Document 2046084

Внутреннее строение и тепловой режим литосферной мантии
Сибирского и Каапваальского кратонов
О.Л. Кусков,
Кусков,
В.А. Кронрод,
А.А. Прокофьев
ГЕОХИ РАН
VII-ая Международная
школа по наукам о Земле
им. Л.Л.Перчука
Одесса, 2011
ОБЪЕКТЫ - Каапваальский и Сибирский кратоны
Геохимические и геофизические модели указывают на
температурную
и
вещественную
неоднородность
верхней мантии. Но эти модели взаимно не
согласованы. Первые (состав мантии по ксенолитам) не
отражают специфику сейсмического строения мантии.
Вторые (геотермия, томография) не объясняют
вещественную природу мантии.
Исходные данные для построения согласованной модели
состава, строения и теплового режима мантии:
(1)
ксенолиты деплетированного вещества гранатовых
перидотитов из кимберлитовых трубок кратонов
(2) фертильное вещество нормальной (не деплетированной)
мантии - пиролит
(3) Абсолютные значения скоростей P- и S-волн из
региональных моделей
(4) Референц-модели Земли - PREM, IASP91, АК135 –
осредненные модели континентальной мантии
(5) Тепловой поток
(6) Аппарат термодинамики, Уравнения состояния, Фазовые
диаграммы минеральных систем, Учет эффектов
фазовых превращений, ангармонизма и неупругости
Основная идея доклада - инверсия
сейсмических моделей в термические
Температура земных недр – один из самых
неопределенных физических параметров
Поскольку скорости сейсмических волн более
чувствительны к температуре, нежели к составу, то
инверсия (обращение) сейсмических скоростных
разрезов в термические модели, представляет
наиболее перспективный (хотя и косвенный) путь
для оценки термального режима мантии Земли.
Ключевой вопрос - Неизвестно – какая скорость
«лучше», например, 8.2 или 8.4 км/с ??? Сейсмологи не
могут ответить на этот вопрос.
Однако термодинамика показывает –
Вариации в Vp = 0.2 км/с эквивалентны ∆Т ~ 500оС !!!
Полученные обращением/инверсией сейсмических моделей
температурные профили являются тем инструментом,
который позволит ответить на эти вопросы.
Цель/Результат/Основные задачи
Цель – реконструкция
теплового режима и
физических свойств мантии
кратонов по петрологогеохимическим и
сейсмическим данным.
Метод согласования основан
на аппарате термодинамики
и физики минералов
(Kuskov et al., EPSL, 2006;
Кронрод, Кусков, Физ_Земли, 2007;
Кусков и др., Физ_Земли, 2011)
Результат –
Фазовый
состав,
профили
температуры и плотности
мантии, согласованные с
сейсмическими скоростями.
Задачи (1) Определить влияние состава и Т на
скоростные и плотностные свойства
мантийного вещества;
(2) вывести семейство геотерм,
характеризующих современный
тепловой режим верхней мантии, из
абсолютных скоростей P-S-волн и
ксенолитов гранатовых перидотитов;
(3) сопоставить выведенные геотермы с
теплофизическими моделями и
мантийными палеотемпературами,
оцененными с помощью
геотеpмобаpометpов;
(4) на основе построенных термических
моделей вывести ограничения на
распределения температуры и
плотности по глубине и оценить
степень достоверности сейсмических и
петрологических моделей литосферной
мантии кратонов.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД
Bulk
composition
Temperature
distribution
Phase diagram
and theoretical
velocity profiles
Thermodynamics,
equations of state
Решение
прямой
MANTLE
STRUCTURE
Seismic
velocities
задачи
–
из
термодинамических данных и состава
породы получаем состав минеральной
ассоциации и все физические свойства.
Препятствие
–
нет
данных
по
распределению Т в мантии.
Решение обратной задачи - обращение
информации по геофизическим полям
и химическому составу в профили
температуры,
согласованные
с
фазовой диаграммой и сейсмическими
свойствами.
Метод минимизации свободной энергии в
системе Na2O-TiO2-СaO-FeO-MgO-Al2O3SiO2 с фазами переменного состава
Уравнение состояния Ми-ГрюнайзенаДебая: P(V,T)=PP(V)+(γγ/V)ET(V,T)
База термодинамических данных (∆
∆H, S,
Cp, α, KS, G, γ)
Позволяют рассчитать фазовую
диаграмму, скорости и плотность
минеральной ассоциации:
2
V P = (Ks + 4/3G)/ρ
ρ, V2S = G/ρ
ρ.
