Гравитационная модель коры и верхней мантии Северной Евразии 1. Мантийные и изостатические аномалии силы тяжести. Содержание Аннотация 1. Введение 2. Принципы гравитационного моделирования 3. Исходные данные и базовая плотностная модель коры 4. Остаточные мантийные аномалии гравитационного поля 5. Изостатические аномалии силы тяжести 6. Заключение Литература Аннотация Построена цифровая плотностная модель коры Северной Евразии и рассчитано ее гравитационное влияние.
Эта модель включает вариации мощности и плотности осадочного чехла и консолидированной коры, полученные на основании обобщения сейсмических и геологических данных и оцифрованные на сетке 1o o в пределах области 30o с.ш 75o с.ш 14o з.д 195o в.д. После удаления аномального поля модели из наблюденного гравитационного поля, рассчитаны остаточные мантийные аномалии. Мантийные аномалии явно разделяются на две составляющие, которые отображают влияние различных факторов 1. Региональная компонента в первом приближении не коррелирована со структурами коры и отображает крупномасштабные особенности строения литосферы Евразии, предположительно связанные с особенностями ее термического режима. Для северной и центральной частей Евразии характерны интенсивные положительные аномалии, а для Западной Европы и Юго-Восточной части Азии - отрицательные.
Региональная часть мантийных гравитационных аномалий соответствует распределению скоростей поперечных волн, полученных методами сейсмической томографии. 2. Локальная составляющая поля мантийных аномалий с длинами волн менее 2000-2500 км имеет ясную привязку к конкретным тектоническим структурам.
Максимальные положительные аномалии с амплитудами превышающими 100 мГал характерны для некоторых структур в пределах Восточно-Европейской платформы Балтийский щит, Воронежский массив и Восточной Сибири Тунгусская синеклиза. К западу от линии Тессейра-Торнквиста четко прослеживается цепь отрицательных мантийных аномалий Венгерская впадина - Рейнский Грабен - Центральный Французский массив.
В центральной Азии наиболее ярко выраженная зона отрицательных мантийных аномалий расположена к юго-западу от Байкала, примерно в районе Хамар-Дабана. Можно предположить, что эти аномалии связаны с внедрением аномальной легкой мантии. Интенсивные отрицательные мантийные аномалии имеют место вдоль восточной границы Евразии, они связанны с окраинными морями.
Для всей изученной территории построена новая карта изостатических аномалий силы тяжести. В отличие от предыдущих работ, для ее построения использовались реальные данные о строении коры, включая вариации мощности и плотности осадочного чехла и консолидированной части коры. Отход от традиционной схемы Эри позволил во многих случаях пересмотреть существующие представления об изостатической уравновешенности структур коры. В частности, существенно редуцированы по сравнению с предыдущими картами изостатические аномалии, расчитанные для Южного Каспия, Тянь-Шаня и Урала. 1. Введение Плотностные неоднородности верхней мантии, связанные с аномалиями поля температур и химического состава, являются одной из главных движущих сил как вертикальных, так и горизонтальных движений литосферных блоков.
Гравитационное поле содержит информацию об этих неоднородностях. К сожалению, наблюденное гравитационное поле отображает также влияние практически всех неоднородностей Земли. Таким образом, для выделения мантийной составляющей необходимо максимально очистить наблюденное гравитационное поле от посторонних влияний, в первую очередь определить и устранить эффект коры, который с одной стороны является наиболее значительным, а с другой может быть достаточно надежно определен независимо от гравитационного поля по априорным в основном сейсмическим данным. Остаточные аномалии силы тяжести, которые с точностью до надежности исходной модели коры можно назвать мантийными аномалиями, лучше всего подходят для геодинамических построений и определения характера и интенсивности процессов, приводящих к эволюции литосферы и Земли в целом.
Попытки расчета мантийных гравитационных аномалий производились уже на первых профилях ГСЗ, однако построение полноценных трехмерных моделей оказалось возможным только после накопления достаточного количества исходных данных о строении коры. Первая гравитационная модель литосферы для значительной части территории Северной Евразии была построена в работах Artemjev et al 1993, 1994a, 1994b, однако, на настоящий момент данные, использованные в этой работе, в значительной степени устарели.
В частности, стали доступны сверх длинные профили ГСЗ общей протяженностью в несколько десятков тысяч километров, дающие новую уникальную информацию о строении коры и верхней мантии для значительной части Сибири и Восточно-Европейской платформы Egorkin, 1998 Kostyuchenko et al 1999. Кроме того, в указанных выше работах отсутствует серьезный анализ плотностных неоднородностей консолидированной коры. Существует ряд работ, в которых рассчитаны мантийные аномалии для ряда регионов Северной Евразии.
В работе Yegorova and Starostenko, 1999 анализируется плотностная модель литосферы для части Восточно-Европейской платформы и Западной Европы.
