Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Гравитационное моделирование тектоносферы активных океанических окраин

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Гравитационное моделирование тектоносферы активных океанических окраин"

РГ6 од

" I 'ПЗ ■

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПРЕЗИДИУМ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ

На правах рукописи

СЕНАЧИН Владимир Николаевич

ГРАВИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕКТОНОСФЕРЫ АКТИВНЫХ ОКЕАНИЧЕСКИХ ОКРАИН

Специальность; 04.00.22 -'геофизика*

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПРЕЗИДИУМ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ

На правах рукописи

СЕНАЧИН Владимир Николаевич

ГРАВИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕКТОНОСФЕРЫ АКТИВНЫХ ОКЕАНИЧЕСКИХ ОКРАИН

Специальность: 04.00.22 - "геофизика"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-иинералогических наук

Работа выполнена в Институте морской геологии и геофизик» Дальневосточного отделения РАН

Научный руководитель: доктор геолого-мпнералогических наук

В.Ю.Косыгин

Официальные оппонекгы: доктор геолого-минералогических наук

ВААбрамов доктор геолого-минералогических наук Л.И.Брянскнй

Ведущая организация: Институт вулканологии и геодинамики АЕН РФ

Защита состоится 18 мая 1994 г. в 10 часов на заседании Специализированного совета K0Q2.06.04 при .Институте тектоники и геофизики ДВО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТнГ ДВО РАН

Отзывы, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 680063 Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, 65, ИТиГ. Ученому секретарю Спецсовета Р.Ф.Черкасову

Автореферат разослан "Д" лларта 1994г

Ученый секретарь Специализированного совета, канд. гесш.-мин. наук

Р.Ф.Черкасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Изучение глубинного строения активных океанических окраин является одной из важнейших задач современной геологии. Эти регионы, проявляющиеся в виде устойчивой системы глубоководных желобов и островных дуг, вовлечены в глобальную геотектоническую деятельность, оказывающую влияние на формирование всей земной поверхности. Решающую роль в этих процессах играют гравитационные силы, которые возникают при неоднородном распределении гравитационных масс, т.е. при наличии плотностных неоднородностей вещества внутри Земли и особенно, в тектоносфере. Одним из основных методов изучения этих неоднородностей является гравитационное моделирование.

В настоящее время гравитационное моделирование тектоносферы чрезвычайно затруднено из-за слабой изученности мантии геофизическими методами. Это приводит к появлению принципиально различных моделей, построенных разными авторами по одним и тем же данным, что уменьшает доверие к гравитационному моделированию как методу научного исследования. Вместе с тем, данный метод может бьггь значительно более информативным и достоверным. Теоретические разработки последних лет, выполненные К.М.Картвелишвили, МААлексидзе, В.И.Старостенко, В.Г.Козяенко, О.М.Русаковым, С.С.Красовским и. другими исследователями, показали большие возможности для его совершенствования. Строгий методический подход в разрешении таких вопросов, ках определение уровня привязки гравитационных аномалий и выделение регионального фона, использование всех известных закономерностей распределения плотности в мантии значительно повышают достоверность получаемого решения. Проведение многовариантного моделирования с использованием различных гипотез строения изучаемого региона позволяет извлечь всю необходимую информацию из наблюденного гравитационного поля. Все это говорит о необходимости совершенствования методики регионального гравитационного моделирования, что особенно важно при изучении строения таких сложных объектов, какими являются активные океанические окраийы. '

Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИМГиГ ДВО РАН по программ^ "Мировой океан", тема 4: 'Разработка модели геодинамических процессов в литосфере на основе геолого-геофизического изучения^зоны сочленения Евразии и Тихого океана. Построение глубинных разрезов Северного и Центрального трансектов".

ЦЕЙИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Настоящая работа посвящена изучению глубинного плотностного строения активных океанических окраин методом хравитационного моделирования, В рамках этого-исследования автором были поставлены и разрешены следующие задачи: ' 1 разработка методики регионального гравитационного моделирования, отвечающей современному уровню программного обеспечения и знаний глубинной структуры Земли; 2Моделирование отдельных участков Азиатско-Тихоокеанской окраины с рассмотрением всевозможных моделей строения, вытекающих из комплекса экспериментальных данных и различных геодинамических "Гипотез;

3)обобщение и анализ всех построенных моделей совместно с моделями других авторов с целио выявления основных закономерностей распределения плотности в мантии активных окраин и их связи с тектоникой.

ЗАЩИЩАЕМЫМИ ПОЛОЖЕНИЯМИ данной работы являются: , I .Опорная эволюционная модель океаническЪй тектоносферы, построенная на основе модели охлаждающегося полупространства, отражающая процесс перераспределения плотности по мере увеличения возраста, позволяющая увязывать гравитационное _моделк. разновозрастных океанических регионов.

