CC BY
24
УДК 550.834.05
В.Б. Пийп
СТРОЕНИЕ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ СИБИРИ
ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ НА СВЕРХДЛИННЫХ ПРОФИЛЯХ
Строение мантии вдоль сверхдлинных сейсмических профилей на территории России исследовано методом однородных функций. Без использования какой-либо априорной информации о разрезах по годографам волн получены двумерно-неоднородные разрезы верхней мантии, вычисленные до глубины 500—600 км с учетом кривизны Земли Представление разрезов в виде поверхности с оттененным рельефом, совмещенной с полем изолиний скорости, позволило увидеть на разрезах главные разделы литосферы и верхней мантии, внутреннее строение слоев и локальные неоднородности разнообразной формы (конвективные ячейки и слэбы).
Ключевые слова: сейсмическая интерпретация, верхняя мантия, сверхдлинные профили, тектоника.
The structure of the mantle along superlong seismic profiles in territory of Russia is investigated with use of a method of homogeneous functions. The 2D inhomogeneous sections are calculated with the account of earth curvature up to depth of 500—600 km without any prior information. Representation of sections as a surface with shadow relief combined with velocity contours, had allowed to see in the sections the main interfaces of the lithosphere and upper mantle, internal structure of layers and local heterogeneity (convec-tive cells and slabs).
Key words: seismic interpretation, upper mantle, superlong seismic profiles, tectonics.
Введение. С целью получения информации о глубинном строении Земли в СССР регистрировались сейсмические волны от ядерных взрывов. Длина зарегистрированных годографов первых волн превышает 3500 м. Сейсмические продольные волны при этом проникают в верхнюю мантию и освещают ее на всю глубину. При интерпретации таких данных необходимо учитывать кривизну Земли. Вместе с тем многие методы и алгоритмы приспособлены и работают только для плоской Земли, к ним относится и метод однородных функций. В нескольких работах опубликованы формулы преобразований для перехода от сферически симметричной Земли к плоской модели и обратно, чтобы использовать алгоритмы и методы, пригодные для случая плоской Земли, а затем преобразовать результат к случаю сферически симметричной Земли.
В статье показано, что указанные преобразования справедливы для случая двумерного произвольного скоростного распределения внутри полуокружности. Эти преобразования использованы для обращения методом однородных функций годографа Джеффри-са—Буллена и интерпретации сверхдлинных годографов по 5 профилям.
Строение мантии вдоль сверхдлинных сейсмических профилей на территории России исследовано многими авторами [Винник, Егоркин 1980; Егоркин и др., 1984; МееЫе ^ а1., 1993; Рау1еикоуа е! а1., 1996]. Однако двумерные разрезы приводятся в основном
для глубины до 200—300 км. Более глубокие части мантии характеризуются, как правило, одномерными скоростными зависимостями или оказываются практически сферически симметричными. Поэтому рельеф границы переходного слоя между верхней и нижней мантией, а также структура верхней мантии ниже астеносферы пока остаются мало исследованными. Автором автоматически получены двумерно-неоднородные разрезы, которые характеризуют строение верхней мантии до глубины 500—600 км.
Преобразование координат. Можно доказать, что годографы, заданные на линии полуокружности, в случае произвольного изменения скорости внутри полукруга могут быть преобразованы в годографы для случая полуплоскости. Пусть скорость внутри полукруга, произвольно зависит от двух координат г, ф, где г совпадает с радиусом Земли, а угол ф отсчитывается по часовой стрелке, как показано на рис. 1, а.
Уравнение эйконала в полярной системе координат имеет вид
dt_
dr
1
dt_
дф
1
(r, ф)
(1)
начальные условия запишем в виде ЦЯ,фо) = 0, 0 <Ф<П,
где Я — радиус Земли.
Произведем следующие преобразования уравнения (1):
2
+
2
(ШШя ф/\ /\г 1
0
2 ( д±_ дг
д/ д 1п г
2
1
31
дф ) V2 (г, ф)/ г2
2
д.
дф
1
(г,ф)/1
г = 1п г, х = ф, после преобразований получим
(2)
дг
Обозначим
д* ^2 + ()2 = _ 1 ' дх I V2
(ег,х)/<
,2г
где мг(л, г) — функция декартовых координат. Эти преобразования трансформируют поле времен для случая полукруга с произвольным двумерным распределением скорости к случаю полуплоскости, т.е прямолинейной поверхности наблюдений. Начало координат г = 0 исключается из рассмотрения. Начальные условия преобразуются к виду t(1п Я, х0) = 0 .
