Томографическая модель верхней мантии по профилю Craton

Федеральное агентство по недропользованию
(РОСНЕДРА)
Институт физики Земли РАН
Строение земной коры и верхней мантии
Северной Евразии по данным сейсмического
профилирования с ядерными взрывами
Павленкова Н.И., Павленкова Г.А.
Схема расположения сверхдлинных сейсмических
профилей, отработанных в России с ядерными взрывами.
Монтаж сейсмограмм PNE С1 –профиль Craton, Сибирская
платформа (редукция 8.7 км/с)
Четко выделяются три границы переходной зоны, несколько границ в
верхней мантии и зона пониженных скоростей в литосфере
Монтаж сейсмограмм PNE Q1 –профиль Quartz
(Урал -Западная Сибирь, скорость редукции 8.7 км/с).
Кроме основных волн наблюдаются интенсивные кратные волны
Монтаж сейсмограмм PNE Ru –профиль Rubin
(район Урала)
Выделяется отраженная волна с аномально высокой скоростью
от границы, поднимающейся к Уралу
Монтажи сейсмограмм из нагоняющих пунктов взрыва
R1 и R2 (профиль Rift)
Наблюдаются
аналогичные
изменения
волновых полей
мантийных волн в
одной и той же
части профиля, что
связано с наличием
здесь впадины со
сложной
структурой земной
кор коры
Годографы и скоростные модели земной коры по
профилю Kimberlite и северной части профиля Rift.
Отмечается скоростная неоднородность не только земной коры, но и
верхов мантии
Скоростная модель земной коры и верхов мантии по
профилю Quartz.
Тимано-Печорская плита отличается пониженными скоростями в
земной коре и в верхах мантии
Годографы и сейсмические разрезы по профилям Craton и Kimberlite
Основным методом построения моделей верхней мантии было
математическое моделирование с построением исходной модели на основе
детального анализа наблюденных годографов
Сопоставление наблюденных и расчетных годографов и
скоростная модель верхней мантии и переходной зоны к
нижней мантии для PNE С4 профиля Craton
Сопоставление наблюденных и расчетных годографов
для PNE Q3 профиля Quartz
В процессе моделирования определялась и природа волн
Сопоставление сейсмического разреза по профилю
Quartz с интерпретацией (Morosov et al., USA) и (Mechie
et al., Germany)

1-D скоростные модели
верхней мантии разных
авторов
Томографическая модель
верхней мантии по профилю
Craton (Nielsen, Thybo, 1999)
Обобщенные по миру годографы и скоростные модели
верхней мантии для тектонически активных регионов и
для кратонов (Thybo, 2006)
Методические заключения




При построении скоростных моделей верхней мантии
одномерные решения позволяют определить лишь
общее изменение скорости с глубиной без каких-либо
деталей.
Достоверность двумерных решений зависит от степени
учета неоднородности земной коры.
Томографические построения мало информативны,
так как основаны только на первых волнах.
Приведенные скоростные модели верхней мантии,
построенные на основе математического
моделирования по преломленным и отраженным
волнам и с учетом структуры земной коры,
отличаются высокой достоверностью. Это
подтверждается согласованностью этих моделей в
точках пересечения профилей и в целом по площади.
Сопоставление годографов и амплитудных графиков
мантийных волн от ядерных взрывов
Сопоставление обобщенной скоростной модели верхней
мантии Северной Евразии (сплошная линия) с моделью
IASP-91 (пунктир)
Трехмерная скоростная модель верхней мантии
Северной Евразии
Comparison of the heat flow map with velocity distribution in the
uppermost mantle at depth of 60 km.


The close correlation is
determined between the
uppermost mantle
velocities and the heat
flow. In the areas with
low heat flow the upper
mantle velocities are
higher, the higher heat
flow regions are
correlated with the
lower mantle velocities.
The high velocity blocks
of the Siberian Craton
are not correlated with
the heat flow
Физические свойства пород верхней мантии по данным
лабораторных исследований ксенолитов
(Кусков и др., 2011)
VP, км/с
8,3
8,4
3
Плотность, г/см
8,5
100
3,30
(а)
100
200
250

3,40
GP
3,45
3,50
(б)
150
H, км
H, км
150
300
3,35
PM
Lh
Hzb
200
250
300
Hzb
PM
Lh
GP
Hzb
Lh
PM
Данные по ксенолитам свидетельствуют о возможности
использования сейсмических скоростей для определения
температурного режима мантии, но для определения ее
состава необходимо знать плотности.
Сопоставление геотерм, определенных по сейсмическим
моделям профиля Craton и по модели АК-135
Под Сибирской платформой термическая астеносфера не выделяется. Модель
Тр(АК-135) на глубине более 250 км не имеет физического смысла