2.Методика приведения многовариангного регионального гравитационного моделирования с использованием алгоритмов автоматизированного решения обратной задачи, основанная на строгом определении постановки задачи моделирования и .привязке к опорной эволюционной модели океанической тектоносферы.

3.Выявленные закономерности распределения гравитационных аномалий и плотности в тектоносфере рассмотренных регионов (Курильском, Марианском и Алеутском): , _

3.1 Аномальная плотность наклонной сейсмофЪкальной зоны, отождествляемая в тектонике плит с погружающейся литосферной плитой, не превышает величины +0.02 г/смЗ , и может быть зависимой от скорости субдукции. (.

3.2.Характер положительной "мантийной" гравитационной аномалии в районе желоба определяется неоднородностью океанической литосферы на стыке с континентальной, степень уплотнения ийн разуплотнения в которой зависит от тектонических условий развитая региона, что может быть вызвано различием напряженного состояния зоны сочленения плит.

s

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:

1.Произведен расчет опорной эволюционной плотностной модели океанической тектоносферы, основанной на предполагаемом тектоникой плит процессе охлаждения литосферы и подстилающей мантии по мере их удаления от зон спрединга.

2.Проведено многовариантное гравитационное моделирование тектоносферы отдельных участков Тихоокеанской окраины с рассмотрением моделей плотностного строения, основанных на различных геодинамических гипотезах субдукции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ выполненной работы заключается в следующем:

-разработанная методика регионального гравитационного моделирования позволяет строить взаимосвязанные друг с другом модели различных региональных тектонических структур и повышает достоверность получаемых решений в слабоизученных геофизическими методами регионах;

-все описанные в работе алгоритмы вычисления параметров тектоносферы, характеризующих распределение плотности (нзостатическое состояние, гравитационная устойчивость литосферы, объемная масса и момент инерции Земли и др.), реализованы в программном виде на персональном компьютере типа IBM (язык программирования - МС-Фортран), опробованы в данной работе и пригодны для дальнейших исследований; -выявленные закономерности распределения плотности в тектоносфере активных океанических окраин дают возможность глубже проникнуть в суть происходящих здесь процессов и, в частности, могут быть использованы в развиваемых в последние годы идеях сравнительной субдуктологии.

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД. В работе использованы гравиметрические данные, полученные сотрудниками ИМГиГ ДВО АН СССР и ВНИИГеофизика МГ СССР в рейсах нис "Пегас", нис "Морской геофизик", нис "Мария Савина", проведенных за период с 1982 по 1991 год (в некоторых из них принимал участие автор), а также опубликованные данные в виде гравиметрических карт и каталогов.

Все работы по моделированию проведены с использованием комплекса программ решения прямой и обратной задач гравиметрии, разработанного на ИВЦ ПГО "Сахалингесшогия", и модифицированного автором, а также ряда вспомогательных программ, разработанных

,, автором - расчет нормальной эволюционной модели океанической тектоносферы, привязка к нормальной модели, расчет массы и момента инерции Земли- по данному распределению плотности, гравитационной устойчивости литосферы, давления на разных глубинах и другие.

АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы докладывались на семинарах лаборатории Геодинамики ИМГиГ ДВО fAH; на III Тихоокеанской школе по морской геологии, геофизике и геохимии (Владивосток, 1987); на XVI и XVII Конференциях молодых ууеных ИМГиГ (Южно-Сахалинск, 1989 г. и 1991 г.). По теме диссертации опубликовано 8 работ.

, СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ- Диссертация состоит из Введения, 6-ти глав, Заключения и Списка использованной литературы. Объем диссертации 137 страниц текста, 29 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 200 наименований.

Автор глубоко признателен научному руководителю доктору геол.-миу. нйук В.Ю.Косыгину за оказанную им поддержку в- процессе выполнения данной работы.

Автор считает своим долгом поблагодарив» доктора геол.-мин.наук П.М.Сычева. Его внимательное отношение, критические замечания и добрые советы способствовали более глубокой разработке многих вопросов, затронутых в данной работе.

Автор искренна благодарен кандидату геол.-мин. наук В.И .Исаеву, оказавшему неоценимую помощь в освоении разработанного на ИВЦ "Сахалингеология" ^ пррграммного комплекса двухмерного^ гравитационного моделирования, который* в модифицированном виде, Использовался в данной работе.

Автор благодарен также доктору геол.-мин. наук МД.Красному, кандидату геол.-мин. наук АААндрееву, В.П.Семакину, кандидату геол.-мин. наук Г.И.Аносову, а также всем сотрудникам лаборатории геодинамики ИМГиГ ДВО РАН за помощь и поддержку, оказанную ими в 9 процессе выполнения данной~работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, раскрываются научная новизна, практическая ценность и защищаемые положения.