Перенесем теперь начало декартовой системы координат на поверхность г = 1п Я и изменим направление оси г на противоположное:
к = 1пЯ - г = 1п(Я /г),
получим
дt
д(1п Я - к)
дк
1
31 ^2 =_
дх ) ^2 (х,1пЯ - к)
2
сП_ дх
1
/2 (х, к)
(3)
Рис. 1. Последовательные отображения скоростных полей (а—в) в процессе преобразований (2)—(4)
Здесь мы обозначили функцию w (х, 1п Я - к) как /(л, И). Начальные условия преобразуются к виду
/(0, хо) = 0.
После введенных преобразований поля времен соответствуют декартовым координатам, т.е. плоской земле, когда источники колебаний расположены на поверхности (рис. 1, б). Отметим, что при этих преобразованиях горизонтальное расстояние г заменяется угловым удалением ф (которое часто обозначается как А). Характеристиками уравнения поля времен являются сейсмические лучи, которые тоже преобразуются к случаю плоского полупространства. Следовательно, годографы, зарегистрированные на сверхдлинных расстояниях от источника, после введенных преобразований можно интерпретировать любым методом, который справедлив для случая плоской двумерно-неоднородной среды, а затем результат преобразовать обратно к сферической двумерно-неоднородной модели.
Формулы обратных преобразований
г = Я - к,
Так как введено деление скорости на радиус, то принимаем ограничение г > 0, значение радиуса всегда больше нуля, иными словами, для центра Земли введенные преобразования использовать нельзя.
Затем преобразуем переменные
г = е(г-к) = ег /ек, ф = п /2 - х, V = /г.
(4)
v(eг, х)/ ег = w(х, г),
Окончательный разрез изображаем в декартовых координатах, как показано на рис. 1, в.
В работах [Гервер, Маркушевич, 1968; Ми11ег, 1971] опубликованы аналогичные формулы преобразований для перехода от сферической Земли к плоской модели и обратно, выведенные в предположении, что Земля является сферически симметричной.
Метод однородных функций. Для обращения годографов волн по сверхдлинным профилям был использован метод однородных функций [Пийп, 1991; РИр, 2001] — метод локальной аппроксимации скоро-
2
+
+
2
+
2
+
стного разреза однородными функциями двух координат. Метод широко используется при интерпретации данных глубинного сейсмического зондирования и инженерной сейсмики [РИр, Ейтоуа, 1996].
Выбор аппроксимирующей функции обусловлен следующими фактами. Однородные функции обладают свойствами, которые являются определяющими для геологических сред. Линии уровня функций — подобные кривые, как и большинство границ раздела на геологических разрезах (например, складчатые или плоско-параллельные среды). Форма изолиний скорости однородных функций двух координат может быть произвольной. Однородные функции весьма хорошо подходят для аппроксимации реальных геологических земных разрезов, что доказано в многочисленных публикациях. В частности, это доказывается расчетами на модельных примерах и сопоставлением восстановленного разреза со скважинными данными. Применимость этих функций доказывает и то, что вычисляемые разрезы детально совпадают с разрезами метода общей глубинной точки (ОГТ) по данным отраженных волн [Наумов, 2004; РИр е! а1., 2007]. Ниже приведен численный пример восстановления скоростного разреза в сферически симметричной земле методом однородных функций.