Она также основана на устаревших данных о строении коры. В работе Kaban et al 1998 построена плотностная модель коры и верхней мантии для южных районов территории бывшего СССР. Важно отметить, что непосредственное сравнение результатов региональных исследований невозможно, так как обычно в них используются разные технологии, например, различные референц модели, законы связи плотности и скорости и многое другое.
Поэтому построение новой карты мантийных аномалий силы тяжести для всей территории Северной Евразии, основанной на новейших данных о строении коры, и по единой методике является насущной задачей.
Тектонические процессы приводят также к существенным изменениям приповерхностных структур и характерной концентрации плотностных неоднородностей, видимой формой которых являются неоднородности рельефа. Гравитационные аномалии в первую очередь локальные содержат информацию о скрытых неоднородностях, например, о неоднородностях осадочного чехла и фундамента, а также о конфигурации разломных зон. Давно известно, что разломы земной коры проявляются, как правило, зонами повышенных значений горизонтальной составляющей градиентов аномалий силы тяжести.
Во многих исследованиях подчеркивалось, что особенно отчетливая связь разрывных нарушений, к которым часто тяготеют очаговые зоны землетрясений, обнаруживается с аномалиями силы тяжести в изостатической редукции Артемьев, 1975. В то время любые изостатические аномалии силы тяжести рассматривались как характеристика изостатического состояния земной коры. Последующие исследования показали, что аномалии силы тяжести в изостатической редукции не обязательно отображают нарушения изостазии, о чем впервые высказано, по-видимому, в работе Грачев, 1972. Изостатические модели того времени отличались большой простотой обычно это были схемы Эри с априорно выбранными параметрами нормальной толщиной коры на уровне моря и перепадом плотности на разделе кора-мантия Артемьев, 1975. Эти модели не включали в себя плотностные неоднородности в теле коры и не учитывали разнообразие возможных способов компенсации в различных районах Земли. В результате, получаемые изостатические аномалии в существенной степени как сейчас ясно - в определяющей степени отображали не нарушения изостазии, а плотностную неоднородность верхней части геологического разреза, преимущественно обусловленные различиями толщины и плотности осадочных отложений.
Развитие исследований в области изостазии в последние два десятилетия привело к пересмотру и уточнению многих устоявшихся представлений.
Прежде всего, существенно усложнились модели, используемые для вычисления изостатических аномалий силы тяжести.
В работе Artemyev and Golland, 1983 было впервые показано на примере Тянь- Шаня, что использование модели изостатической компенсации, которая приближена к реальному строению коры, позволяет существенно редуцировать изостатические аномалии по сравнению с рассчитанными в соответствии с идеализированной схемой Эри. Для многих районов сейчас имеются достаточно детальные данные о строении осадочного чехла и его физических характеристиках Авчан и Озерская, 1985 Бронгулеев, 1986 Ермаков и др 1989 Неволин и Ковылин, 1993, что позволяет ввести в модель значительную часть плотностных неоднородностей верхней части геологического разреза.
Для многих территорий получена информация, позволяющая пересмотреть представления о глубинах до раздела Мохоровичича Белоусов, Павленкова, 1993 Hurtig et al 1992, что существенно уточняет модели компенсации. Как показал опыт, использование современных моделей может привести к существенному изменению представлений об изостазии различных регионов Кабан, 1988 Artemjev and Kaban, 1986, 1991. Именно это определяет необходимость нового расчета изостатических аномалий силы тяжести, которые можно считать второй принципиальной геодинамической редукцией гравитационного поля. 2.
Основные положения используемой в данной работе методики можно сформул... Более дробное деление невозможно для столь обширной территории, так ка... Влияние плотностных неоднородностей консолидированной коры в принципе ... Во второй модели учитываются плотностные неоднородности консолидирован... Сопоставление этих результатов позволяет получить более обоснованные в...
Согласно этой карте мощность осадков наибольшая в районах Южного Каспи... Принимая во внимание, что крупные блоки литосферы, для которых получен... При этом чистый эффект вариаций плотности изменяется от - 125 до 160 м... Это объясняется разным положением границ консолидированной коры относи... 4.
Как видно из сопоставления рисунков 12 и 13, введение коровой коррекци... 14 Рис. Одна из них расположена к юго-западу от Байкала, примерно в районе Хам... Таким образом, длинноволновая составляющая поля изостатических аномали... Поле градиентов представляет собой достаточно сложную картину. В нем о...
Заключение Построена плотностная модель коры Северной Евразии и рассчитано ее гравитационное влияние. После удаления этого поля из наблюденного гравитационного поля, получены остаточные мантийные аномалии. Мантийные аномалии явно разделяются на две составляющие, которые отображают влияние различных факторов 1. Региональная компонента в первом приближении не коррелирована со структурами коры и отображает крупномасштабные особенности строения литосферы Евразии, предположительно связанные с особенностями ее термического режима.