В 1-ой главе дается краткая геолого-геофизическая характеристика активных окраин: географическое расположение, геоморфология дна, вулканизм и сейсмичность; особенности строения земной коры, неоднородности верхней мантии по данным сейсмологии, электромагнитного зондирования, геотермии; особенности тектонического развития. Показано, что тектоника плит в общем дает удовлетворительное объяснение выявляемым неоднородносгям коры и мантии активных окраин, рассматривая эти регионы как зоны конвергенции плит; однако, есть ряд вопросов, которые в рамках этой концепции не находят удовлетворительного объяснения, либо объясняются неоднозначно. Так, предполагается несколько вероятных механизмов погружения литосферных плит, в каждом из которых по разному решаются вопросы инициализации субдукции и навигационной устойчивости литосферы; предполагается также несколько механизмов образования глубоководных котловин окраинных морей.

Во 2-ой главе дается характеристика гравитационного поля активных окраин и обзор гравитационных моделей, постороенных в этих регионах. Характерной особенностью большинства активных окраин является наличие крупной положительной гравитационной аномалии, приуроченной к желобу. В 50+60 годах эта аномалия объяснялась повышением границы Мохо, что естественно, приводило к выводу об образовании желобов путем растяжения земной коры. [Уэрзел, Шербет, 1957; Уэрзел, 1969; Hayes, 1966; Talwani et а!., 1959; Talwani et al.,1961]. Однако, полученные впоследствии сейсмические данные не подтвердили это предположение, что привело к необходимости введения плотностных неоднородностей ниже границы Мохо [Гайнанов, 1964; Лифшиц, 1965; Туезов и др., 1967; Хатертон, 1978]. С развитием идей гшитовой тектоники модель с неоднородностями верхней мантии стала более распространенной и получила физическое объяснение. Первые ютотностные модели, которые в полной мере отражают процессы верхней мантии в соответствии с представлениями тектоники плит, были построены Дж.Гроу для Алеутского [Grow, 1973] и Чилийского [Grow, Bowin, 1975] желобов. Характерной особенностью этих моделей является наличие уплотненного на +0.05 г/см^ наклонного блока погружающейся плиты в текгоносфере.

Не смотря на хорошее теоретическое обоснование плотносгной модели субдукции, широко применяемой в гравитационном моделировании, она не дает полного объяснения наблюдаемых в активных окраинах "мантийных" гравитационных аномалий, которые оказываются

существенно различными в разных регионах. Эти различия могут быть обусловлены либо неодинаковой геодинамической обстановкой, либо некорректностью редуцирования, т.е. выделения этих аномалий на фоне вышележащих гравитирующих объектов, что может быть связано с недостаточной изученностью земной коры и с различным подходом в их определении.

Разрешение этого вопроса может быть получено путем проведения многовариантного гравитационного моделирования в регионах, имеющих наиболее отличительные характеристики как в тектоническом развитии, так h по гравитационному полю.

3-я глава посвящена решению проблемы привязки региональных гравитационных моделей океанических регионов к нормальной модели Земли. Для этой цели принято использовать в качестве опорных одномерные модели распределения плотности устойчивых тектонических структур, параметры которых определяются как осредненные значения большого количества экспериментальных данных. В океане же, как известно, наблюдается закономерное изменение глубины дна, мощности литосферы и величины теплового потока по мере увеличения возраста, которые указывают на определенное перераспределение плотности верхней мантии вследствие ее охлаждения. Представляется целесообразным включать эти изменения в опорную модель, что позволит получать взаимосвязанные гравитационные модели разновозрастных океанических регионов.

Для этих целей автором был произведен расчет опорной эволюционной плотностной модели океанической тектоносферы (см.рис.1), при построении которой за основу были взяты:

1)опорная плотностная колонка земной коры зрелой океанической котловины [Бурьянов и др., 1981];

2)параметрическая модель Земли РЕМ-0 [Dziewonski et al., 1975j;

3)термальная модель охлаждающегося полупространства [Геркот.Шуберт, 1985], согласно которой основные изменения температуры мантии происходят в верхних 100+130 км.

Для удобства применения опорной эволюционной модели при ее построении были приняты следующие упрощения:

- единый линейный градиент увеличения плотности мантии с глубиной;

- литосфера представлена одним споем, а астеносфера - двумя слоями с границей по глубине 100 км.