Однородные функции — это наиболее общие функции двух координат, используемые в современной сейсморазведке для вычисления значений сейсмической скорости методами простой инверсии. Слоисто-однородные среды с плоскими границами раздела и вертикально-неоднородные среды с произвольной функцией глубины — частные случаи однородной скоростной функции двух координат. Однородные функции двух координат не имеют ограничений в отношении величин как вертикальной, так и горизонтальной составляющих градиента скорости и могут содержать прямолинейные наклонные линии разрыва скорости — границы раздела. Обратная кинематическая задача сейсмики на множестве непрерывных возрастающих с глубиной однородных функций решается устойчиво и однозначно [Пийп, 1984]. При аппроксимации разреза непрерывными функциями линии разрыва скорости заменяются переходными зонами
Метод однородных функций является обобщением классических методов решения обратных кинематических задач сейсмики на случай двумерно-неоднородных сред. К классическим методам решения обратной задачи относятся метод t0 для преломленных волн и методы определения эффективной скорости по годографам отраженных волн (постоянной разности, квадратичных координат и др.). Для случая непрерывного представления одномерной среды хорошо известен метод обращения Герглотца—Вихерта—Чибисова. Метод однородных функций применим как для разрывных сред [Пийп, Ефимова, 1981] (содержащих границы первого рода), так и для непрерывных моделей сред. В рамках метода
однородных функций показано, что формула Герг-лотца—Вихерта—Чибисова применима для случая сред с сильным горизонтальным градиентом скорости, а именно для случая однородной функции первой степени [Пийп, 1982, 1984].
Программный пакет ГОДОГРАФ для обработки годографов волн, интерпретации и построения сейсмических разрезов по данным преломленных волн производит локальную аппроксимацию реального скоростного разреза непрерывными монотонно возрастающими с увеличением полярного угла однородными функциями произвольной степени. В полярных координатах однородные функции записываются в виде
v=rm ¥(ф), (5)
где ш — произвольное действительное число, ^(ф) — произвольная непрерывная возрастающая функция полярного угла. Теория наиболее подробно изложена в [РИр, 2001]. Алгоритм состоит в следующем. Для каждой пары встречных годографов, увязанных во взаимных точках, вычисляется аппроксимация реального разреза однородной функцией (5). Важная особенность однородных скоростных функций — обратная двумерная задача в этом случае может быть сведена к одномерной с использованием простых трансформаций исходных годографов. При этом методами минимизации наилучшим образом совмещаются встречные трансформированные годографы, а значит, совмещаются и отрезки годографов, относящиеся к одному и тому же слою. Таким образом, в процессе решения обратной задачи автоматически решается трудная и неоднозначная проблема отождествления волн на годографах из разных пунктов возбуждения. Неизвестная функция полярного угла вычисляется численными методами как возрастающая ступенчатая функция.
Если интерпретируется сложная система наблюденных годографов, то для каждой пары встречных годографов, выбранной из системы наблюденных годографов, независимо вычисляется аппроксимация реального разреза функцией (5) в области, куда проникают лучи, которые тоже рассчитываются, таким образом определяется множество функций (5), число которых всегда равно числу пар встречных годографов.
Общий разрез вычисляется путем объединения на разрезе нижних частей локальных скоростных полей, не перекрываемых локальными скоростными полями, отвечающими более коротким парам встречных годографов. Так как обращение сейсмических годографов этим методом устойчивое, то границы локальных скоростных полей не видны на разрезе и не препятствуют непрерывному прослеживанию границ раздела на общем разрезе.
Когда известны все функции (5) и области разреза, в которых они аппроксимируют разрез, общий разрез вычисляется в узлах заданной прямоугольной
сетки — грид-разрез. Параметры сетки не могут быть выбраны произвольно, так как при очень маленьком шаге сетки будут видны границы локальных скоростных полей, а при очень крупном шаге не будут прослеживаться границы раздела и другие особенности скоростного поля. Таким образом, размер сетки определяет разрешенность разреза.
При инверсии годографов в случае слабых систем наблюдений используется линейная интерполяция годографов в отношении источников. Формулы интерполяции, которые мы используем, предложены Н.Н. Пузыревым в 1963 г. Как промежуточный этап при интерполяции строится разрез равных удалений (офсетов). Это временной разрез, в котором отображаются черты реального глубинного разреза, что показано в работе [РИр, 2001].
Автоматически вычисленные глубинные разрезы представляют собой поле скорости, заданное в узлах прямоугольной сетки. Это поле скорости содержит внутри себя информацию о границах раздела и тектонических нарушениях. Чтобы визуализировать границы раздела и разломы на разрезах, поле скорости представляется в виде поверхности с оттененным рельефом. Такую возможность дают компьютерные средства визуализации поверхностей. При освещении сверху границы первого рода (скорость на границе раздела увеличивается скачком сверху вниз) выглядят как светлые линии. Инверсионные границы раздела (скорость уменьшается скачком сверху вниз) выглядят как темные линии. Границы раздела второго рода, на которых скачком изменяется градиент скорости, выделяются как границы раздела слоев с различной интенсивностью освещения. Изображение поля скорости в виде поверхности с освещенным рельефом совмещается с полем изолиний скорости. Это позволяет получить представление об изменении скорости в слоях разреза.
