Ушаков А.Л.
СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ БАЛТИЙСКОГО ЩИТА ПО ПРОФИЛЮ FENNOLORA
Институт физики Земли РАН (ИФЗ), Москва
Международный профиль Fennolora пересекает Балтийский щит от Баренцева до Балтийского морей (рис.1). Он является частью Европейского геотраверса и был отработан большой группой европейских организаций в 1976 году. Большая часть взрывов была проведена в морях, и поэтому их удалось зарегистрировать до удалений 800- 2000 км. То есть профиль Fennolora относится к так называемым сверхдлинным профилям ГСЗ, позволяющим изучить структуру литосферы до глубины 200 км.
Система наблюдений была направлена на изучение мантийных волн поэтому данные о структуре мантии стали главным результатом работ на геотраверсе. Но их интерпретация оказалась неоднозначной. В работе [1] в верхах мантии на глубине от 60 до 150 км выделено несколько относительно тонких слоев с пониженной скоростью. В работе [2] обосновывается существование на глубине порядка 100 км региональной сейсмической границы, залегающей в кровле гетерогенного слоя. Региональная граница на глубине порядка 100 км была выделена и во многих других регионах, она названа границей N [3]. Однако сейсмические характеристики этой границы не совпадали с моделью, предложенной в работе [2].
В настоящей работе проводятся результаты переинтерпретации материалов по данному профилю с особым вниманием на сравнительный анализ мантийных волновых полей и на определение наиболее достоверных особенностей скоростной модели мантии. В результате ни одна из отмеченных выше моделей не подтвердилась. Это связано с крайне нерегулярным мантийным волновым полем, его общей нестабильностью. В нем крайне редко можно выделить регулярные волны с достаточно протяженным годографом. Даже корреляция первых вступлений затруднена и их годограф представляет собой искривленную линию с множеством локальных флуктуаций и разрывов. Все такие изменения были ранее истолкованы, как признак зоны инверсии скорости. В данной работе выделяются только закономерные изменения среды, которые подтверждены по нескольким источникам.
Для этого было проведено несколько видов анализа волновых полей. Сначала сопоставлялись встречные и нагоняющие поля. Это позволило установить два типовых годографа, для северной и южной частей профиля. Для первого типа характерна картина, создаваемая зонами инверсии скоростей. Он говорит о наличии в верхах мантии на глубине примерно 80-100 км слоя с пониженной скоростью, ограниченного сверху и снизу скоростями порядка 8.3-8.4 км/с. Этот тип волнового поля подтверждает наличие в северной части поля региональной границы, подстилающей слой пониженной скорости. Регулярные отражения от этой границы позволяют отнести ее границе N. Для северной части профиля характерны меньшие кажущиеся скорости первых вступлений (8.0-8.2 км/с), которые без существенных разрывов прослеживаются от 150 до 800 км от источника. Это означает, что скорости в верхах мантии в северной части профиля плавно нарастают с глубиной без существенных инверсий. Использованный затем метод редуцированных годографов [4] позволил установить общую закономерность в изменении структуры границы М и скоростных уровней в верхней мантии и построить стартовую двумерную скоростную модель, которая затем была уточнена в процессе математического моделирования. Этот метод позволил также выявить ряд наклонных отражающих площадок в мантии. Оказалось, что большая их часть приурочена к центру профиля и все они наклонены на север.
На полученном таким образом скоростном разрезе (рис.1) четко видно, в чем различие северного и южного блоков верхней мантии и как они соотносятся со структурой земной коры.
В южной части профиля отмечаются наиболее глубокие прогибы границы М и наибольшие скорости под этой границей (8.3 км/с). В северной части структура коры спокойнее и скорости в верхах мантии ниже (8.1 км/с). Это может быть признаком разного состава верхов мантии. Отмеченная разница в скоростях продолжается до глубины 80 км. Ниже наблюдается слой с пониженной скоростью, который фактически выравнивает скоростную характеристику мантии на глубине порядка 100 км. Различается лишь структура границы N. На юге она подстилает зону инверсии скоростей и является хорошим отражающим горизонтом. На севере ее отражающие свойства ухудшаются, она становится прерывистой. На глубине порядка 200 км намечается еще одна граница. Она связана с увеличением скорости на этой глубине от доминирующих 8.3 км/с до 8.5 км/с. Эта граница может быть отнесена к границе L, известной из сейсмологии.
В целом, глубинные исследования по профилю Fennolora показали тесную связь между геологической историей щита и глубинным его строением. Четко различаются две части профиля, соответствующие разным по возрасту структурам. Более молодая Свекофенская провинция характеризуется существенной изменчивостью мощности земной коры. В ее пределах выделяется ряд зон с аномально толстой корой (55-60 км). Верхи мантии в этом блоке до глубины 70 км высокоскоростные, но они подстилаются зоной пониженных скоростей. Можно предположить, что такая структура связана с процессами петрологической дифференциации вещества мантии, которая происходила послойно, формируя слои с разными физическими свойствами и четкие сейсмические границы. Эти процессы в мантии, возможно, способствовали выплавлению гранитов рапакиви, типичных для этой части щита. В Карельском блоке структура земной коры и верхней мантии спокойнее, в ней не наблюдалось послойной дифференциации вещества мантии и внутренняя его структура отличается повышенной геторогенностью, а не расслоенностью.
Серия отражающих площадок, выявленных в центре профиля на глубине от 50до 200 км и наклоненных на север, связана очевидно с зоной нарушений, Карельско-Свекофеннской зоной разломов. Как видно из разреза она продолжается на большие глубины, до 200 км. Эта зона разделяет Карельский архейский кратон от области протерозойской Свекофеннской складчатости.
Таким образом, в результате проведенной переинтерпретации материалов по профилю Fennolora получена в многом новая модель верхней мантии, существенно отличающаяся от предыдущих построений. Эта работа показывает, насколько важен анализ волновой картины и наблюденных годографов в двумерном варианте до построения стартовой модели. Только те особенности разреза, которые непосредственно вытекают из встречных и нагоняющих годографов, могут считаться достоверными, тогда как отмеченные только на одном монтаже не имеют основания быть введенными в двумерную модель.
Литература
1. Guggisberg, B., Kaminski, W. & Prodehl, C., 1991.
Crustal structure of the Fennoscandian Shield, a traveltime interpretation
of the long-range FENNOLORA seismic refraction profile // Tectonophysics,
V.195, ╧ 2/4, 105-138.
2. Тhybo, H., Perchuc, E., 1997. The seismic 8 degrees
discontinuity and partial melting in continental mantle // Science 275,
1626-1629.
3. Павленкова Н.И. О региональной сейсмической границе
в самых верхах мантии //Физика Земли, ╧12, 1995, С.1-12
4. Павленкова Н.И. Метод редуцированных годографов и
математическое моделирование // Обратные кинематические задачи взрывной
сейсмологии. М.: Наука, 1979. С.107-128.