плотность (г/см3 )

3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

РисЛ Опорная эволюционная плотностная модель океанической тектоносферы. Показаны плотносгные колонки всзрасга 10, 50 и 100 млн. пег. Для сравнения приведены плотностные модели РЕМ-0 ГО^ошИ ее а!., 19751 и В.Г.Козленко [19841.

Кроме того, расчет модели производился при условии соблюдения ряда требований:

- сохранение гравитационной устойчивости литосферы;

- сохранение полной массы разреза;

- уменьшение разности плотности на границе литосфера-астеносфера.

В отличие от аналогичных построений других исследователей в данной модели не соблюдалось требование строгого сохранения момента инерции Земли, что позволило избежать маловероятных, по мнению автора, изменений плотности в нижних слоях текгоносферы. Вместе с тем, расчет момента инерции от полученных плотностных колонок модели показал, что его изменение происходит в пределах ±0.02% абсолютной величины.

В 4-ой главе описана разработанная автором методика регионального гравитационного моделирования, основанная на строгом определении постановки задачи и применении опорной эволюционной модели океанической текгоносферы.

Задачей гравитационного моделирования в самом общем случае является определение функции распределения плотности на заданном участке геологического пространства с заданной или предельно возможной точностью. На практике получить решение такой задачи вряд ли возможно. Для получения однозначного решения в гравитационном моделировании необходимо привлекать дополнительную априорную информацию, которая может быть самой различной по содержанию и включать в себя прежде всего экспериментальные геолого-геофнзические данные и теоретические представления о вещественном составе и закономерностях распределения плотности внутри Земли. В силу того, что большинство этих данных не дают прямой информации о распределении плотности внутри Земли, задачу построения гравитационной модели, основанной на экспериментальных и теоретических геолого-геофизическнх данных можно сформулировать следующим образом: определение границ и аномалий плотности основных структурных элементов заданного геологического пространства, отвечающих современным представлениям геологии. Результатом решения такой задачи будет не "плотностная" (как в предыдущем случае), а "структурно-плотностная" модель.

В большинстве случаев построение гравитационных моделей невозможно без привлечения гипотетической информации, и полученные модели носят вероятностный характер. Вместе с тем, и при использовании гипотетических данных можно получать однозначные решения, если задачу моделирования ставить более конкретно - например, оценка состоятельности какой-либо гипотетической плотностной модели в

изучаемом регионе. По-видимому, следует различать общую и частную постановки задачи моделирования. Общая постановка - построение плотностной, или структурно-плотностной модели, возможна только при достаточной изученности моделируемого объекта геолого-геофизическими методами. Если же экспериментальных и теоретических данных недостаточно, то мы должны конкретизировать решаемую задачу, уменьшая количество искомых параметров, и решать ее в частной постановке. В региональном моделировании решение общей задачи моделирования можно проводить путем решения ряда частных задач, каждая из которых проводит оценку какой-либо конкретной структурной либо геодинамической гипотезы применительно к изучаемому региону. Такая постановка вопроса делает процесс моделирования более осознанным, и будет вполне естественно, что в результате такого решения мы получим не одно, а несколько вероятных решений общей задачи моделирования.

Исходную геолого-геофизическую модель, построенную на основе экспериментальных и теоретических данных, которая является основой при построении гравитационной модели, принято называть "физико-геологической моделью среды" [Страхов, 1984]. Исходные гипотетические представления могут быть выражены в виде так называемой "концептуальной модели" [Брянский, 1988]. Модель, построенная с использованием гипотетических данных, носит вероятностный характер, и ее можно назвать "вероятностной структурно-плотностной моделью".

В данной работе гравитационное моделирование проводилось с использованием программы решения обратной линейной задачи гравиметрии, разработанной на ИВЦ ПГО "Сахалингеология" [Исаев, 1982], по алгоритму В.И.Старостенко [1978]. Наиболее важное изменение, внесенное в программу, дает возможность объединения отдельных смежных блоков разбиения разреза в однородные области, которые в процессе решения обратной задачи участвуют как единое целое. В программу заложен алгоритм вычисления гравитационного эффекта от двухмерных тел с сечением в форме трапеции с вертикальными боковыми сторонами, поэтому, в первоначальном варианте программы плотностной разрез может разбиваться только на блоки трапецеидальной формы.

