ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 1, с. 45-66
УДК 550.8.013:550.426
СОСТАВ, ТЕМПЕРАТУРА И МОЩНОСТЬ ЛИТОСФЕРЫ АРХЕЙСКОГО
КРАТОНА КААПВААЛЬ
© 2007 г. О. Л. Кусков, В. А. Кронрод
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, г. Москва,
e-mail: kuskov@geokhi.ru Поступила в редакцию 08.06.2006 г.
Предложена новая модель внутреннего строения литосферы Каапваальского кратона. На основе методов химической термодинамики построены профили химического состава, температуры, плотности и скоростей распространения поперечных волн на глубинах 100-300 км. На профиле S-волн обнаружена твердофазная зона пониженных скоростей в интервале глубин 150-260 км. Профили температуры выведены из абсолютных скоростей P- и S-волн с учетом фазовых превращений, ан-гармонизма и эффектов неупругости. Исследована чувствительность сейсмических моделей к составу и показано, что относительно небольшие вариации в составе южно-африканских ксенолитов приводят к латеральным вариациям по температуре ~200°C. Обращение ряда сейсмических профилей (в том числе, IASP91) при фиксированном валовом составе (гранатовых перидотитов, вещества примитивной мантии) приводит к инверсии температуры на глубинах 200-250 км, что лишено физического смысла. Предполагается, что инверсия температуры может быть исключена постепенной фертилизацией мантии по глубине. В этом случае литосфера кратона должна быть стратифицирована по химическому составу. Деплетированная литосфера, сложенная гранатовым перидотитом, существует до глубин 175-200 км. На глубинах 200-250 км литосферный материал обогащен базальтоидными компонентами (FeO, Al2O3, CaO) по сравнению с веществом гранатовых перидотитов, но одновременно обеднен этими же компонентами по сравнению с фертильным веществом подстилающей примитивной мантии. На глубине порядка 275 км вещество корня кратона не отличается по своим физическим и химическим характеристикам от состава нормальной мантии, что позволяет оценить мощность литосферы в 275 км. Полученные результаты сопоставлены с данными сейсмологии, геотермии и термобарометрии.
Ключевые слова: литосфера, состав, температура, кратон Каапвааль. PACS: 91.35.Dc; 91.45.Dh
ВВЕДЕНИЕ
Окислительно-восстановительный режим, химический состав и температура архейской мантии могли заметно отличаться от современных условий. Модель эволюции Земли, основанная на гипотезе многостадийного процесса образования ядра [Galimov, 2005], позволяет предположить, что состав и тепловой режим мантии изменялся со временем. Если наращивание железного ядра было связано с этим процессом, то могло происходить перераспределение закисного железа, содержащегося в силикатах мантии, и его перенос в ядро. В этом случае существенным источником тепла становится процесс гравитационной дифференциации. Математическая разработка гидродинамических моделей эволюции Земли связана с пионерскими работами В.П. Мясникова, в которых были исследованы многие закономерности развития планетарных тел, в том числе конвективных движений в мантии [Мясников, Маркарян, 1977; Мясников, Савушкин, 1978; Мясников, Фадеев, 1980].
Возможность вхождения FeO в состав внешнего ядра не только не противоречит экспериментам при высоких давлениях и расчетам из первых принципов ^оагаМ et а1., 1992; et а1., 1999], но и позволяет объяснить - почему мантия Земли обеднена FeO, тогда как силикатные оболочки Луны и Марса, имеющие более низкие температуры и давления, обогащены FeO. Реализация этой возможности могла привести к различиям в содержании FeO в архейской и современной мантии. В связи с этим одной из важнейших задач становится определение палеотемператур и палео-концентраций в архейской мантии и их сопоставление с современной мантией Земли.
В мантии под разными тектоническими структурами могут проявляться как эффекты химических и фазовых превращений, так и тепловые эффекты, связанные с геодинамическими процессами и оказывающие существенное влияние на гравитационную неустойчивость литосферы и характер тепловой/термохимической конвекции в мантии [Мясников, Фадеев, 1980; Добрецов и др.,
2001; Артюшков, 1979; Трубицын, 2000; Лобков-ский и др., 2004]. Поэтому другая важная задача заключается в изучении плотностной структуры континентальной литосферы, поскольку плотностные аномалии, обусловленные вариациями температуры и химического состава, влияют на распределение масс внутри планеты и мощность литосферных корней, и являются движущей силой мантийной конвекции [Jordan, 1978; Романюк, 1995; Poudjom Djomani et al., 2001; King, 2005]. Эти идеи используются в концепциях механического погранслоя и адиабатической мантии и, находящегося между ними, термического погранслоя [Jaupart, Mare-schal, 1999; Sleep, 2003]. И, наконец, третья не менее трудная задача заключается в исследовании степени согласованности (или непротиворечивости) сейсмических, термических и петрологических ограничений на состав, тепловой режим и физические свойства мантии [Shapiro, Ritzwoller, 2004; Artemieva et al., 2004; Stixrude, Lithgow-Bertelloni, 2005; Кусков, Михалева, 1993; Кронрод, Кусков, 2006].