Для разрезов, полученных методом однородных функций, многократно рассчитывались теоретические годографы, которые всегда достаточно хорошо совпадают с наблюденными. Среднеквадратические отклонения лежат в пределах допустимых значений, принятых при оценке разрезов в современной интерпретации.
Численный пример. Чтобы проиллюстрировать приведенные преобразования и определить пределы их применимости, мы обратили годограф Джеффри-са—Буллена методом однородных функций.
Табличные значения времен годографа Джеф-фриса—Буллена опубликованы в работе [Джеффрис, 1980]. По единственному годографу можно вычислить только одномерную возрастающую зависимость скорости от радиуса Земли. Одномерная скоростная функция является некоторым частным случаем однородной функции двух координат. Она определяется автоматически, если прямой и обратный годографы идентичны. Исходная система наблюдений для восстановления сферически симметричной Земли
была задана как два встречных годографа Джеффри-са—Буллена, зеркально симметричных один другому с угловым расстоянием между источниками 180°.
Алгоритм обращения таков, что если заданы два встречных годографа, можно вычислить только возрастающую однородную скоростную функцию. Чтобы получить немонотонную скоростную зависимость, включающую волноводы, нужна полная система наблюдений, когда источники и приемники расположены с одинаковым шагом. Для обращения использовались годографы, идентичные годографу Джеффриса—Буллена, с источниками расположенными в каждой точке наблюдения, т.е. с угловым расстоянием между источниками 5° (рис. 2, а). Эти годографы в совокупности образуют 640 пар встречных годографов. Годографы изображены в зависимости от угловой координаты, т.е. для них уже выполнены преобразования (2), поэтому обращение этих годографов методом однородных функций приводит к плоской Земле. В процессе обработки для каждой пары встречных годографов независимо друг от друга вычисляется своя скоростная функция (5) — локальное скоростное поле. Окончательный плоскопараллельный разрез, образованный объединением всех 640 локальных скоростных полей, представлен на рис. 2, б. Границы локальных полей на этом рисунке не видны, так как алгоритм обращения устойчив и однозначен. Глубина вычисленного разреза составила —0,9, что отвечает отношению r/R = 0^9. Глубже разрез искажается, так как существуют ограничения на глубину разреза согласно формулам (1—4). Мы получили ограничение для применения преобразований R—r = 3770 км. Плоско параллельный разрез, затем был преобразован в разрез для полукруга по формулам (4). На разрезе (рис. 2, в) четко выделяются известные границы раздела Земли: коры, верхней и нижней мантии и внешнего ядра. Разрез вычислен до радиальной глубины 3770 км.
Погрешность вычисления скорости можно оценить, сравнивая известную одномерную скоростную функцию для сферически симметричной Земли с полученной методом однородных функций (рис. 2, г). Довольно точно вычислена скоростная зависимость до границы внешнего ядра. Скорость внутри внешнего ядра оказалась примерно на 35% выше. Это объясняется тем, что скорость внутри волновода только по первым продольным волнам невозможно определить точно.
Интерпретация данных и ее результаты. Здесь приводятся результаты двухмерной интерпретации годографов по 5 сверхдлинным профилям Кварц, Кратон, Кимберлит, Метеорит и Рифт. Расположение профилей показано на рис. 3, а. Выделенные структуры отображены на всех разрезах, поэтому будем рассматривать их совместно. Наиболее полная система наблюдений получена по профилю Кратон. Годографы из 4 источников прослежены по всему профилю на расстояние до 3500 км. Длинные го-
Время, с 1600
А, км 6000
4000
2000
X, км
Рис. 2. Вычисление разреза Земли методом однородных функцийА a — годографы Джеффриса—Буллена; б — промежуточный разрез для плоской поверхности (изолинии отвечают значениям v/r, где v — скорость, r — расстояние до центра Земли); в — разрез для круглой Земли, пунктирная линия ограничивает область правильного восстановления разреза; г — сравнение известной зависимости скорости от радиуса (сплошная линия) и вычисленной методом однородных функций (треугольники)
дографы из трех источников, зарегистрированные практически по всей длине профиля на расстояние до 2700 км, получены на профиле Кимберлит.