Предлагаемая схема проведения регионального гравитационного моделирования с использованием программы автоматизированного решения обратной задачи показана на рис.2. Перед началом работы очень важно определить конкретные вопросы, которые предполагается разрешить гравитационным моделированием. Для этого нужно иметь всю

юрмацию о строении изучаемого региона, изучить закономерности

строения основных тектонических структур, все вопросы, связанные с образованием и развитием этих структур, и как они решаются в свете различных геодинамических гипотез. Когда собран весь необходимый материал, строится априорная плотностная модель разреза и оцениваются начальные значения и предельные ограничения всех неизвестных параметров. Все эти параметры, а также профиль наблюдений гравитационного поля, вводятся в ЭВМ для решения обратной задачи. Полученное решение прежде всего должно быть оценено по ряду "математических" требований в соответствии с методикой, принятой разработчиками программы [Исаев, 1983]. Если решение по какому-либо из этих условий признается неудовлетворительным, - тоща необходимо вернуться к построенной априорной модели и внести в нее необходимые изменения в рамках рассматриваемой гипотезы. Чаще всего в этом случае бывает достаточно изменить некоторые параметры в массивах начальных приближений и предельных ограничений на неизвестные плотности.

Когда, наконец, получено решение, признанное удовлетворительным по "математическим" признакам, необходимо оценить его по ряду "геологических" критериев, которые следуют Из общих представлений о строении тектоносферы - соответствие полученных значений плотности предполагаемому вещественному составу коры и мантии; гравитационная устойчивость литосферы; изостатическая уравновешенность региональных тектонических структур и т.п. Если модель не согласуется с каким-либо из этих критериев, то в некоторых случаях она также может бьггь доработана введением незначительных изменений в априорной плотностной модели. Если же интерпретатор убеждается в невозможности построения модели, отвечающей одновременно всем "математическим" и "геологическим" критериям, то данная модель отбрасывается, и строится новая априорная модель в соответствии с другой гипотезой строения региона.

Представленная схема гравитационного моделирования отражает лишь в общих чертах тот путь, который должен привести к моделям, отвечающим всем требованиям региональных плотностных моделей. В каждом конкретном случае эта схема может быть изменена в соответствии с особенностями имеющихся в распоряжении гравиметрических и других геолого-геофизических данных, а также с особенностями постановки задачи.

Рис.2 Блок-схема регионального гравитационного моделирования с пользованием программы решения Обратной задачи на ЭВМ.

В 5-ой главе дается формулировка задачи моделирования, обоснование выбора объектов моделирования, приводится описание концепуальных моделей строения активных окраин, основанных на геодинамических гипотезах субдукцин; описаны результаты проведенного гравитационного моделирования.

Настоящая работа проводилась с целью выявления основных закономерностей распределения плотности в текгоносфере активных окраин. В качестве объектов моделирования были выбраны Курильская, Марианская и Алеутская островные системы. При данном выборе принимались во внимание следующие факторы: (I) особенности тектонического развития; (2) различия в "мантийных" гравитационных аномалиях; (3) возможность сравнения с плотностными моделями других авторов. Выбранные регионы являются наиболее примечательными по всем перечисленным факторам.

В проведенном моделировании было рассмотрено 4 концептуальных модели строения активных окраин. Три модели соответствуют различным представлениям о механизме субдукции (в дальнейшем будем называть их "геодинамическими"): (1) модель "гравитационной субдукции", ще источником силы погружения плиты является ее повышенная плотность;(2) модель субдукции Б.ВАрпошкова [1979], тде погружение плиты происходит в аномально разуплотненную мантию; (3) модель "конвекции", не предполагающая каких-либо существенных региональных аномалий плотности в текгоносфере. Четвертая - "структурно-геофизическая" модель, построенная без привлечения каких-либо представлений о геодинамике, назначение которой - определить наиболее приемлемые значения плотности в пределах выделенных структурных элементов.

Результаты проведенных расчетов представлены в виде таблиц основных параметров и рисунков полученных плотносшых моделей, В таблицах по каждому региону для всех расчиганных моделей приводятся такие параметры, как среднеквадратическое расхождение наблюденного и расчетного гравитационных попей; общее количество неизвестных параметров и процент полученных на предельном ограничении; количество циклов решения обратной задачи; полученный градиент изменения регионального фона. Расчет структурно-геофизических моделей проводился в 3-х вариантах при различном задании регионального фона: (1) со свободным выделением регионального фона; (2) без выделения регионального фона; (3) свободное выделение регионального фона при контроле за изостатической скомпенсированностью крайних структур разреза (см.рис. 3,4,5).

Рис.3 Расчетная структурно-геофизическая модель верхней мантии Курильского региона, полученная при условии изоетатического выравнивания западной части разреза на нижней границе астеносферы. Давление с осреднением в радиусе 50 км на разных глубинах: 1 - 35 км; 2 -100 км; 3-20 км; 4 - 420 км. Кривые гравитационного поля: 1 - остаточная наблюденная ("мантийная"), 2 - исходная; 3 - расчетная; 4 - региональный фон. Значения плотности на разрезе: I - абсолютные, 2 - аномальные относительно модели РЕМ-0 [Dziewonski а а!., 1975]

В 6-ой главе проводится анализ пригодности рассматриваемых геодинамических моделей субдукции на основе расчитанных гравитационных моделей и делается попытка объяснить выявленные различия плотностного строения изученных регионов особенностями их тектонического развития. Проводится также анализ изостатической скомпенсированности основных структурных элементов активных окраин на различных глубинах по расчетам аномалий давления.

