Латеральные сейсмические неоднородности верхней мантии под Сибирским кратоном Суворов В.Д., Мельник Е.А., Мишенькина З.Р., Павлов Е.В., Кочнев В.А.

Схема расположения профилей Рифт и Метеорит и Кратон

Основная задача изучение структуры верхней мантии под Сибирским кратоном. В работах [Егоркин и др., 1987, 1996; Егоркин, 1999, 2004; Cipar, Priestley, 1997; Mechie, et al., 1997; Pavlenkova et al., 1996, 2002, 2006; Pavlenkova, 1996, 2006, 2011] наблюдаемые аномалии волнового поля связывались, в основном, с вертикальной расслоенностью верхней мантии. Нами рассматривается возможность присутствия и горизонтальных неоднородностей.

Типичный пример монтажа сейсмограмм по ядерным взрывам (профиль Кратон)

Редуцированные годографы первых вступлений по профилю Кратон 8.7 км/с Области первых вступлений с кажущейся скоростью близкой к 8.7 км/с, относящейся к высокоскоростному слою в основании литосферы. 8.7 км/с

Редуцированные годографы первых вступлений и последующих фаз по профилю Метеорит 7.8 км/с БРЗ Ангаро-Ленская ступень 8.7км/с Главная задача разделения вертикальной (слоистости) и горизонтальной неоднородности по имеющимся данным не может быть решена однозначно, особенно для локальных характеристик волнового поля. Причина: недостаточная плотность источников возбуждения. Поэтому важно найти наиболее крупные аномалии, источники которых могут быть определены достаточно обосновано. 8.9 км/с 8.8 км/с 8.7 км/с

Основные особенности изменений времен пробега волн в первых вступлениях 1.увеличение кажущейся скорости от до км/с, начиная с расстояний взрыв-прием км; 2.понижение величины кажущейся скорости от 8.9 до 8.3 км/с на конечной части годографа из ПВ R4, М3, М4 в области расположения оз. Байкал; 3. интенсивная волна с кажущейся скоростью около 10.0 км/с в последующих вступлениях на расстоянии взрыв-прием более 2000 км однозначно интерпретируемая всеми авторами как преломленно-рефрагированная на кровле переходной зоны на глубине около 410 км;

Основной метод исследования - численное решение прямой кинематической задачи сейсмики. Прямое двумерное лучевое трассирование при построении разреза выполнялось программой SeisWide [Zelt & Smith, 1992] для сферической модели Земли в прямоугольных координатах. Абсолютные невязки между наблюденными и теоретическими временами пробега не превышают в отдельных случаях 1 с при среднеквадратическом значении с. Свойства стартовой модели В стартовой модели должны быть предусмотрены перечисленные аномальные особенности изменений времен пробега волн, для которых будут определены параметры разреза верхней мантии в результате лучевого моделирования. Стартовая модель состоит из семи слоев: Три из них для земной коры (осадочный чехол, верхняя и нижняя кора) заданы априори; четыре слоя в верхней мантии до кровли переходного слоя на глубине около 410 км (глубина границ: 100, 200, 310, 410 км). Скорость в слоях соответствует средним значениям в имеющихся моделях.

Пример лучевой схемы и годографов волн в финальной модели по профилю Метеорит (ПВ М2) Аномалия повышенной скорости км/с соответствует слою со скоростью км/с на глубине км. Аномалия пониженной скорости под Байкальской рифтовой зоны прослежена до глубины 160 км. Лучевая схема 8.7 км/с 7.8 км/с Цветом отмечены контрастные аномалии кажущейся скорости.

Пример лучевой схемы и годографов волн в модели по профилю Кратон (ПВ С2) Показано, что повышенная до 8.7 км/с кажущаяся скорость на значительно меньших удалениях взрыв- прием от ПВ км может быть обусловлена локальным поднятием кровли высокоскоростного слоя до глубины км. Лучевая схема км/с

Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Рифт На глубинах км выделен слой мощностью до 50 км с аномально повышенной до км/с скоростью. Существенно, что он может значительно утоняться или быть прерывистым под крупными синеклизами. В разрезе верхней мантии выделяются два структурных этажа: наиболее неоднородный верхний до глубины км и ниже практически однородный до границы «410 км». Для верхнего этажа характерна корреляция латеральных изменений скорости с региональными геологическими структурами фундамента. В верхнем этаже, заключенном между Мохо и глубиной км скорость изменяется по вертикали и горизонтали от 7.9 км/с (под БРЗ) до 8.55 км/с (под кратоном). Повышенная до км/с наблюдается в блоке под Ангаро- Ленской ступенью и пониженная до км/с под Присаяно- Енисейской синеклизой. Эти аномалии прослеживаются до глубины около 200 км.

