CC BY
24
УДК 550.311
ЛАТЕРАЛЬНЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ПОД СИБИРСКИМ КРАТОНОМ
Елена Александровна Мельник
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, зав. лабораторией лаборатории глубинных геофизических исследований и региональной сейсмичности, тел. (383)330-60-18, e-mail: [email protected]
Владимир Дмитриевич Суворов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории глубинных геофизических исследований и региональной сейсмичности, тел. (383)330-60-18, e-mail: [email protected]
Евгений Владимирович Павлов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории глубинных геофизических исследований и региональной сейсмичности, тел. (383)330-41-22, e-mail: [email protected]
Показаны результаты лучевого моделирования верхней мантии Сибири по данным мирных ядерных взрывов по профилям Рифт, Метеорит и Кратон. Используется слоисто-неоднородная модель с существенными латеральными вариациями скорости продольных волн. Обсуждаются вопросы разделения вертикальной расслоенности литосферы и ее латеральных неоднородностей совместно с гравитационным моделированием.
Ключевые слова: ядерные взрывы, верхняя мантия, Сибирская платформа, сейсмо-плотностное моделирование.
LATERAL SEISMIC HETEROGENEITIES OF THE UPPER MANTLE BENEATH THE SIBERIAN CRATON
Elena A. Melnik
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Chief of laboratory of deep geophysical investigations and regional seismology, tel. (383)330-60-18, e-mail: [email protected]
Vladimir D. Suvorov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, D. Sc., Principal Research Scientist, Laboratory of deep geophysical investigations and regional seismology, tel. (383)330-60-18, e-mail: [email protected]
Evgeny V. Pavlov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Research Scientist, Laboratory of deep geophysical investigations and regional seismology, tel. (383)330-41-22, e-mail: [email protected]
Shows the results of ray tracing modeling of the upper mantle of Siberia according to the peaceful nuclear explosions for the Rift, Kraton and Meteorite. Uses a layered-inhomogeneity mod-
el with significant lateral variations of the velocity of P waves. Discusses the separation of the vertical layering of the lithosphere and its lateral heterogeneities. To narrow the ambiguity of the solution was used seismic gravitational modeling.
Key words: nuclear explosions, upper mantle, Siberian platform, seismic and gravity modeling.
Оценка сейсмической мощности литосферы в Сибири остается дискуссионной, несмотря на имеющиеся уникальные наблюдения подземных ядерных взрывов вдоль сверхдлинных профилей. В работах [3, 4, 8, 11, 13-15] в верхней мантии выделяются протяженные слои с относительно пониженной и повышенной скоростью продольных волн. Вместе с тем при расстояниях между пунктами взрыва около 1000 км нет возможности однозначно разделить изменения скорости вследствие слоистости и/или латеральной неоднородности. В этой связи имеет смысл использовать латерально неоднородные модели, в которых введение протяженных субгоризонтальных, слабо неоднородных слоев рассматривается как вынужденная мера, без которой не удается получить достаточную согласованность наблюденных и теоретических времен пробега волн. При таком подходе модель значительно упрощается, выделяемые аномалии скорости, отчетливо выраженные в изменениях кажущейся скорости, характеризуются размерами более 300 км и поэтому представляются достаточно обоснованными [9, 12, 16].
Построение сейсмических разрезов верхней мантии по профилям Рифт, Метеорит и Кратон (рис. 1) выполнено с применением двумерного лучевого моделирования непосредственно в сферической модели Земли [18].
Рис. 1. Схема расположения профилей Рифт, Метеорит и Кратон. Обозначены области преобладающего распространения траппов (контур точечной линией), туфогенных толщ (штриховой) и развития интрузивных траппов (силлы, дайки, сплошная линия) [5]. Кружки -положение и номера пунктов взрыва в соответствии с [17]
75".
125°
Интерес представляет сравнение скоростных неоднородностей литосферы под Сибирской платформой, Западно-Сибирской плитой, Тунгусской и Вилюй-ской синеклизами. Интерпретационный аспект наших моделей связан с проблемой изучения природы внутриплитного магматизма в Восточной Сибири за счет влияния высокотемпературных плюмов [2].
