Основы физики Земли Лекция 5 Мантия Земли по

Основы физики Земли Лекция 5 Мантия Земли по данным сейсмической томографии

Принципы сейсмической томографии Землю во всех направлениях пересекает множество лучей сейсмических волн от очагов к сейсмостанциям. Такие лучи пересекаются в любой области внутри Земли, более или менее плотно ее заполняя. Аномальное время пробега волны по лучу по сравнению со стандартным годографом Джеффриса–Буллена позволяет оценить распределение скоростных неоднородностей по лучу. В основе задачи лежит нелинейное интегральное уравнением. В общем виде задача некорректна. Поэтому задачу линеаризируют. Главный способ линеаризации состоит в предположении, что траектория луча определяется скоростной структурой нормальной модели Земли и не зависит от 2 неоднородностей.

Оценка v (x, y, z) по интегралу δ t • Преобразование Радона 2 D • z = –x sin α + y cos α • Обратное преобразование Радона 3

4

• Сейсмическая томография дает основную информацию о структуре мантии – распределении скоростных неоднородностей относительно сферически симметричной модели Земли. • Метод получил распространение с развитием сети станций, оборудованных широкополосными сейсмографами и мощными компьютерами. • Первая глобальная сейсмотомографическая модель мантии приведена в работе [Dziewonski, 1984]. Использовались скорости S-волн в разложении по сферическим полиномам до 8 степени, что позволило выделить аномалии с характерными размерами ≥ 2500 км. • Использовано 500000 лучей от 5000 землетрясений, зафиксированных 100 станциями. Отмечена приуроченность высокоскоростных аномалий S-волн в верхней мантии к континентам. 5

Здесь показано экваториальное сечение глобальной сейсмотомографической модели [Woodhouse, Dziwonski, 1984]. Размах скоростных неоднородностей в верхней мантии достигает ± 3 %, в нижней мантии − вчетверо меньше.

Различие томографических моделей • Известные модели мантии по данным сейсмической томографии различаются: • а) структурой аппроксимирующей сетки в модели среды – толщиной слоев и горизонтальными размерами ячеек; • б) набором данных по типам волн – S-волны, Р- волны, оба типа волн вместе, с включением обменных волн; поверхностные волны Лява и Рэлея; • в) размерами региона исследований: вся Земля; более или менее крупные регионы; • г) сетями наблюдений – мировой, региональной; количеством исходной информации. • Неравномерность распределения землетрясений и пунктов сети и, следовательно, неравномерность распределения трасс источник-приемник приводили к различиям точности результатов по разным регионам, особенно для верхней мантии. 7

Разные параметризации среды • 1. Блоковые модели. Пример – модель [Inoue et al. , 1990]: параметризация среды блоками с размерами 600 км по горизонтали и толщиной от 30 км в верхах мантии до 330 км вблизи границы ядра. Исходные данные – 2 млн времен прихода Р-волн от 20000 очагов землетрясений, записанных глобальной сейсмологической сетью (включая донные сейсмографы) в 1964− 1984 годах. • 2. Модели с гладкой аппроксимацией. Пример – модель [Dziewonski et al. , 1994]: по латерали – сферические гармоники до n = 12, по радиусу – 13 членов полинома Чебышева. Выделены неоднородности недр размером порядка 1500 км по скоростям S-волн (14000 времен прихода) и 27000 сейсмограммам поверхностных волн. Чтобы обеспечить равномерное заполнение мантии сейсмическими трассами, для областей, где отсутствовали сейсмостанции и землетрясения, были использованы отраженные волны SS и Sc. S. 8

Модель [Masters et al. , 1999]: P- и S-волны, волны Лява и Рэлея; блоки 4 Х 4°; 18 радиальных слоев толщиной от 30 км вверху до 345 км вблизи ядра. Исходные данные: 2 млн времен прихода волн от 20000 землетрясений, записанных глобальной сейсмологической сетью (сейсмостанции и донные сейсмографы). 9

Все сейсмотомографические модели обнаруживают хорошую корреляцию скоростных аномалий в верхней мантии со структурами первого порядка континентами и океанами. Корни континентов, выраженные как области повышенных значений скоростей сейсмических волн, прослеживаются до глубины 300 км. Отчетливые аномалии низких скоростей S-волн соответствуют зонам спрединга океанического дна. В нижней мантии эта связь менее отчётлива, но заметна приуроченность высокоскоросных неоднородностей к континентальным секторам Америки и Азии, низкоскоростных – к океанам. Вблизи границы с ядром выделены низкоскоростные зоны под Тихим океаном и под юго-западной частью Африки. Они интерпретируются как источники зарождающихся суперплюмов 10

11

12

13

Сечение мантии по большому кругу 14

Сравнение томографических моделей • A – P-волны; MK 12 WM 13; сферические гармоники до n = 12; • B – P-волны; BDP 98; блоковая модель; • C – P-волны; van der Hilst; блоковая модель; размеры блоков меньше, чем в BDP 98. 15