Скорости P- и S-волн фазовой ассоциации
зависят от Р-Т-Х условий, а также
эффектов
фазовых
превращений,
ангармонизма и неупругости.
При приближении температуры к
солидусу породы вводятся поправки
на эффекты неупругости,
коэффициенты добротности QS и QP.
Vanel(P,T, X, ω) = Vanh(P,T,X)[1 – 1/2Q (P,T,
ω)tan(πα
πα/2)]
πα
Скорости P,S-волн более чувствительны к температуре,
нежели к составу. Плотность сильно зависит от состава
V P , km s
8,3
8,4
-1
8,5
Density, g/cm
100
3,25
3,30
3,35
3,40
150
3,45
3,50
Low -T
High-T
Harzburgite
PM
Lherzolite
GP
150
H, km
H, km
100
3
200
200
250
Harzburgite
PM
Lherzolite
250
H
L GP
PM
Скорости P-волн и плотности рассчитаны вдоль геотерм 35 (сплошные
линии) и 40 мВт/м2 (пунктир).
Скорости деплетированного и фертильного вещества практически
совпадают.
Рост фертильности (FeO, Al2O3, CaO) слабо влияет на скорость
сейсмических волн, но сопровождается сильным возрастанием
плотности. Плотность фертильного вещества на 2-3% выше, нежели
деплетированного вещества гранатовых перидотитов; эквивалентно
изменению ∆Т ~ 500-700оС.
Архейский кратон Каапвааль (~3 млрд лет). Восстановление Т
по сейсмическим моделям и составу high/low-T ксенолитов
Различия в составе ксенолитов (трубки
Bultfontein, Premier Jagersfontein,
Monastery) приводят к различиям в δTP,S ≈
200oC
Для всех ксенолитов из кимберлитовых
трубок кратона на глубинах 200-250 км
происходит инверсия Т - излом геотерм в
сторону уменьшения температуры, что
лишено физического смысла.
TP,oC
1000
1100
1200
100
1300
BPI1A
H, km
150
200
250
300
GP
PM
JAG90-11
JAG90-1
BD2308
JAG90-12
rom198
JAG90-10
JAG90-13
PR89-1
PR90-9
JAG90-19
GP
PM
Инверсия TP,S указывает на радиальную
неоднородность мантии. Т.е.
фиксированный состав не пригоден для
описания состава литосферной мантии на глубинах > 200 км - градиент
химического состава по глубине.
Поэтому мощность литосферы кратона
должна зависеть от состава.
Плотностные и скоростные модели верхней мантии под
Density, g cm
3,25
3,30
3,35
3,40
3,45
3,50
PM
ak
13
100
Каапваалем
3
AK135/IASP91- Референц-модели
5
GP
* (п
ер
ем
ен
ны
200
йс
ос
т ав
На глубинах ~250 км теоретические и
сейсмические модели сходятся, т.е.
вещество
корня
кратона
не
отличается по своим физическим и
химическим
характеристикам
от
состава нормальной мантии.
)
250
ak135
GP*
300
GP (35 mW)
Harzburgite (35 mW)
PM (35 mW)
-1
VS, km s
4,50
4,60
4,70
VP_Poisson
100
150
H, km
H, km
150
200
250
300
VS_BPI1A
IASP91
4,80
Аномалии низких Т (тепловые корни
континентов) распространяются на
глубину 250 км, что согласуется с
данными по тепловому потоку
(Artemieva, Mooney, 2001) и
томографии (James et al., 2001).