В качестве примера рассмотрим разрез по профилю Кратон (рис. 2) [16].
Тунгусская синеклиза кРатон
о 500 1000 1500 2000 2500 3000
Расстояние по профилю, X км Скорость продольных волн
5 6 7 8 9 км/с
Рис. 2. Скоростная модель верхней мантии по профилю Кратон.
Тонкими линиями показаны изолинии скорости в км/с, толстыми -со скачком скорости, треугольники - пункты взрыва. Х - хорда сегмента большого круга Земли с длиной дуги L=3570 км. Штриховыми линиями показаны уровни глубин 100, 200, 300 и 400 км, а стрелками -пересечения с профилями Рифт и Метеорит
В верхней мантии выделяются два структурных этажа: наиболее неоднородный верхний и практически однородный до границы «410 км» нижний. Наблюдается исключительно контрастное латеральное изменение скорости в верхней мантии от 8,0 км/с в области сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы до 8,4 км/с на восточном борту Вилюйской синеклизы. Также скорость 8,4-8,5 км/с характерна для кимберлитовой провинции. Интерес вызывает область повышенной до 8,4 км/с скорости в центральной части Западно-Сибирской плиты. Видно, что для верхнего этажа характерна корреляция латеральных изменений скорости с региональными геологическими структурами фундамента. Пониженные значения скорости под Мохо соответствуют синеклизам, повышенные - выступам фундамента.
На глубине 110-180 км выделена кровля слоя мощностью до 100 км с аномально повышенной до 8,5-8,7 км/с скоростью. Существенно, что он может значительно утоняться или быть прерывистым. Подошва слоя по используемым
сейсмическим данным определяется неуверенно, так как ниже залегают породы с пониженной до 8,5 км/с скоростью. Так, на профиле Кратон мощность слоя с аномальной скоростью изменяется от утонения (выклинивания) в области сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы до 100 км под Тунгусской синеклизой.
Интервал глубины между подошвой литосферы и границей «410 км» характеризуется незначительным нарастанием скорости с глубиной от 8,5 до 8,55 км/с. На границе «410 км» скорость скачком увеличивается до 9,4-9,45 км/с.
В пространственном отношении наибольший интерес в структуре литосферы вызывает рельеф кровли слоя повышенной скорости, который резко меняется по площади. Области максимально глубокого залегания кровли слоя с повышенной скоростью (более 200 км) тяготеют к стабильным районам, включая алмазоносные области Иркутского амфитеатра и западную часть Якутской кимберлитовой провинции. Протяженность на юг может свидетельствовать о перспективах поиска кимберлитов в Красноярском крае и Иркутской области (имеются находки россыпных алмазов). Области минимальной глубины залегания кровли слоя с повышенной скоростью (100-130 км) тяготеют к областям проявления траппового магматизма на Сибирской платформе [10]. Это хорошо коррелируется с распределением в пространстве различных магматических фаций в Восточной Сибири. Так, эффузивы распространены в основном в северо-западной части Тунгусской синеклизы, где максимальная мощность трапповой формации достигает 3,5 км. Уменьшение мощности базальтовых потоков происходит в южном и юго-восточном направлениях, где они выклиниваются, фациально замещаясь туфогенными породами [7].
Двумерное сейсмогравитационное моделирование по программе решения прямой и обратной двухмерной гравитационной задачи ЛОМ-ЗЭ [6] по профилям Метеорит и Кратон показывает удовлетворительное соответствие сейсмических и гравитационных данных. Выявленная в работе [1] положительная гравитационная аномалия для подкоровой части верхней мантии коррелируется с аномалией повышенной скорости на глубине 100-200 км на профилях Метеорит и Кратон. Особый интерес вызывает различие в изостатическом состоянии земной коры Вилюйской и Тунгусской синеклиз (профиль Кратон).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Грачев Л.Ф., Кабан М.К. О причинах высокого стояния Сибирской платформы // Физика Земли. - 2006. - № 12. - С. 20-33.