Тонкие пунктирные линии – кондуктивные геотермы для разной
величины ТП (мВ/м2), утолщенный пунктир – адиабата 1300о
Карта гравитационных аномалий Буге и положение
сейсмических профилей, по которым выполнено
сейсмо-плотностное моделирование
Сейсмический
разрез и расчетные
кривые
гравитационного
эффекта земной
коры и верхней
мантии по профилю
Quarz
1- наблюденное поле
2 –oбщий эффект коры и
верхней мантии
3 - эффект земной коры
5 – эффект верхней
мантии
Сейсмический
разрез и расчетные
кривые
гравитационного
эффекта земной
коры и верхней
мантии по
профилю Craton
1- наблюденное поле
2 - общий эффект коры и
верхней мантии
3 - эффект земной коры
5 – эффект верхней
мантии
Результаты сейсмо- плотностного моделирования земной
коры и верхней мантии по профилям Quartz и Craton
По последним спутниковым данным в
гравитационном поле Земли четко выделяется
отрицательная кольцевая аномалия вокруг Тихого
океана, которая охватывает и Сибирскую платформу
Новые структурные особенности верхней мантии



Термическая астеносфера не выделяется по
сейсмическим данным, а в литосфере существует слой
с пониженной скоростью на глубине 100 км
На всей изученной площади прослеживается
несколько отражающих границ, на которых не
наблюдается скачка скорости, но от них
регистрируются интенсивные отраженные волны.
По петрофизическим данным наличие таких слоев и
границ в литосфере мантии не предполагается. Но по
сейсмологическим данным они тоже выделяются
Монтаж сейсмограмм PNE Q2 –профиль Quartz
(скорость редукции 8.7 км/с )

Опорные волны: Pn – преломленная волна в верхах мантии (Va = 8.0-8.5
км/с), отраженные и преломленные волны от границ в верхней мантии:
PN1 (Va = 8.2-8.5 км/с), PN2 (Va = 8.3-8.6 км/с), PL (Va = 8.6-8.8 км/с) and PH
(Va = 8.8- 9.0 км/с).
Record-section from PNE C2 – Craton profile
(reduction velocity 8.7 km/s)

Отражения представлены многофазными группами,
которые могут быть созданы многослойными пачками с
чередованием слоев пониженных и повышенных скоростей.
Разрез верхней мантии по профилю Craton по данным
А.В.Егоркина.
Методами адаптивной фильтрации по многофазным
отражениям построены слои с пониженными скоростями
Синтетические сейсмограммы отражений от границы
первого рода (1) и от многослойной пачки (2)
Сейсмический разрез верхней мантии Сибирского кратона
по профилю Meteorite
Сейсмические границы представлены многослойными
пачками, связанными, возможно, как и слой с пониженной
скоростью, с флюидо-насыщенными слоями
Сводный разрез земной коры и верхней мантии по
профилям Quartz и Craton
Четко выделяется блоковая структура верхов мантии над
границей N1 и смена структурного плана на границе L

Обобщенная
модель верхней
мантии и
переходной зоны
к нижней мании
для Северной
Евразии.
График распределения числа землетрясений с глубиной
(км) для Тянь-Шаня и Памира (Лукк, Юнга,1988)

Выделяются два максимума на глубине 80-100 и 200-230
км, соответствующей границам N1 и L
Распределение
очагов землетрясений
в Центральных и
Южных Андах:
(a) расположение
сейсмических
станций;
(b, c) распределение
очагов землетрясений
по глубине вдоль
зоны субдукции;
(d) изменение числа
землетрясений с
глубиной
[Asch et al., 2007].
Сейсмический разрез земной коры и верхней мантии
западной части Северной Америки (Романюк, 2004)
Разветвление области аномальных скоростей подтверждает
связь ее с каналом глубинных флюидов, а не с зоной
субдукции
Геодинамические выводы



Полученные материалы по структуре верхней мантии
Северной Евразии наиболее полно согласуются с
концепцией адвекции глубинного вещества и с флюидной
адвекцией.
Адвекция объясняет разный состав древних платформ и
выявленную структурную расслоенность верхней мантии
– слои с пониженными скоростями и региональные
отражающие границы, представленные чередованием
прослоев повышенных и пониженных скоростей.
Флюидная адвекция может объяснить расхождения
скоростных моделей кратонов и модели IASP91 в низах
верхней мантии

Скоростные
разрезы по
профилю
Fennolora
(Балтийский
щит) в
интерпретации
Guggisberg et al.,
1997 и
Abramovitz et al.,
2002
Монтажи сейсмограмм для южной и северной частей
профиля Fennolora
Наблюденные годографы и скоростной разрез литосферы
п профилю Fennolora (Павленкова, 2006)

Результаты
математического
моделирования
для профиля
Fennolora


Arie Gilat and Alexander Vol, 2005
“ Step by step (for each PT-conditions): H- and Hetrickling from the solid; convecting in the liquid core;
flux-melting the solid mantle and generating gasliquid (pyrornagma) scavenging plums. H- and Herelease from core solutions and following gradual
decomposition due to decompression are
accompanied by intense energy release. The
practically infinite energy source for earth­quakes
will be the explosive chain reaction of the H- and Hecompounds decomposition, triggered by
decompression within the fault zone”