Расчеты гравитационных моделей различных механизмов субдукции по всем рассматриваемым регионам показали одинаковые результаты. Модели "конвекции" и "Арпошкова" дают вполне удовлетворительные решения с очень близкой сходимостью с наблюденным гравитационным полем. Модель "гравитационной субдукции" дает неудовлетворительные решения по целому ряду параметров, и здесь наблюдается общая для всех регионов картина: все аномальные блоки погружающейся плиты 1 результате решения обратной задачи всегда оказывались определенными на нижнем пределе ограничения. Это говорит о том, что предполагаемая г рамках данной гипотезы плотность наклонного блока сейсмофокально? зоны является завышенной.

Как показали расчеты структурно-геофизических моделей, во все? регионах отмечалась взаимосвязь параметров регионального фона < плотностью сейсмофокальной зоны и астеносферы окраинного моря поэтому, определить точное значение плотности сейсмофокальной зоны I рамках данного моделирования не представляется возможным. Можнс однако, указать область, в пределах которой определяется данньн параметр. Так, для Курильского региона эта величина оценивается I пределах +(0.018+0.022) г/см3 , для Марианского - +(0.012+0.020) г/см3 ,: для Алеутского - +(0.+0.010) г/см3 . Верхняя оценка во всех случая; соответствует отсутствию повышения регионального фона от океана I континенту, а нижняя - свободному определению этого параметра в ход рачения обратной задачи.

Плотность погружающейся плиты в каждом из рассматриваемые регионов может быть оценена теоретически по расчетам температуры Проведенные автором расчеты на основе формулы Д.Маккензи [1975 показали, что температура (а, следовательно, и плотность) находится ] большой зависимости от гнубииы и от скорости субдукции. Так осреднение плотности в пределах диапазона глубин 80+420 км дае-значения +0.041 для Курильской, +0.037 для Алеутской и +0.030 г/см-

Н-4<хН 1 10.020 Е

Рис.4 Расчетная структурно-геофизическая модель верхней мантии Марианского региона, полученная при условии изостатического выравнивания окраинного моря на нижней границе астеносферы. Условные обозначения те же, что на рисЗ.

для Марианской зон субдукции. Следует отметить,что температура (а также плотность) в погружающейся плите зависит от множества факторов, не учитываемых в наших расчетах: фрикционный натрев, фазовые переходы вещества, деформации плиты и т.п. Рассчитать их влияние с достаточной точностью в настоящее время невозможно. Поэтому, все подобные оценки температуры обладают некоторой долей неопределенности. Вместе с тем, общая зависимость средней температуры и плотности от угла наклона и скорости погружения плиты, выявляемая теоретически, должна находить отражение в реальных структурах.

Построенные нами гравитационные модели показывают предельно возмоимые значения плотности в погружающейся плите. Диапазон этих значений довольно широк, и в принципе позволяет подобрать для Курильской и Марианской зон субдукции такие плотности, которые соответствовали бы теоретическому соотношению температур. В таком случае в Курильской зоне плотность будет оцениваться в пределах +(0.018 +0.022) г/смЗ, а в Марианской - +(0.012+0.016) г/с»А Интересно, что в моделях с изостатическим выравниванием окраинных морей на нижней границе астеносферы получены аномалии плотности, которые в точности соответствуют данному соотношению:+0.019 г/см^ под Охотским морем и +0.014 г/смЗ под Филиппинским. В Алеутской зоне субдукции получены очень низкие значения плотности, которые не вписываются в эти соотношения. Полученная несошасованность может быть вызвана либо ненадежностью исходных данных, либо несовершенством используемой методики моделирования, и в частности, неучетом глубинных трехмерных неоднородностей.

Результаты проведенного моделирования позволяют сказать однозначно, что аномальная плотность в погружающемся блоке океанической литосферной гшиты +0.05 г/см^, основанная на теоретических расчетах и используемая многими исследователями при построении плотностиых моделей активных океанических отфаин, является по крайней мере в 2 раза завышенной.

Вернувшись к вопросу о состоятельности геодинамических гипотез, в отношении гипотезы "гравитационной субдукции" можно сказать следующее. В соответствии с данной гипотезой сила, приводящая к субдукции, пропорциональна аномальной массе погружающейся плиты. Результаты проведенного моделирования показывают, что эта сила как минимум в два раза меньше, чем предполагают сторонники гипотезы, однако это еще не дает оснований говорить о ее несостоятельности.