16

17

Тихоокеанский плюм А В 18

Некоторые горячие точки 19

Африканский плюм – Азия [Ritsema, 2005] 20

Африканский плюм – Ю. Азия 21

Атлантика – Африканский плюм - Индонезия 22

Атлантика – Африканский плюм 23

Индийский океан – Ю. Азия 24

Тихоокеанский суперплюм

Индонезия – Тихоокеанский плюм – С. Америка 26

Австралия – Тихий океан – Ю. Америка 27

Антарктида – Индийский океан - Индонезия 28

Америка – Ю-З. Азия (Ritsema, 2005) 29

Ю. Америка – Исландия – С-В. Азия 30

Динамика мантии (схема) 31

Главные черты скоростной структуры мантии Все модели обнаруживают хорошую корреляцию скоростных аномалий в верхней мантии со структурами первого порядка континентами и океанами. Корни континентов, как области повышенных значений скоростей сейсмических волн, прослеживаются до глубины 300 км. Аномалии низких скоростей S-волн соответствуют зонам спрединга океанического дна. • Общими свойствами подобных моделей являются: а) большая амплитуда аномалий в верхней мантии, 3– 4 %; б) уменьшение амплитуды аномалий в ФПЗ, ~ 1, 5 %; в) слабая неоднородность нижней мантии, < 1 %; г) возрастание амплитуды аномалий в районе слоя D" – до − 2 % под западной частью Тихого океана и юго-западной Африкой; д) неоднородности скоростей S-волн в 3 раза больше, чем скоростей P-волн. 32

Интерпретация скоростной структуры мантии Низкоскоростные аномалии в мантии обычно связываются с нагретыми восходящими мантийными плюмами, а высокоскоростные аномалии – с погружающимися в зонах субдукции холодными плотными литосферными слябами. D. Anderson [2007] показал, однако, что распределение температуры не является единственным фактором, определяющим скоростную структуру мантии по данным сейсмической томографии [www. mantleplumes. org]). Скорости сейсмических волн зависят, кроме того, от фазового состояния – частичного присутствия расплава или твердофазных полиморфных переходов, а также от возможных изменений химического и минералогического состава участков мантии. Влияние этих факторов трудно отделить от эффекта 33 температурной неоднородности.

Скоростная картина мантии искажается анизотропией среды из-за по-разному направленных конвективных течений, вдоль которых ориентируются длинные «быстрые» оси кристаллов оливина. Нижнемантийные плюмы – это не струи, а отдельные большие капли. Они растаскиваются конвекцией, особенно в верхней мантии. Нижняя граница ФПЗ для некоторых (слабых) плюмов является барьером. Супеплюмы рождают в переходной зоны серии из нескольких меньших плюмов, проникающих в верхнюю мантию - и в литосферу, где образуют горячие точки (зоны): океанические вулканические острова, базальтовые плато на континентах. В верхней мантии плюмы, деформированные и перемещенные конвекцией, порождают астеносферные диапиры – источники горячего материала в океанических рифтовых зонах. 34

Результаты томографии мантии в Азии • В Центральной Азии выделена [Dziewonski, 1994] область пониженных скоростей сейсмических волн в нижней мантии, ограниченная меридианами 70° и 100°, простирающаяся от Сибирской платформы на севере до Северо-Китайской платформы и Таримской плиты на юге. • Аномалия имеет форму гриба, основание которого находится на широте ~45° и долготе ~90 95°, а шапка у подошвы верхней мантии. Предполагается существование здесь нижнемантийного плюма, не проникающего через границу 670 км в верхнюю мантию. • Грибообразная тепловая аномалия с горизонтальным размером ~ 2000 км под границей фазового перехода могла привести к образованию над ней изолированных верхнемантийных плюмов. 35

Томография Азии [Lebedev, van der Hilst, 2004] 36

Томография мантии Центральной Азии Модель скоростной структуры верхней мантии Центральной Азии (Алтае-Саянской области, Монголии и Байкальского рифта) построил И. Ю. Кулаков [1999]. Он использовал времена пробега волн 500 землетрясений по записям 1500 станций мировой сети − более 36000 времен пробега волн. Верхняя мантия региона в направлении север-юг характеризуется периодичностью аномалий с амплитудой до 3 % и шириной около 200 км, распространяющихся до глубины 350 км. Положительными аномалиями характеризуются Алтае-Саянская область и южное ограничение Байкальской рифтовой зоны. Отрицательные аномалии расположены под долиной Больших Озер, в меридиональной полосе к югу от оз. Хубсугул и вдоль северной границы Байкальского рифта, где отрицательная аномалия находится на глубинах 200− 600 км. 37

В скоростной структуре мантии по данным сейсмической томографии имеются области повышенной скорости, которые связаны с погружающимися в зонах субдукции частями литосферных плит (слябами). Некоторые слябы проникают в переходную зону мантии до раздела 670 (660) км, другие погружаются в нижнюю мантию, предположительно до границы ядра. 38

Зоны субдукции 39

Томография мантии Центральной Азии Модель скоростной структуры верхней мантии Центральной Азии (Алтае-Саянской области, Монголии и Байкальского рифта) построил И. Ю. Кулаков [1999]. Он использовал времена пробега волн 500 землетрясений по записям 1500 станций мировой сети − более 36000 времен пробега волн. Верхняя мантия региона в направлении север-юг характеризуется периодичностью аномалий с амплитудой до 3 % и шириной около 200 км, распространяющихся до глубины 350 км. Положительными аномалиями характеризуются Алтае-Саянская область и южное ограничение Байкальской рифтовой зоны. Отрицательные аномалии расположены под долиной Больших Озер, в меридиональной полосе к югу от оз. Хубсугул и вдоль северной границы Байкальского рифта, где отрицательная аномалия находится на глубинах 200− 600 км. 40

41