Записи первых волн по сверхдлинному профилю Кварц, который простирается от Алтае-Саянской складчатой зоны на юго-востоке до Печорской сине-клизы на северо-западе, пересекая Западно-Сибирскую плиту и Урал, получены из трех источников. Длина годографов превышает 3900 км, годографы приведены на рис. 3, б. Однако ветви годографов из источников 1150 и 2050 км (северная и южная ветви соответственно) не имеют встречных годографов, поэтому здесь можно получить только одномерные скоростные зависимости. Чтобы использовать эти ветви при построениях методом однородных функций, система наблюдений была дополнена двумя синтетическими годографами из источников 250 и 3000 км. Начальные части годографов были приняты тождественными встречным годографам из ближайших источников, а удаленные ветви восстановлены с использованием времен во взаимных точках, которые показаны на рис. 3, б кружками. Напомню, что при построении разреза эти годографы используются только в паре с наблюденным встречным годографом.
Для всех профилей были построены временные разрезы равных удалений с целью интерполяции годографов и контроля над получаемыми автоматически разрезами, чтобы подтвердить, что полученные на разрезах структуры существуют в наблюденном временном поле. Временной разрез равных удалений по профилю Кварц, построенный при редукции 20 км/с, показан на рис. 3, в. Расстояние между линиями равных удалений обратно-пропорционально кажущейся скорости. На временном разрезе мы можем различить границы раздела первого рода (или узкие переходные слои) как протяженные области сгущения изолиний, инверсионные границы раздела — как верхние границы областей с пониженной кажущейся скоростью. На временном разрезе можно выделить, как показано на рис. 3, в, кору, высокоскоростные слои литосферы, а на редуцированных временах около 70 с — три локальные области пониженной скорости. Эти области имеют регулярное распределение и примерно одинаковый размер. Эти локальные области, как будет показано ниже, интерпретированы как конвективные ячейки. Четко выделяется верхняя граница переходной зоны верхняя—нижняя мантия, которая очень сложная и неоднородная.
Рис. 3. Расположение исследованных профилей (а) (заштрихована область, где получен сферический скоростной срез верхней мантии); годографы первых волн по профилю Кварц (б) (кружки — взаимные времена, использованные для восстановления годографов из источников 250 и 3500); разрез равных удалений по профилю Кварц (в) (сечение изолиний 10 км, на разрезе показаны особенности,
отвечающие основным разделам Земли)
При построении разрезов использовалась интерполяция наблюденных годографов с шагом 90 км в отношении источников и 15 км в отношении приемников. Интерполированные годографы использованы для обращения.
Разрезы по 5 сверхдлинным профилям в Сибири построены с учетом кривизны Земли (рис. 4, а, б, в). Независимо вычисленные разрезы хорошо увязываются между собой. Сейсмические лучи на профилях Кратон, Кимберлит и Кварц достигли глубины 500—600 км, где прослеживается переходная зона
между верхней и нижней мантией. Глубина разрезов по профилям Рифт и Метеорит не превысила 250 км. Скоростное поле определено для всех профилей в узлах прямоугольной сетки с ячейками размером 30x10 км. Размер ячейки определяет разрешенность разрезов, поэтому нельзя определить, являются ли границы раздела резкими, скачкообразными изменениями скорости или узкими переходными скоростными зонами мощностью до 10—15 км.
На всех автоматически построенных разрезах без использования каких-либо априорных данных
Рис. 4. Сейсмические разрезы по профилям Кварц (а), Кратон (б) и Кимберлит (в) и их структурная интерпретация. Пунктирными линиями обозначены границы раздела. Конвективные ячейки обведены сплошными линиями. Субдуцированный слэб показан штриховкой. Тонкие линии — изолинии скорости с сечением 0,2 км/с. Белые цифры справа — глубина границ раздела, треугольники — положение ядерных взрывов; сравнение вертикальных скоростных зависимостей в точках пересечения профилей (г), значения скоростей
для широтных профилей — крестики, для меридиональных — кружки
получены на соответствующей глубине следующие слои: кора, литосфера, астеносфера и переходный слой между верхней и нижней мантией.