Тепловые потоки и теплогенерация в
коре и литосфере кратона Каапвааль
Коровая
Составляющая Мощность
Средняя
Суммарный Мантийный
составляющая
слоя D, qD,3, слоя D,
тепловой
тепловой теплогенерация
от q0,
мВт/ м2;
км
поток,
поток,1
в коре, 2
2
2
3
q
,
crust
(qD/q0)
q0, мВт/м qМ, мВт/м ; θcrust, мкВт/м
2
мВт/м
;
(qM/q0)
(qcrust/q0)
Каапвaальский кратон
40
22 (0.55)
0.54 (0.45)
18 (0.45) 12 (0.29)
5.5
50
20 (0.41)
0.87 (0.72)
30 (0.59) 16 (0.32)
5.2
Континентальная мантия
48
26 (0.53)
0.55
22 (0.47) 16 (0.33)
8.4
52
25 (0.47)
0.67
27 (0.53) 19 (0.36)
8.2
55
23 (0.42)
0.77
32 (0.58) 20 (0.36)
8.1
Примечание: 1 - Тепловой поток на нижней границе коры. 2 - Средняя
генерация тепла в коре мощностью 35 км (в скобках - пересчет на 41 км) в
Каапваальском кратоне и мощностью 41 км в континентальной мантии. 3 Составляющая теплового потока qD из слоя D (qD=θ
θ0D), где теплогенерация
имеет экспоненциальную зависимость от глубины.
Сибирский кратон
Схема расположения сверхдлинных сейсмических профилей Центра
ГЕОН на Сибирском кратоне, отработанных с мирными ядерными
взрывами [Егоркин, 2001, 2004; Павленкова, 2006].
Профиль Березово – Усть-Мая (Кратон) проходит через
Далдын-Алакитское кимберлитовое поле (трубки Удачная,
Юбилейная). Буквы – пункты ядерных взрывов.
Сибирский кратон: 1D/2D
1D/2D скоростные модели – сравнение
с референцреференц-моделями IASP91/AK135
VP, km s-1
-1
VP, km s
H, km
100
8,20
8,40
8,20
100
IAS
P9
1
200
300
8,00
8,60
H, km
8,00
IAS
P91
200
IASP91
Craton-1100
Craton-1900
Craton-2300
300
IASP91
Kimberlite
Craton
400
400
V P , km s
Pavlenkova, Pavlenkova, 2006
8,00
8,20
8,40
-1
8,60
100
150
H, km
Возникает ключевой для геофизики и
петрологии мантии вопрос. Какие
температуры и петрологические модели будут
соответствовать сейсмическим данным?
Полученные обращением/инверсией
сейсмических моделей температурные
профили являются тем инструментом,
который позволит ответить на эти вопросы.
8,40
200
250
300
350
IASP 91
O resh in et al., 2002/C raton
8,80
8,60
Инверсия VP – профиль Кратон [Oreshin et al., 2002] и
распределение температур под Сибирским кратоном
V P , km s
8,20
8,40
8,60
400
8,80
100
150
150
H, km
100
200
350
IASP 91
O resh in et al., 2002/C raton
1000
1200
TP ( IA
1400
SP)
50
35 /4 0/50 m W
300
300
800
200
250
250
600
o adiabat
1300
H, km
8,00
T P, oC
-1
Lo w -T X e no liths
H igh -T X e n olith s
IAS P 91 /G P
O res hin/H a rzb urgite
IAS P 91 /P M
40
35
Т(IASP91/AK135) - средняя континентальная
геотерма
Состав - гранатовый гарцбургит из Якутской кимберлитовой провинции (Далдын).
Светлые и темные звезды – Р-Т параметры ксенолитов из трубки Удачная. Профиль
Т проходит вблизи геотермы 40 мВт/м2 и через поле Р-Т параметров ксенолитов из
трубки Удачная, но значительно ниже температур для континентальной геотермы
ТР(IASP91). Пересечение восстановленной геотермы с адиабатой соответствует
глубине термической литосферы ~220 км.
Зона аномально высоких для данных глубин скоростей при инверсии
приводит к появлению зоны аномально низких температур.
Инверсия VP – профили Кратон + Кимберлит [Oreshin et
al., 2002] и распределение температур
-1
VP, km s
8,20
8,40
8,80
8,00
400
8,80
800
1000
(d)
100
T P (A
K 13 5
(C)
H, km
200
250
АК135
Oreshin et al./Kimberlite
300
Oreshin et al./Craton
350
150
40
50
1400
)
200
250
АК135
Oreshin et al./Кратон +
Кимберлит
1200
b at
250
600
o
H, km
8,60
150
200
350
8,40
100
(a)
150
300
8,20
adia
1300 C
100
8,60
H, km
8,00
VP, km s
TP, oC
-1
300
Oreshin et al. (2002)
Craton+Kimberlite profiles
35
Harzburgite
Lherzolite
Зона аномально высоких скоростей устранена – гладкий Т профиль.