На всех построенных моделях выделяются значительные неоднородности литосферы, различающиеся по размерам и величине

Рис,5 Расчетная струетурно-геофизическая модель верхней мантии Алеутского региона, полученная при условии изостатическгго выравнивания окраинного моря на нижней границе астеносферы. Условные обозначения те же, что на рис.3.

аномалий плотности. Наиболее значительные неоднородности выделякхго в районе желоба и окраинного вала. Само их расположение - в основам« погружающейся плиты - говорит о том, что они вызваны крупным! деформациями при изгибе плиты. ^Полученные различия параметров эти; неоднородносгей можно, по-видимому, объяснить различными условиям! тектонического развития изученных регионов. Анализируя построенны разрезы совместно с результатами моделирования других авторов можн< предположить такую закономерность распределения плотности 1 основании погружающейся плиты. Здесь выделяются две смежны аномальные области, в которых плотность может быть противоположи! по знаку. Непосредственно над погружающейся плитой плотность меняете от слабых положительных значений в желобах "чилийского" типа, д< крупных отрицательных в желобах "марианского" типа. Ридом с ней охеанической стороны образуется зона уплотнения, которая меняется п< протяженности и интенсивности в зависимости от тектонических условий: 1 Курильском, Японском, Идзу-Бонинском и других желобах "чилийского типа она очень узкая и высокоплотная, а в других регионах, по мер уменьшения сжимающих напряжений и появления условий растяжения, е интенсивность уменьшается, а протяженность возрастает.

Для изучения особенностей изостатического состояния Курильской Марианской и Алеутской окраин по всем построенным моделям быт рассчитаны аномалии давления на глубинах 35, 100, 220 и 420 км показывающих степень скомпенсированности земной коры, литосферы астеносферы и полного разреза тектоносферы, соответственно. Результата проведенных расчетов подтверждают в общих чертах все особеннорп изостатического состояния активных окраин, выявленные ранее [см. иапр Артемьев, 1987], но есть и различия, отражающие особенности изостатического состояния рассмотренных регионов.Так, в Марианско! островной дуге избыток давления, образующийся на границе Мохе практически полностью компенсируется в астеносфере. Можно такж ответить, что вес погружающейся плиты в ряде случаев способствуе выравниванию давления в астеносфере.

В Заключении приводятся результаты выполненной работы, котК>ры сводятся к следующему:

(.Произведен расчет опорной эволюционной модели океаническо! верхней мантии, отвечающей современным положениям тектоники гойп в которой учтены закономерности изменения всех геофизически параметров и изостатического состояния земной коры и литосферы.

'.Разработана методика многовариантного гравитационного моделирования океанических и переходных структур тектоносферы с использованием алгоритма автоматизированного решения обратной задачи на ЭВМ. Эта методика включает в себя определение постановки задачи моделирования, позволяющей проводить расчеты с использованием гипотетических данных, и привязку расчитываемой модели к нормальной модели Земли.

3.Проведено гравитационное моделирование Курильского, Марианского и Алеутского регионов Тихоокеанской активной окраины с использованием разработанной методики многовариантного моделирования. В результате были выявлены общие черты и основные различия в плотностном строении этих регионов, обусловленные различными условиями их тектонического развития.

Проведенное моделирование и анализ предшествующих работ позволяет сделать следующие выводы 6 отношении глубинного плотностного строения и геодинамики расмотренных регионов, а также активных окраин в общем.

I. Привязка моделируемых разрезов к опорной модели Земли позволила , выявить некоторые особенности строения отдельных тектонических структур:

1.1тПри оценке мощности коры в Курильской котловине, в соответствии с изостатическими характеристиками окраинных бассейнов, представляется более вероятной величина 13 км (включая воднйй слой), т.е. ближе к океаническому типу коры. 1.2.В - примыкающей к Филиппинскому морю части Тихого океана плотность мантии аномально высокая ио сравнению с нормальным океаническим разрезом, что- может выражаться в уплотнении литосферы и верхней части астеносферы (до глубины 120 км) не менее чем на 0.005 хУсм^.

.Расчет плотностиых разрезов на основе геодинамических моделей субдукции привел к одинаковым результатам по всем рассмотренным регионам, а именно:

-мбделй субдукции по Е.ВАрпошкову и конвекции дают вполне удовлетворительные решения с минимальным расхождением наблюденного и расчетного гравитационного поля; - модель "гравитационной субдукции", где причиной погружения плиты является ее повышенная плотность, дает решения с увеличенным расхождением наблюденной и расчетной гравитационных кривых и определением плотности погружающейся плиты на нижнем пределе, ограничения.