Кора на разрезах наблюдается как слой с повышенным градиентом скорости. Мощность коры составляет 50 км в районе Сибирской платформы. В районе Западно-Сибирской плиты и Вилюйской синеклизы мощность коры составляет около 40 км. В Алтае-Саянской складчатой области мощность коры сокращена до 35 км. В области Уральских гор мощность коры увеличена до 75 км. В районе Восточно-Европейской платформы толщина коры уменьшается до 40—45 км. Подошва коры прослеживается непрерывно на всех разрезах как поверхность раздела второго рода со скачком градиента скорости.
Скорость внутри подкоровой литосферы изменяется примерно от 7,8 до 8,8 км/с. На исследованных
профилях подкоровая литосфера имеет одно-двухслойное строение и пониженный относительно коры градиент скорости. На профиле Кварц в районе Уральских гор наблюдается двуслойная подкоровая литосфера с резко повышенными мощностью (до 130 км) и скоростью (до 9 км/с). В Алтае-Саянской складчатой области тонкая однослойная подкоровая литосфера имеет мощность 35 км, скорость в ней изменяется от 8 до 8,2 км/с. Очень тонкая (до 20 км) подкоровая литосфера (скорость от 8 до 8,4 км/с) наблюдается на профиле Кимберлит. Такое же строение имеет литосфера в южной части субмеридионального профиля Рифт. В северной части этого профиля мощность литосферы в целом увеличивается до 80 км и ее строение усложняется. На профиле Кратон мощность литосферы составляет в среднем 110 км, а скорость у подошвы возрастает до 8,5 км/с.
Расстояние, км
Рис. 5. Сферический скоростной срез на глубине 290 км. Белой пунктирной линией показаны контуры конвективных ячеек, изолинии скорости — тонкие линии, слева — шкала скоростей
Подошва литосферы — инверсионная (скорость выше границы больше, чем в кровле нижележащего слоя) криволинейная поверхность раздела с переменной скоростью выше и ниже границы.
Астеносфера характеризуется значениями скорости от 8,4 до 8,7 км/с и пониженным градиентом скорости. Граница Леманн подстилает астеносферу. Это почти ровная, т.е. практически сферическая, весьма слабая (в смысле скоростного контраста) поверхность раздела переменного знака. Она прослеживается на постоянной глубине 220—230 км. Граница Леманн выделяется по следующему признаку: ни одна из структур астеносферы или подастеносферной верхней мантии не пересекает ее.
Такое же положение подошвы астеносферы определено при исследованиях строения верхней мантии с помощью поверхностных волн по профилю МОВЛЬ-2003 [Рассказов и др., 2007], который пересекает центральную часть Сибирской платформы до Гобийского Алтая. Авторами указанной работы установлено, что подошва низкоскоростного слоя на уровне 190—210 км соответствует кратонному разделу Леманн.
По нашим данным, астеносфера отличается сложным строением, которое сильно варьирует вдоль профилей. На профилях Кратон и Кварц внутри астеносферы можно выделить округлые области с пониженной до 8,4 км/с скоростью. Это могут быть конвективные ячейки.
Астеносфера и нижележащая верхняя мантия имеют различное строение. Внутри подастеносфер-ной верхней мантии при скорости, изменяющейся от 8,6 до 9,2 км/с, на всех глубоких разрезах выделены округлые вытянутые области с пониженными скоростью (8,2—8,6 км/с) и градиентом скорости. Эти области можно интерпретировать как конвек-
тивные ячейки. Размер ячеек в верхней мантии в субвертикальной плоскости в среднем составляет 500x100 км. Возможно, что на исследованных профилях существует двухъярусная конвекция, если считать локальные области с пониженной скоростью в астеносфере и подастеносферной мантии конвективными ячейками. Два яруса конвекции разделяет граница Леманн. В трехмерной томографической модели верхней мантии Азии ^апоУ8кауа, К^Иеуткоу, 2003] также выделены локальные низкоскоростные аномалии, со схожими размерами (700x160 км), они интерпретированы как плюмы.
