Павленкова Г.А.
СТРОЕНИЕ ВЕРХОВ МАНТИИ УРАЛА И ПРИЛЕГАЮЩИХ ГЕОСТРУКТУР ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ
Институт физики Земли РАН (ИФЗ), Москва, e-mail: nina@uipe-ras.scgis.ru
В пределах Восточно-Европейской платформы и Урала сейсмические исследования проводились вдоль нескольких сверхдлинных профилей (рис. 1): это - профили Центра ГЕОН ⌠Кварц■, ⌠Глобус■, ⌠Рубин■, выполненных МинГео СССР по программе опорных профилей. На них помимо обычных (химических) взрывов в качестве источников использовались мирные ядерные взрывы [1]. Последнее позволило проникнуть вглубь мантии по всей площади исследований на глубину более 200 км. Профили пересекают такие крупные геоструктуры как древнюю Русскую и молодую Тимано-Печорскую плиту и Урал. Материалы по профилю ╚Кварц╩ обрабатывались ранее [2,3], но были получены разные модели. По двум другим профилям результаты обработки мантийных волн не публиковались.
В настоящей работе приводятся новые данные о структуре верхней мантии этого региона, полученные на основе интерпретации перечисленных материалов на единой методической основе. Главным было сопоставление первичных материалов (волновых полей) по всем профилям и построение скоростных моделей методом математического моделирования (рис.1). Структура земной коры региона изменяется главным образом при переходе от Восточно-Европейской платформы к Уралу и к Тимано-Печорской плите. Кора последней отличается пониженными скоростями и отсутствием слоя со скоростью 6.8-7.0 км/с. Под северным Уралом кора существенно утолщена, но ее скоростная модель мало отличается от модели Русской плиты.
Сопоставление волновых полей и годографов мантийных волн, полученных на этих профилях, позволило выявить общие черты и различие в структуре верхних 200 км мантии Урала и прилегающих к нему областей Восточно-Европейской платформы и Западно-Сибирской плиты. Общим для всех профилей является постепенное увеличение средних пластовых скоростей с глубиной от 8.0-8.2 км/с под границей М до 8.3-8.4 км/с на глубине порядка 150-200 км. Установлена четкая расслоенность верхней мантии. На многих профилях на глубине от 80 до 120 км прослежен протяженный отражающий горизонт N со сложной формой. Эта граница выделена и на многих других сверхдлинных профилях и рассматривается сейчас как глобальная граница [4].
Расслоенность верхней мантии проявляется не только в закономерной смене скоростей с глубиной, и в соответствующей изменчивости характера горизонтальной неоднородности каждого слоя. Наибольшей горизонтальной неоднородностью отличается слой между границами М и N, скорости в котором изменяются от блока к блоку от 8.0 до 8.4 км/с. Под границей N общая неоднородность среды снижается.
Основные различия между профилями связаны с горизонтальной изменчивостью скоростей в верхах мантии и со структурой границы N. Наиболее яркие неоднородности выявлены на профилях ╚Кварц╩ и ╚Рубин╩ при пересечении Урала (рис.1). На профиле ╚Кварц╩ под Уралом выявлена зона повышенных скоростей. Она охватывает всю область утолщенной коры (╚корней гор╩, которая включает в себя не только Урал, но и Предуральский прогиб и часть Западно-Сибирской плиты). Граница N имеет на профиле ⌠Кварц■ достаточно сложный рельеф: под Балтийским щитом она залегает на глубине 80 км, затем резко погружается под Тимано-Печорской плитой и снова поднимается под Уралом. Тем самым она подчеркивает высокоскоростную аномалию уралид. Под Западной Сибирью граница N погружается до 120 км. То есть в целом, скорости в верхах мантии выше под древней Восточно-Европейской платформой, чем под молодой Западно-Сибирской плитой. Аномально высокие скорости наблюдаются под Уралом.
Кроме этих региональных закономерностей на профиле ╚Кварц╩ выделены локальные аномалии. Одна из них расположена на границе Русской плиты и Тимана. Здесь повышенные скорости образуют относительно узкую зону, погружающуюся под Тиман. Другая скоростная аномалия выделена в центре Западной Сибири, это √ область пониженных скоростей, приуроченная к центральному рифту этой плиты.
По профилю ⌠Рубин■ отмечается аномальное строение земной коры и верхней мантии в районе Урала. По границе М здесь не наблюдается существенного прогибы (╚корней гор╩), как на Северном Урале по профилю ╚Кварц╩. Аномально ведет здесь себя и граница N. Она формирует в центре профиля интенсивные многофазовые отражения с большой кажущейся скоростью. Сопоставление годографов этой волны с другими профилями показало, что это √ действительно аномальная зона: нигде не наблюдается такой величины аномалий времен первых волн. Объяснить ее можно, если предположить, что граница N резко поднимается от центра Русской плиты к Уралу. Скорости вдоль этой наклонной площадки тоже высокие, до 8.7 км. Мантийные породы с такими скоростями неизвестны, только при четко выраженной анизотропии скоростей, связанной с определенной направленностью кристаллов оливина, могут быть получены такие значения. Следовательно, можно предположить, что по профилю ╚Рубин╩ выявлена круто наклоненная анизотропная зона.
Аномальное строение земной коры и верхней мантии по профилю ╚Рубин╩ связано, по всей видимости, с тем, что профиль пересекает Урал вблизи его изгиба. По потенциальным полям здесь выделяются яркие магнитные и гравитационные аномалии. Очевидно, изгиб Урала вызван крупной мантийной неоднородностью, существовавшей в палеозое во время формирования этой геоструктуры. Реликты этой неоднородности можно наблюдать сейчас в виде аномалии сейсмических скоростей.
Наблюдаемая скоростная неоднородность верхов мантии хорошо коррелируется с возрастом геоструктур и тепловым потоком: на древней платформе, где наблюдается пониженный тепловой поток, скорости повышенные, под молодыми плитами с повышенным тепловым потоком - пониженные. Урал нарушает эту закономерность. Это - молодая структура, но тепловой поток здесь низкий и скорости под границей М высокие. Кроме того, по обоим профилям, особенно по профилю ╚Рубин╩, видно, что высокоскоростная аномалия поднимается к Уралу с запада со стороны Восточно-Европейской платформы. Можно предположить, что это √ реликт древней зоны Беньофа, ограничивавшей платформу в палеозое. Высокие скорости могут быть связаны с эффектом анизотропии скоростей, сформировавшейся в этой зоне высоких напряжений и течения материала в результате направленной ориентации кристаллов оливина. Аномально высокие скорости в этой зоне по профилю ╚Рубин╩, возможно, связаны с изгибом Уральской складчатости в районе этого профиля.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант ╧ 00-05-65247.
Литература
1. Егоркин А.В. Строение земной коры по сейсмическим геотpаверсам
/Глубинное строение территории СССP., 1991, М., Наука, С.118-135.
2. Mechie J., Egorkin A.V., Fuchs K., Solodilov L.N.,
Wenzel F. P-wave mantle velocity structure beneath northern Eurasia from
long-range recordings along the profile Quartz//Phys. Earth Planet. Int.
1993. 79. Р.269-286.
3. Morozova E.A., Morozov I.B., Smithson S.B. Heterogeneity
of the uppermost Eurasian mantle along the DSS Profile ⌠Quartz■, Russia.
In: K.Fuchs (Ed.) Upper mantle heterogeneities from active and passive
seismology. NATO ASI Series, vol.17, Kluwer Academic Pablishers.
4. Павленкова Н.И. О региональной сейсмической границе
в самых верхах мантии. //Физика Земли, ╧12, 1995, 1-12 с.