В верхах мантии вдоль профиля Метеорит скорость в целом значительно ниже ( км/с), чем на параллельном профиле Рифт ( км/с), но прослеживаются подобные аномалии в районе Ангаро-Ленской ступени и БРЗ. В центральной части профиля на глубине км наблюдается повышение скорости до 8.45 км/с. Слой повышенной скорости км/с погружается с северо-запада на юго-восток от 120 до 220 км. Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Метеорит

Наблюдается исключительно контрастное латеральное изменение скорости в верхней мантии от 7.9 в области сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы до 8.5 км/с на восточном борту Вилюйской синеклизы. Также скорость км/с характерна для кимберлитовой провинции. Мощность слоя повышенной скорости изменяется от значительного утонения (выклинивания) в области сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы до 100 км под Тунгусской синеклизой. Интерес вызывает область повышенной до 8.45 км/с в центральной части Западно-Сибирской плиты и под Тунгусской синеклизой (след плюма??). Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Кратон

Кратон С2С3 С4 Карта остаточных мантийных аномалий гравитационного поля [Грачев, Кабан, 2006] Мантийная литосфера Кратона характеризуется положительной гравитационной аномалией до 200 мГал в области распространения траппов [Грачев, Кабан, 2006] (получено после устранения эффектов коры, включая рельеф дневной поверхности и Мохо). Показано, что плотность верхней мантии под Сибирской платформой существенно меняется в горизонтальном направлении: восточная часть характеризуется повышенной плотностью. В то время как северо-западная часть – пониженной. Это полностью коррелируется с распределением аномалий высокой и низкой скорости в верхах мантии полученными нами по профилю Кратон. Хотя, такая корреляция отсутствует в разрезах полученных в работах [Егоркин и др., 1987, 1996; Егоркин, 1999, 2004; Cipar, Priestley,1997; Mechie, et al., 1997; Pavlenkova et al., 1996, 2002, 2006; Pavlenkova, 1996, 2006, 2011].

К расчету подкоровой гравитационной аномалии по профилю Метеорит Графики аномального гравитационного поля наблюденные данные в редукции Буге по результатам авторского моделирования из работы [Грачев, Кабан, 2006] Сейсмический разрез коры по данным [Разинковой, 1987; Егоркин, 1991] с дополнениями авторов. Как и в работе [Грачев, Кабан, 2006], положительная мантийная гравитационная аномалия в слое мантии до глубины 150 км объясняется увеличением плотности от 3.3 до г/см 3, что близко также и к результатам работы [Сурков, Морсин, 1993]. Гравитационная аномалия для подкоровой мантии слабо коррелируется со скоростью на Мохо, но соответствует области повышенной до км/с скорости в центральной части профиля на глубине км. Оценка гравитационных аномалий мантии при вычитании эффектов земной коры. Использована обобщенная корреляция скорость-плотность для пород земной коры из работы [Brocher, 2005]. Земная кора под Тунгусской синеклизой изостатически не уравновешена. Прогибу фундамента соответствует прогиб Мохо примерно равной амплитуды.

Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Метеорит Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Метеорит (Pavlenkova et al., 2006)

Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Кратон (Pavlenkova et al., 2006) Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Кратон

Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Рифт (Pavlenkova et al., 2002) Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Рифт

Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Рифт Сейсмический разрез верхней мантии по профилю Рифт (Егоркин, 2004)

Выводы Обнаружены значительные латеральные скоростные неоднородности в верхней мантии Сибирского кратона вдоль профилей Рифт, Метеорит и Кратон. Они распространяются на глубину до км и характеризуют мантийную литосферу. Наблюдается связь между крупными структурами фундамента и распределением скорости в верхах мантии. Под прогибами фундамента скорость в верхах мантии понижена, под поднятиям фундамента повышена. В основании интервала с контрастными латеральными изменениями скорости, на глубине км выделен слой с повышенной до км/с скоростью. Мощность слоя изменятся от 30 км до 110 км и может утоняться (выклиниваться) на локальных участках. Под слоем повышенной скорости до границы «410 км» данные о свойствах мантии немногочисленны и можно только предполагать, что в этом интервале, содержащем в себе астеносферный слой, латеральные неоднородности незначительны. Различия в структуре верхней мантии у разных авторов обусловлены редкой системой наблюдений, при которой нельзя однозначно разделить вертикальную (слоистость) и горизонтальную неоднородности и различиями в стартовых моделях. Природа изостатической неуравновешенности земной коры под Тунгусской синеклизой остается невыясненной.

Спасибо за внимание!

Сейсмотомографический разрез верхней мантии вдоль профиля Метеорит [Бушенкова и др., 2003]