2. Добрецов Н.Л. Пермо-триасовые магматизм и осадконакопление в Евразии как отражение суперплюма // ДАН. - 1997. - Т. 354, № 2. - С. 220-223.
3. Егоркин А.В. Изучение мантии на сверхдлинных геотраверсах // Физика Земли. -1999. - № 7-8. - С. 114-130.
4. Егоркин А.В. Строение мантии Сибирской платформы // Физика Земли. - 2004. -№ 5. - С. 37-46.
5. Золотухин В.В., Альмухамедов А.И. Базальты Сибирской платформы: условия проявления, вещественный состав, механизм образования. Траппы Сибири и Декана: черты сходства и различия. - Новосибирск: Наука. Сиб. Отделение, 1991. - С. 7-39.
6. Кочнев В.А. Адаптивные методы решения обратных задач геофизики: учеб. пособие. - Красноярск: Красноярский госуниверситет, 1993. - 131 с.
7. Оценка объемов и проблема генезиса пермо-триасового траппового магматизма Сибирской платформы / Ю.Р. Васильев, В.В. Золотухин, Г.Д. Феоктистов, С.Н. Прусская // Геология и геофизика. - 2000. - Т. 41, № 12. - С. 1696-1705.
8. Павленкова Н.И., Павленкова Г.А. Строение земной коры и верхней мантии Северной Евразии по данным сейсмического профилирования с ядерными взрывами. - М.: ГЕОКАРТ-ГЕОС, 2014. - 192 с.
9. Сейсмические неоднородности верхней мантии под Сибирским кратоном (профиль Метеорит) / В.Д. Суворов, Е.А. Мельник, З.Р. Мишенькина и др. // Геология и геофизика. -2012. - Т. 54 (9). - C. 1411-1426.
10. Старосельцев B.C. Тектоника базальтовых плато и нефтегазоносность подстилающих отложений. - М.: Недра, 1989. - 259 с.
11. Структура верхней мантии по профилю Байкал-Ямал (Рифт), полученная с применением мирных ядерных взрывов / А.В. Егоркин, Н.И. Павленкова, Т.В. Романюк, Л.Н. Со-лодилов // Геология и геофизика. - 1996. - Т. 37, № 9. - С. 66-76.
12. Суворов В.Д., Мишенькина З.Р., Мельник Е.А. Сейсмические верхнемантийные корни структур фундамента Сибирской платформы по профилю Рифт // Геология и геофизика. - 2010. - Т. 51 (8). - C. 1134-1150.
13. Cipar J., Priestley K. Cantal Siberia upper mantle cross-section from deep seismic sounding explosions / Ed. K. Fuchs. Upper mantle heterogeneities from active and passive seismology. -Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1997. - P. 75-87.
14. Pavlenkova G.A., Pavlenkova N.I. Upper mantle structure of the Northern Eurasia from peaceful nuclear explosion data // Tectonophysics. - 2006. - N 416. - P. 33-52.
15. Pavlenkova N.I. Seismic structure of the upper mantle along the long-range PNE profiles - rheological implication // Tectonophysics. - 2011. - N 508. - P. 85-95.
16. Seismic and density heterogeneities of lithosphere beneath Siberia: Evidence from the Craton long-range seismic profile / E.A. Melnik, V.D. Suvorov, E.V. Pavlov, Z.R. Mishenkina // Polar Science. - 2015. - Vol. 9. - P. 119-129.
17. Sultanov, D.D., Murphy, J.R., Rubinstein, Kh.D. A seismic source summary for soviet peaceful nuclear explosions // Bull. Seismol. Soc. Am. - 1999. - N 3. - P. 640-647.
18. Zelt C.A., Smith R. Seismic traveltime inversion for 2D crustal velocity structure // Ge-ophys. J. Int. - 1992. - Vol. 108. - P. 183-204.
© Е. А. Мельник, В. Д. Суворов, Е. В. Павлов, 2017