Кровля переходной зоны от верхней к нижней мантии прослеживается на глубине от 350 до 450 км как резкая граница первого рода (или узкая переходная зона) со скачком скорости от 9—9,2 до 9,4— 9,6 км/с. На всех глубоких профилях кровля переходной зоны имеет очень сложный рельеф. Т. Риберг с коллегами [Риберг и др., 1997] изучали рельеф кровли переходной зоны на длинных профилях по данным отраженных волн, они также отмечают ее сложный рельеф. В центральной части на кровле переходной зоны на всех трех глубинных профилях существует резкий прогиб глубиной до 50 км, куда погружается высокоскоростной слэб. Слэб погружается со стороны Вилюйской синеклизы (профили Кратон, Кимберлит) или со стороны Алтае-Саянской складчатой области (профиль Кварц). Мощность слэба можно оценить в 50—100 км. Слэб — это протяженная, наклонная вытянутая зона с повышенной сейсмической скоростью. Нижняя граница слэба очень четко видна на всех профилях как непрерывная инверсионная граница, верхняя граница слэба прослеживается менее отчетливо. Слэб прорывает кровлю переходной зоны на всех глубоких разрезах, а на разрезе профиля Кварц
он пересекает и всю переходную зону до нижнего края разреза.
На профиле Кварц на глубине 580 км наблюдается резкая граница первого рода со скачком скорости от 10,2 до 10,4 км/с.
Доказательства достоверности разрезов. 1. На всех автоматически построенных разрезах без использования какой-либо априорной информации получены главные разделы литосферы и верхней мантии. В верхней мантии на всех глубоких разрезах наблюдаются высокоскоростной слэб (скорость повышена на 0,2 км/с) и несколько округлых областей (конвективных ячеек) с пониженной в среднем на 0,2 км/с скоростью.
2. Полученные на профилях структуры визуально выделяются в наблюденных временных полях (на разрезах равных удалений).
3. Независимо вычисленные разрезы хорошо увязываются в точках пересечения профилей (рис. 4, г). При этом точках пересечения хорошо совпадают не только значения скорости (со средней квадратической погрешностью около 0,08 км/с), но и границы структур.
Трехмерные образы структур в верхней мантии. Чтобы оценить расположение ячеек в плане, был построен скоростной сферический срез на радиальной глубине 290 км (рис. 5). Эта глубина примерно соответствует верхней границе расположения ячеек в подастеносферной мантии. При выделении границ ячеек на срезе (белая пунктирная линия) визуально использовались разрезы по профилям, так как сеть профилей очень редкая. Выявлено северо-восточное простирание конвективных ячеек. Размеры ячеек 1000x500x100 км. Координаты сферического скоростного среза совпадают с координатами карты расположения профилей (рис. 3, а)
Геолого-тектоническая интерпретация разрезов. Наиболее подходящей геодинамической интерпре-
тацией разрезов может быть следующая трактовка событий, предложенная А.М. Никишиным [Никишин, 2002] и объясняющая происхождение траппов в Западной Сибири: «Под районом Западной Сибири произошел отрыв субдуцированных литосферных слэбов, и существовало общее нисходящее мантийное течение. Плюмовое вещество поднималось за областью нисходящих течений, которые, возможно, стимулировали вздымание плюмов». Существует мнение, что поднимающиеся плюмы порождают мантийную конвекцию в верхней мантии [Лобков-ский и др., 2004].
Выводы. 1. Подошва коры проявилась на разрезах как резкая непрерывная поверхность второго рода с отрицательным скачком градиента скорости.
2. Подкоровая литосфера обладает сложным строением и переменной мощностью, которая сильно варьирует в зависимости от структурных элементов коры.
3. Астеносфера подстилается практически сферическим разделом Леманн, располженным на глубине 220-230 км.
4. В верхней мантии на разрезах получены локальные округлые неоднородности с пониженными значениями скорости, которые можно интерпретировать как конвективные ячейки, а также выявлен субдуцированный слэб, т.е. наклонный слой с повышенной скоростью, пересекающий и прорывающий поверхность переходной зоны.
5. Поверхность переходной зоны верхняя-нижняя мантия проявилась на всех глубоких разрезах как резкая граница раздела первого рода со скачком скорости от 9-9,2 до 9,4-9,6 км/с со сложным рельефом и глубиной, изменяющейся от 350 до 450 км.