В частности, для северной и центральной частей Евразии характерны интенсивные положительные аномалии, в то время, как для Западной Европы и Юго-Восточной части Азии - отрицательные. Региональная часть мантийных гравитационных аномалий точно соответствует распределению скоростей поперечных волн, полученных методами сейсмической томографии Ekstr o m and Dzievonski, 1998 Ritzwoller and Levshin, 1998. 2. В отличие от региональной компоненты, локальная составляющая поля мантийных аномалий с длинами волн менее 2000-2500 км имеет ясную привязку к конкретным тектоническим структурам.
Наиболее выраженные положительные аномалии с амплитудами превышающими 100 мГал характерны для некоторых структур в пределах Восточно-Европейской платформы Балтийский щит, Воронежский массив и Восточной Сибири Тунгусская синеклиза.
К западу от линии Тессейра-Торнквиста четко прослеживается цепь отрицательных мантийных аномалий Венгерская впадина - Рейнский Грабен - Центральный Французский массив. В центральной Азии наиболее ярко выраженная зона отрицательных мантийных аномалий расположена к юго-западу от Байкала, примерно в районе Хамар-Дабана. Можно предположить, что эти аномалии связаны с внедрением аномальной легкой мантии.
Интенсивные отрицательные мантийные аномалии имеют место вдоль восточной границы Евразии, они связанны с окраинными морями. Для всей изученной территории построена новая карта изостатических аномалий силы тяжести. В отличие от предыдущих работ, для ее построения использовались реальные данные о строении коры, включая вариации мощности и плотности осадочного чехла и консолидированной части коры. Отход от традиционной схемы Эри позволил во многих случаях пересмотреть существующие представления об изостатической уравновешенности структур коры. В частности, существенно редуцированы по сравнению с предыдущими картами Артемьев, 1975 изостатические аномалии, расчитанные для Южного Каспия, Тянь-Шаня и Урала. На следующем этапе работы предполагается провести совместный анализ мантийных и изостатических аномалий силы тяжести, который позволит дать характеристику геодинамического режима основных тектонических структур Северной Евразии.
В заключение автор считает своим долгом выразить благодарность А. Ф. Грачеву за плодотворные дискуссии и помошь, благодаря которой стала возможной данная работа.
Литература Авчан Г. М Озерская М. Л Петрофизическая характеристика осадочного чехла нефтегазоносных провинций СССР, 192 с Недра, Москва, 1985. Артемьев М. Е Изостазия территории СССР, 215 с Наука, Москва, 1975. Белоусов В. В Павленкова Н. И Строение земной коры Европы по сейсмическим данным, В кн. Литосфера центральной и восточной Европы, под ред. Чекунова, Наук. Думка, Киев, 1993. Бронгулеев В. В. редактор, Карта поверхности дорифейского фундамента Восточно-Европейской платформы, Масшт. 15.000.000, Мингео СССР, 1986. Вольвовский И. С Вольвовский Б. С Разрезы земной коры территории СССР по данным глубинного сейсмического зондирования, 267 с Советское Радио, Москва, 1975. Гизе П Павленкова Н. И Структурные карты земной коры Европы, Физика Земли, 10, 3-14, 1988. Глубинное строение территории СССР, 224 с Наука, Москва, 1991. Грачев А. Ф Выражение новейших структурных форм в гравитационном поле, В кн. Геоморфология и геофизика, под ред. Грачева и Кулакова, с. 5-32, Наука, Л 1972. Гравитационная модель коры и верхней мантии Земли, под ред. Чекунова, 248 с Наук. Думка, Киев, 1979. Егоркин А. В Строение коры по данным сейсмических геотраверзов, В кн. Глубинное строение территории СССР, с. 118-134, Наука, Москва, 1991. Ермаков В. Б Краснопевцева Г. В Семов В. Н Щукин Ю. К Атлас карт глубинного строения земной коры и верхней мантии территории СССР, 84 с ВНИИГеофизика, Москва, 1989. Кабан М. К Изучение изостазии литосферы, 125 с Наука, Москва, 1988. Костюченко С. Л Солодилов Л. Н Егоркин А. В Особенности структуры и физических полей земной коры и верхней мантии, В кн. Новейшая тектоника, геодинамика и сейсмичность Северной Евразии, под. ред. А. Ф. Грачева, с. 291-308, Москва, 2000. Красовский С. С Гравитационное моделирование земной коры и изостазия, 262 с Наук. Думка, Киев, 1989. Неволин Н. В Ковылин редакторы, Геологическое и геофизическое моделирование нефтегазоносных провинций, 204 с Недра, Москва, 1993.