Состав - гранатовый гарцбургит и лерцолит (Далдын) – различия в Тр 20-40 С –
сейсмически составы неразличимы. Светлые и темные звезды – Р-Т параметры
ксенолитов из трубки Удачная. Глубина термической литосферы ~220 км.
Инверсия VP – профили Кратон и Кимберлит. Геотермы
в мантии Сибирского кратона
o
TP, C
VP, km s-1
8,20
8,40
8,60
800
1000
1200
1400
TP (IA
SP)
100
t
adiaba
8,00
600
H, km
100
IAS
P9
1
200
H, km
32
.5
150
Cr
a
200
Ki
m
be
250
300
IASP91
Kimberlite
Craton
400
Pavlenkova, Pavlenkova, 2006
(A)
300
to
n
rli
te
40
35
Pavlenkova_Craton/GP
Pavlenkova_Kimberlite/GP
o
1300 C adiabat
Low-T Xenoliths
High-T Xenoliths
Artemieva, Mooney, 2001
32.5/35/40 mW
IASP91/GP
IASP91/PM
Литосфера под кратоном на 300-500 С
холоднее нормальной мантии
Профили температур проходят вблизи геотерм, соответствующих тепловому потоку 32.5 и
35 мВт/м2, располагаются ниже Р-Т оценок для низко- и высокотемпературных
ксенолитов – трубки Мир, Удачная, Обнаженная, и существенно ниже (на ~300-500oC),
нежели средняя континентальная геотерма Т(IASP91). Пересечение восстановленных
геотерм с адиабатой соответствует глубине термической литосферы 300 км.
Плотность деплетированного и фертильного вещества
-3
Density, g сm
3,25
3,30
3,35
3,40
3,45
3,50
5
13
AK
100
AK135 - Референц-модель
H, km
150
200
o
00
13
Химически обедненная литосфера
ультраосновного состава под СК
250
существует до глубин 175-200
AK135
км. На глубине 250-300 км
300
GP (35 mW)
вещество корня кратона не
PM (35 mW)
PM (40 mW)
отличается по плотности и своим
H (35 mW)
физическим
и
химическим
PM-1300 adiabat
характеристикам
от
состава
нормальной
мантии.
Это
позволяет оценить мощность
литосферы под кратоном не
менее 250 км.
Профили плотности вдоль адиабаты и геотерм,
t
ba
ia
ad
o
соответствующих тепловому потоку 35 и 40
мВт/м2.
Двумерные распределения температуры:
Кимберлит/Кратон
Глубина термической литосферы Сибирского кратона близка к изотерме 1450оС (показано точками) и
оценивается в 300 км. Результаты находятся в хорошем соответствии с оценками по тепловым потокам
[Artemieva, Mooney, 2001] (300-350 км), по PP-P волнам [Bushenkova et al., 2002] (350 км), с
томографическими моделями [Bijwaard et al., 1998; Цветкова, 2009] (350 км) и оценками мощности
литоcфеpного киля в центpальной чаcти Якутcкой кимбеpлитовой пpовинции [Розен и др., 2006].
Распределение плотности под Сибирским Кратоном
Профиль
Кратон
Кимберлит
Распределение плотности - до 180 км – гранатовые перидотиты, ниже 180
км – вещество примитивной мантии. Компенсация эффектов изменения состава и
температуры способствует режиму нейтральной плавучести килей.
2D распределения скоростей Р
Р--волн, температуры и
плотности в литосферной мантии Сибирского кратона
Заключение
1.
Предложен согласованный метод реконструкции
фазового состава, теплового режима и плотности
мантии под древними кратонами по петрологогеохимическим, геотермическим и сейсмическим
данным с учетом эффектов фазовых превращений,
ангармонизма и неупругости.
2.
Различие температур в нормальной мантии и под
кратонами может достигать ~300°С.
3.
На глубине ~250 км (Каапвааль) и 300 км (Сиб.
кратон) вещество корня кратона не отличается по
своим физическим и химическим характеристикам от
состава нормальной мантии, что позволяет оценить
мощность литосферной мантии под кратонами.