Существующие геохимические и геофизические модели мантии (хондритовая, пиролитовая, пиклогитовая) не всегда равнозначны по детальности и часто взаимно не согласованы, поскольку их построение осуществляется в рамках аксиоматики той или иной информационной системы. Первые, основанные на определениях состава мантии по хондритам, ксенолитам и диаграммам состояния минеральных систем [Виноградов, 1975; Taylor, 2001; Saxena, Eriksson, 1984; Boyd, 1987; McDonough, 1990; Fabrichnaya, Kuskov, 1991], не отражают специфику теплового режима и не могут рассматриваться в качестве сейсмической основы литосферы конкретных тектонических регионов. Вторые, основанные на методах сейсмологии, томографии, геотермии и гравиметрии [Dziewonski, Anderson, 1981; Ritsema, van Heijst, 2000; Pollack et al., 1993; Nolet et al., 1994; Rudnick et al., 1998; Jaupart, Mare-schal, 1999; Кабан, 2002], не выявляют химическую природу и физико-химическую эволюцию вещества литосферной и астеносферной мантии. Артемьева и Муни [Artemieva, Mooney, 2001] обобщили имеющиеся данные о тепловом потоке и теплогенерации в коре и построили серию карт по распределению температуры на различных глубинах под континентами. Термические модели показывают существенные расхождения в оценках температуры с глубиной, что связано с неопределенностью вклада коровой составляющей в полный тепловой поток [Ламберт, 1980; Pollack et al., 1993; Rudnick et al., 1998].
Сейсмическая томография [Яновская, 1997; Ritsema, van Heijst, 2000], исследуя объемные аномалии Земли по времени пробега, амплитуде и форме продольных, поперечных и поверхностных волн, позволяет выявить крупномасштабные неоднородности в виде латеральных отклонений скоростей сейсмических волн от средних сферически-сим-
метричных значений (следствие тепловых возмущений в мантии), оценить мощность и структуру тепловых корней континентов. Несмотря на слабую чувствительность томографии к вариациям вертикальной скорости, это дает возможность связать аномалии сейсмических скоростей с вариациями температуры, упругих и диссипативных свойств [Furlong et al., 1995; Sobolev et al., 1996; 1997; Forte, Perry, 2000; Cammarano et al., 2003; Artemieva et al., 2004]. Чувствительность томографических моделей к вариациям состава пород весьма низка и, как правило, не поддается разрешению. Поэтому обычно предполагается, что влиянием состава, равно как и фазовыми превращениями многофазного мантийного вещества на распределение температуры, можно пренебречь [Goes et al., 2000; Goes, van der Lee, 2002]. На практике оценки температуры производятся посредством простого сопоставления сейсмических профилей с упругими свойствами изохимических моделей мантии различного валового состава [Goes et al., 2000; Lee, 2003; Kopylova et al., 2004; Kuge, Fukao, 2005]. В подобных работах сейсмические свойства, рассчитанные по фиксированному составу породы, не согласованы с фазовыми диаграммами минеральных систем, и поэтому не в состоянии выявить тонкие температурные эффекты и объяснить природу и резкость сейсмических границ в мантии.
Геотермические, сейсмические и петролого-геохимические данные указывают на структурную, температурную, вещественную и изотопную неоднородность (вертикальную и латеральную) верхней мантии Земли [Nolet et al., 1994; Artemieva, Mooney, 2001; Anderson, 2006]. Вещественный состав, кроме того, остается наиболее важным фактором для определения мощности континентальных корней [Jordan, 1978], природы мантийных границ (особенно природы фазовой/химической границы на глубине 650 км) [Kuskov et al., 1991; Kuskov, Panf-erov, 1991] и понимания динамики мантии [Forte, Perry, 2000; King, 2005], в том числе химико-плот-ностного фактора плавучести для развития конвекции.
Плотность, сейсмические скорости, природа мантийных границ и мощности слоев в мантии являются зависимыми величинами от температуры, давления, химического и модального состава пород и определяются законами термодинамического равновесия. Объемные и тепловые эффекты фазовых превращений, связанные с вариациями температуры, упругих свойств и состава пород, оказывают существенное влияние на скоростные и плотностные свойства мантии на геофизических границах (и на характер конвекции), выяснение природы которых требует дальнейших исследований [Kuskov, Panferov, 1991; Woodland, 1998; Kung et al., 2004; Stixrude, Lithgow-Bertelloni, 2005]. Особенно важно исследовать влияние этих эффектов на глуби-
нах 80-100 км (граница Хейлса), 200-250 км (граница Леманн), ~300 км (так называемая Х-грани-ца), 400 км (граница верхняя мантия - переходная зона), 500-520 км (предполагаемая граница перехода Р-у-шпинель) и 650 км (граница переходная зона - нижняя мантия).
Поскольку давление (глубина) фазовых переходов зависит от температуры и состава, то о вариациях температуры в нормальной мантии и мантии древних щитов можно судить по сопоставлению петрологических экспериментов при высоких давлениях с сейсмическими данными. В верхней мантии устойчива ассоциация оливин + гранат
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.