6. На разрезе профиля Кварц внутри переходной зоны на глубине 580 км получена резкая граница первого рода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Винник Л.П., Егоркин А.В. Волновые поля и модели литосферы по данным сейсмических исследований в Сибири // Докл. АН СССР. 1980. Т. 250, № 2. С. 318-32.
Гервер М.Л., Маркушевич В.М. Свойства годографа от поверхностного источника // Некоторые прямые и обратные задачи сейсмологии. Вычислительная сейсмология. Вып. 4. М.: Наука, 1968.
Джеффрис Г. Земля, ее происхождение, история и строение. М.: Иностр. лит., 1980.
Егоркин А.В., Зюганов С.К., Чернышев Н.М. Верхняя мантия Сибири // 27-й Междунар. геол. конгресс. Геофизика. Секция 8. М.: Наука, 1984.
Лобковский Л.И., Никишин А.М., Хаин В.Е. Современные проблемы геотектоники и геодинамики. М.: Научный мир, 2004.
Наумов А.Н. Эффективность интерпретации данных инженерной сейсморазведки методом однородных функций // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2004. № 1. С. 83-92.
Никишин А.М. Тектонические обстановки // Внутри-плитные и окраинноплитные процессы. М.: Изд-во МГУ, 2002.
Павленкова Г.А., Солодилов Л.Н. Блоковая структура верхов мантии // Физика Земли. 1997. № 3. С. 11-20.
Пийп В.Б., Ефимова Е.А. Построение преломляющих границ в средах с переменными скоростями // Прикладная геофизика. М.: Недра, 1981. Вып. 90. С. 31-46.
Пийп В.Б. Упрощенный способ построения разреза в изолиниях скорости по годографам первых волн // Там же. М.: Недра, 1982. Вып. 105. С. 82-88.
Пийп В.Б. Новые методы интерпретации сейсмических временных полей в средах с переменными скоростями // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1984. № 3. С. 83-92.
Пийп В.Б. Локальная реконструкция сейсмического разреза по данным преломленных волн на основе однородных функций // Физика Земли. 1991. № 10. С. 24-32.
Рассказов С.В., Чувашова И.С., Мордвинова В.В., Кожевников В.М. Роль кратонного раздела Леманн в кайнозойской динамике верхней мантии Центральной Азии: интерпретация моделей скоростей сейсмических волн в свете пространственно-временной эволюции вулканизма // Фундаментальные проблемы тектоники. Материалы 40-го Тектонического совещания. Т. 2. М.: ГЕОС, 2007.
Риберг Т., Меши Дж, Вентцель Ф. и др. Особенности переходной зоны мантии Северной Евразии // Структура верхней мантии Земли. М.: ГЕОС, 1997.
Pavlenkova N.I., Pavlenkova G.A., Solodilov L.N. High velocities in the uppermost mantle of the Siberian kraton // Tectonophysics. 1996. Vol. 262. P. 51-65.
Piip V.B.,. Efimova E.A. Investigation of deep structure of the Eastern European Platform using seismic refraction data // Oil and Gas in Alpidic Thrustbelts and Basins of Central and Eastern Europe. EAGE Spec. Publ. 1996. Vol. 5. P. 283-288.
Piip V.B. 2D inversion of refraction traveltime curves using homogeneous functions // Geophysical prosp. 2001. Vol. 49. P. 461-482.
Piip V.B., Zhamozhnyaya N.G., Suleymanov A.K. Detailed velocity structure of salt domes in Pricaspian basin from refraction data // First break. September. 2007. Vol. 25. P. 99-103.
Mechie J., Egorkin A.V., Fush R. et al. P-wave mantle velocity structure beneath northern Eurasia from long-range recordings along the profile Quartz // Phys. Earth and Planet. Inter. 1993. Vol. 79. Р. 269-286.
Muller G. Approximate treatment of elastic body waves in media with spherical symmetry // Geophys. J. Roy. Astron. Soc. 1971. Vol. 23, N 4. Р. 435-449.
Yanovskaya T.B., Kozhevnikov V.M. 3D S-wave velocity pattern in the upper mantle beneath the continent of Asia from Raleigh wave data // Phys. Earth and Planet. Inter. 2003. Vol. 138. P. 263-278.
Поступила в редакцию 06.02.2009
Кафедра сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, вед. научн. сотр., докт. геол.-минер. н., в-шаП: [email protected]
