4 км/с, в
средней от 6.4 до 6.7 км/с, в нижней коре от 6.7 до 7.1 км/с. Благодаря геологическим исследованиям, данным глубокого бурения и изучению ксенолитов, в настоящее время предполагается, что верхняя кора — это гранито-гнейсовый слой, средняя кора также представлена кислыми породами, но более высокой степени метаморфизма, а нижняя кора сложена, главным образом, основными породами [Кременецкий и др., 1987; Downes, 1997]. Физические свойства пород, слагающих эти слои, достаточно полно изучены в лабораторных условиях при высоком давлении и температуре.
Основной особенностью строения верхней мантии является наиболее существенная неоднородность ее верхней части до глубины 100 км, где скорость меняется не постепенно, а резко, формируя блоковую структуру. На больших глубинах новой и значимой структурной особенностью верхней мантии являются отражающие сейсмические границы N1, N2, L и Н на глубинах около 100, 150, 200 и 300 км, прослеженные вдоль всех профилей. Их рельеф наиболее полно характеризует скоростную модель верхней мантии.
Отмечается закономерное изменение скорости в зависимости от возраста геоструктуры и теплового потока (рис. 1—рис. 4). Меньшими скоростями на глубине от границы М до 250—300 км характеризуются молодые плиты и области повышенного теплового потока (Западно-Сибирская и Тимано-Печорская плиты), высокими — области древних платформ и пониженного теплового потока (Восточно-Европейская и Сибирская платформы). Однако эта общая закономерность нарушается на глубине более 250 км, где наблюдается обратное соотношение между скоростями в верхней и нижней частях верхней мантии: в нижней части под древним Сибирским кратоном выявлены не повышенные, а пониженные скорости (рис. 3б и рис. 4б).
Резкие сейсмические границы выделены в переходной зоне от верхней к нижней мант
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.