Развитие методов интерпретации данных геоэлектрики в зонах субдукции японского типа

Глава 1. Современные представления о природе электропроводности на мантийных глубинах.

Вопросам электропроводности пород на мантийных глубинах посвящено большое количество работ [Hashin, Shtrikman, 1962; Rai, Manghani, 1978; Shankland, Duba, 1990; Constable et al., 1992; Karato, Jung, 1998; Xu et al., 1998a,b; 2000a,b; Xu, Shankland, 1999; Huang et al., 2005].

Главными породообразующими минералами верхней мантии являются оливин, пироксен, клинопироксен и гранат, переходной зоны - вадслеит и рингвудит, а нижней мантии - перовскит и магнезиовюстит [Лобковский и др., 2004]. Таким образом, речь идет о силикатном веществе различных структурно-кристаллических форм, распределение которых по глубине определяется термобарическими параметрами и считается близким к сферически-симметричному. Наиболее распространенной моделью состава мантийного вещества является пиролитовая модель А. Рингвуда [Ringwood, 1975].

Основной механизм электропроводности, реализующийся в твердом мантийном силикатном веществе, - ионный, связанный с перемещением ионов-носителей заряда через структуру кристаллической решетки. Степень эффективности этого механизма существенно зависит от дефектов кристаллической решетки, наличие которых упрощает движение ионных частиц в матрице. Выделяют различные виды дефектов, в частности, точечные дефекты Шоттки и Френкеля, отвечающие, соответственно, пустым позициям решетки и нарушенным (промежуточным) положениям ее атомов. Концентрация этих видов дефектов связана с температурной активацией и характеризуется экспоненциальной зависимостью от обратной температуры (1/T). В то же время, точечные дефекты могут быть связаны с присутствием инородных включений в кристаллической решетке.

Отдельное место в исследованиях электропроводности занимает проблема сред, представленных совокупностью различных минеральных фаз. Поскольку результаты лабораторных измерений получены на монофазных образцах, для оценки электропроводности двухфазных агрегатов используются различные аналитические модели: Хашина-Штрикмана [Hashin, Shtrikman, 1962], эффективной среды [Landauer, 1952], среднего геометрического [Shankland, Duba, 1990] и др. В то же время, в рамках данных моделей не учитываются такие важные факторы, как развитие процессов частичного плавления и присутствия связанной воды в зернах силикатной породы.

С процессами частичного плавления традиционно связывается астеносферный слой в верхней мантии, выделяемый в диапазоне глубин от 50 до 300 км [Хаин, Ломизе, 2005]. Появление в верхнемантийном веществе базальтовой выплавки даже в небольшом процентном содержании способно скачкообразно увеличить электропроводность на фоне ее монотонного роста с температурой [Ваньян и др., 2001].

С. Карато и Х. Юнг [Karato, Jung, 1998] предлагают связывать аномалии электропроводности не с процессами частичного плавления, а с повышенным содержанием связанной воды в зернах верхнемантийных минералов [Karato, 1990]. В работе [Huang et al., 2005] приводятся оценки содержания воды в переходной зоне верхней мантии (410-670 км) на основании результатов лабораторных измерений электропроводности вадслеита и рингвудита при давлении порядка 15 ГПа в сопоставлении с геоэлектрической моделью [Ichiki et. al., 2006], полученной по данным длиннопериодных электромагнитных исследований в Тихоокеанском регионе.

По данным глобального магнитовариационного зондирования, а также по результатам глубинных электромагнитных исследований были предложены модели радиального распределения электропроводности в мантии Земли [Рикитаки, 1972, Файнберг, 1983], а также стандартные разрезы ряда тектонических областей [Ваньян и др., 2001; Utada et al., 2003].

Совокупность современных представлений о природе электропроводности мантии в виде ряда "стандартных" моделей может быть использована при выполнении модельных расчетов, направленных на оценку информативности МТ/МВ-данных по отношению к глубинным геоэлектрическим аномалиям. Целесообразно также привлекать эти модели в качестве априорной информации о геоэлектрическом разрезе при интерпретации экспериментальных МТ/МВ данных.