Гравитационная модель коры и верхней мантии Северной Евразии

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 1o1o в пределах области 30oс.ш.-75oс.ш., 14oз.д.-195oв.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 2000-2500км имеет ясную привязку к конкретным тектоническим структурам. Максимальные положительные аномалии с амплитудами превышающими 100мГал 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. Принципы гравитационного моделирования

Основные положения используемой в данной работе методики можно сформулировать следующим образом. На первом этапе определяется исходная плотностная модель коры и верхней мантии, параметры которой задаются по имеющимся априорным данным. В настоящем исследовании эта модель состоит из двух слоев: осадочного чехла и консолидированной части коры, параметры которых существенно различны. Более дробное деление невозможно для столь обширной территории, так как только поверхности фундамента и Мохо, являясь опорными границами, устойчиво выделяются практически всеми сейсмическими методами.

Осадочный слой обычно неоднороден как по глубине, так и по простиранию. Более того, вариации плотности внутри осадочного чехла часто создают гораздо более существенный гравитационный эффект, чем вариации глубины до фундамента. Это особенно ясно проявляется в тех случаях, когда мощность осадочного чехла превышает 7-8км, так плотность осадочных пород около его подошвы близка к плотности вмещающих кристаллических пород. Основные осадочные бассейны детально изучены с использованием различных методов разведочной геофизики и для них имеются опорные данные бурения. Таким образом, имеется принципиальная возможность построить генерализованную плотностную модель осадочного чехла, не используя на этом этапе интерпретацию гравитационного поля.

Данные бурения дают чрезвычайно сложную структуру осадков, включая множество локальных границ [Авчан, Озерская, 1985]. Попытки объединить эти границы в единую модель (хотя бы для одного осадочного бассейна) обычно заканчиваются неудачей. Единственно приемлемый для регионального исследования подход заключается в том, чтобы учесть общие закономерности изменения плотности осадков с глубиной и скорректировать эти зависимости, принимая во внимание литологию конкретного бассейна. Таким образом, каждому осадочному бассейну, или, если для этого имеются основания, его части ставится в соответствие определенная зависимость плотности осадков от глубины. Возможные (и часто весьма значительные) отклонения от общей зависимости имеют локальный характер и не являются объектом данного исследования. Такой подход успешно применялся в ряде работ и доказал свою продуктивность [Artemyev et al., 1994a; Kaban and Mooney, 2001; Yegorova and Starostenko, 1999]. В данной работе используется региональная модель осадочного чехла, построенная в работах [Artemjev et al., 1993, 1994а, 1994b; Gordin and Kaban, 1995].

Влияние плотностных неоднородностей консолидированной коры в принципе также можно оценить, используя данные о средних скоростях сейсмических волн в ней. Однако надежность этой информации, если рассматривать всю территорию Северной Евразии, меньше, чем надежность других групп информации, включая положение границы Мохо. Только на длинных профилях ГСЗ, выполненных в центре ГЕОН с использованием разного типа волн, весьма незначительные вариации средней скорости в консолидированной коре существенно превосходят ошибку их определения [Егоркин, 1991]. Важно отметить, что данная ошибка может быть систематической и зависеть от используемого метода интерпретации. Кроме того, пересчет скоростей в плотности также содержит существенный элемент неопределенности [Красовский, 1989; Christensen and Mooney, 1995]. Учитывая все вышеизложенное, были использованы две модели коры. В первой модели плотность консолидированной коры считается постоянной. Соответственно, остаточные аномалии, получаемые после устранения эффекта коры из наблюденного гравитационного поля, отображают влияние как плотностных неоднородностей верхней мантии, так и консолидированной коры. Во второй модели учитываются плотностные неоднородности консолидированной коры, полученные на основании скоростей сейсмических волн. Сопоставление этих результатов позволяет получить более обоснованные выводы.

Гравитационное поле исходной модели коры вычисляется относительно горизонтально однородной базовой модели. Если нижняя граница модели также горизонтальна, то результирующее поле с точностью до постоянной составляющей не будет зависеть от выбора базовой модели. Для того, чтобы исключить из рассмотрения также и нижнюю границу, до которой производятся расчеты, мы накладываем на базовую модель единственное условие: плотность мантии в ней должна равняться средней плотности мантии, которая принимается в начальных построениях. В данном случае используется двухслойная референц модель, в которой верхняя часть коры имеет плотность 2,7г/см3, а нижней - 2,9г/см3, плотность мантии 3,35г/см3. Глубина до нижней границы составляет 34,3км, что соответствует средней глубине до границы Мохо в пределах исследуемой области. Глубина до границы раздела плотности 2,7/2,9г/см3 составляет 14км, при этом средняя плотность коры равна 2,82г/см3, что согласуется с мировыми данными [Mooney et al., 1998].

На втором этапе вводятся дополнительные плотностные неоднородности верхней мантии. Важно отметить, что эти дополнительные аномалии плотности таковы, что сумма аномальных масс в каждой литосферной колонке, включая как известные a-priori массы топографии, аномальные массы коры, включая осадочный чехол и консолидированную кору, и вариации границы Мохо, так и дополнительные, равна нулю. Поле, создаваемое дополнительными плотностными неоднородностями верхней мантии, вычитается из мантийных аномалий силы тяжести, в результате получаются изостатические аномалии силы тяжести. Эти аномалии можно рассматривать как вторую важнейшую характеристику геодинамического режима тектонической структуры.

3. Исходные данные и базовая плотностная модель коры

Гравитационная модель коры и верхней мантии Северной Евразии