^-Результаты моделирования на основе комплекса геофизических данш без привлечения гединамических гипотез показали, что региональн положительная "мантийная" аномалия активных окраин обусловле! большей частью не наклонным блоком сейсмофокальной зоны, к, предполагалось ранее, а неоднородностями в литосфере на сты континентальной и океанической плит. Так, в литосфере Курильско региона в этой зоне выделяются области уплотнения величиной +(0.01 0.015) г/смЗ, а в Марианской зоне - напротив, довольно круп» разуплотнение, достигающее величины -0.04 г/см-3. Это различ] обусловлено, по-видимому, различием напряженного состояния зон столкновения плит и дает основание полагать, что все зоны субдукщ "марианского" типа характеризуются преимущественнь; разуплотнением, а "чилийского" - уплотнением в этой части литосферы.

4. Плотность наклонного блока сейсмофокальной зоны (погружающей! плиты) во всех вариантах решения обратной задачи в исследованнь регионах не превосходила величины +0.022 г/см^, что по крайней мере 2 раза меньше, чем предполагается большинством исследователей, соответствии с теорией субдукции тепловой режим погружающей« плиты, а следовательно, и ее плотность, может сильно различаться пр разной скорости погружения плит. Это дает основания полагать, чт используемое многими исследователями значение плотности в это блоке, равное +0.05 г/смЗ, принимается главным образом по традиции не имеет достаточно надежного обоснования. Если следоват теоретическим представлениям и наблюдаемым гравитационны аномалиям, то мы получим, что средняя плотность погружающихся пли будет меняться в зависимости от скорости субдукции скорее всего пределах +(0.0+0.02) г/смЗ.

5.Изостатнческое состояние Курильской^ Марианской и Алеутско островных систем, расчиганное по осредненным аномалиям давления диапазоне глубин 35+420 км, в целом проявляется одинаково для эти регионов. Неоднородности рельефа и земной коры создаю значительный дефицит масс под желобом и избыток - под островно] дугой, окраинным морем и краевым валом. В окраинных моря происходит полная компенсация поверхностных неоднородносгей н, нижней границе астеносферы, структуры краевого вала и желоб: остаются нескомпенсированными по всей глубине верхней мантии Островные дуги рассматриваемых регионов в глубинных аномалия: давления проявляются по разному: Курильская и Алеутская дул сохраняют нескомпенсированность; в Марианской дуге разуплотнение I астеносфере больше, чем требуется для компенсации островной дуги

поэтому на глубинах более 200 км под ней образуется недостаток масс, который частично компенсируется погружающейся плитой.

Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных работа ч ■

!_Люгая Л.М., Сеначин В.Н., Побережный В.Д. Аномалии гравитационного поля и плогностное строение земной коры Филиппинского моря II Геология Тихого океана /Тез. докл. III Г их о о к. школы. Владивосток - ТОЙ ДВО АН ОХР. - 1987,- C.I0-! I.

2.Косыгин В.Ю., Сеначин В.Н. Плотносткая модель тектоносферы Идту-Марианской системы окраинное море - дуга - желоб - океан Тихоокеанская геология.- 1988.- .Na 5,- С. 12-22.

3.Сеначнн В.Н. Строение тектоносферы Марианской системы островная дуга - желоб - океан по гравиметрическим данным: результаты многовариантного решения обратной задачи И XVI конференция молодых ученых и специалистов (тезисы докладов).- Южно-Сахалинск.-ИМГиГ ДВО АН СССР,- 1989.- С.21.

♦.Сеначин В.Н. Некоторые вопросы методики построения глубинных плотностных разрезов // Актуальные вопросы геологии, геофизики и биологии (материалы XVI конференция молодых ученых ИМГиП. -Южно-Сахалинск. - ИМГиГ ДВО АН СССР,- 1990,- С.69-76. ».Сеначин В.Н. Глубинное плотностное строение Марианской островной системы по данным многовариантного решения обратной задачи гравиметрии // Тихоокеанская геология.- 1990.-№ 4,- С.9-15. ».Сеначин В.Н. Закономерности изменения плотности в океанической верхней мантии //Тихоокеанская геология.- 1991.-№ 2.-С.25-33. '.Сеначин В.Н.Гравитационное моделирование Курильской островной системы // Актуальные вопросы геологии, геофизики и биологии (материалы XVII конференции молодых ученых ИМГиГ).- Южно-Сахалинск : ИМГиГ ДВО АН СССР.- 1991.- С. 124-134. .Сеначин В.Н. Методика регионального гравитационного моделирования (препринт). - Южно-Сахалинск : ИМГиГ ДВО АН СССР.- 1992. - 62 с.