Сейсмические модели земной коры и верхней мантии некоторых крупных геоструктур России

Павленкова, Галина Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Сейсмические модели земной коры и верхней мантии некоторых крупных геоструктур России
ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Сейсмические модели земной коры и верхней мантии некоторых крупных геоструктур России"

1 2 ГсН ? ;г7

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Объединенный Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта

УДК: 550.34(571.1+571.5) На правах рукописи

ПАВЛЕНКОВА Галина Александровна

СЕЙСМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ НЕКОТОРЫХ КРУПНЫХ ГЕОСТРУКТУР РОССИИ.

Специальность 04.00.22 - физика твердой Земли

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Центре ГЕОН имени В.В.Федынского Министерства Природных Ресурсов РФ и в Объединенном Институте физики Земли им. ОЛЮ.Шмидта РАН

Научный руководитель: академик Страхов В.Н.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

С.М.Зверев (ОИФЗ РАН) доктор геолого-минералогических наук

С.Л.Костюченко (ГЕОН)

Ведущая организация: ВНИИГеофизика МПР

Защита состоится а # » ии>м 2ооо г. в // часов, на заседании Специализированного совета К.002.08.04 при Объединенном Институте физики Земли РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИФЗ РАН по адресу: 123810, Москва, ул. Б. Грузинская, 10.

Автореферат разослан «Ж» 2000 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физ.-мат. наук А.Д.Завьялов

оС> 2 /У. ✓ <? ¥9, о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Одной из наиболее актуальных проблем наук о Земле является изучение законов формирования ее внешних оболочек и крупных геологических структур. Для решения этой проблемы необходимо знать глубинное строение различных по истории развития геоструктур, их связь со строением и процессами, происходящими в верхней мантии. Уникальную возможность дтя таких исследовании представляет глубинное сейсмическое зондирование (ГСЗ), выполненное Центром ГЕОН в пределах России на так называемых сверхдлинных профилях. На этих профилях в качестве источников использовались ядерные взрывы, что позволило зарегистрировать волны до удалений в 3000 км и проникнуть внутрь Земли до 700 км. Выполненная автором обработка этих материалов и полученные результаты могут быть использованы для изучения процессов геодинамики верхней мантии.

Актуальными являются также вопросы интерпретации сейсмических данных для больших глубин, оценка достоверности и неоднозначности построения моделей земной коры и верхней мантии и определение их геолого-геофизической значимости.

Цель и задачи исследований.

Основной целью данной работы являлось изучение и сравнительный анализ структуры земной коры и верхней мантии крупных геоструктур России: Восточно-Европейской и Сибирской древних платформ, Тимано-Печорской, Западно-Сибирской молодых плит и Урала на основе обработки сейсмического материала по сверхдлинным профилям ГЕОНа. Для этого необходимо было создать единую методику обработки и интерпретации этих данных, отвечающую Современному уровни) развития глубинных геофизических исследований и позволяющую провести совместную обработку записей от обычных и ядерных взрывов.

Задачами исследований было: 1. Изучение особенностей распространения сейсмических волн в слабоградиентных неоднородных средах путем математического моделирования и оценка разрешающей способности метода ГСЗ, степени возможной устойчивости и неоднозначности интерпретации волновых полей на больших удалениях от источника.

2. На основе результатов математического моделирования разработка системы интерпретации волновых полей, формируемых в земной коре и в верхней мантии, позволяющей увеличить достоверность и информативность результативных материалов.

3. Совместная обработка записей обычных и ядерных взрывов на сверхдлинных профилях "Кварц", " Рифт" и "Метеорит" общей протяженностью 7000 км по единой системе и построение двумерных скоростных моделей до глубин в 300 км.

4. Сравнительный анализ полученных материалов с данными по другим профилям с целью определения геолого-геофизической природы сейсмических неоднородностей и связи приповерхностных структур с глубинными.

Фактическая основа работы и личный вклад автора Основой работы явился экспериментальный материал по трем перечисленным выше сверхдлинньш профилям ГЕОНа, пересекающим различные по возрасту и истории развития геологические структуры: Балтийский щит, Русскую плиту, Тиманский кряж, Печорскую плиту, Северный Урал, Пур-Гыданскую, Тунгусскую и Нижяе-Ангарскую впадины и Байкальский рифт. Автором была проведена совместная обработка записей от обоих типов источников и построены двумерные скоростные модели земной коры и верхней мантии до глубин 200-300 км. До этого материалы по обычным и ядерным взрывам обрабатывались раздельно, а для профилей "Рифт" и "Метеорит" были построены лишь одномерные модели верхней мантии.

С целью изучения законов распространения сейсмических волн в слабо градиентных средах и выбора соответствующих методов анализа волновых полей и их интерпретации при обработке экспериментального материала автором был выполнен большой объем математического моделирования и разработана часть необходимого программного обеспечения.

Научная новизна. 1. Предложена новая система обработки данных глубинных сейсмических зондирований на сверхдлинных профилях, основанная на анализе волновой картины и выборе интерпретационной модели при помощи временных разрезов и использовании математического моделирования для построения скоростных двумерных моделей и оценки их достоверности.

2. Впервые получены детальные двумерные модели верхней мантии до глубины в 300 км на профилях общей протяженностью в 7000 км, построенные на основе совместной обработки записей обычных и ядерных взрывов по единой методике.

3. Показана принципиальная разница в структуре земной коры Тимано-Печорской плиты по сравнению с Восточно-Европейской и Западно-Сибирской платформами и деление Сибирского кратона по типу коры на северную и южную части.

4. В верхней мантии на глубине 70-100 км практически повсеместно прослежен четкий отражающий горизонт N и выделен ряд тектонических нарушений, разделяющих крупные мегаблоки и уходящие в верхнюю мантию.

5. В верхах мантии Сибирской платформы оконтурены блоки с аномально высокими скоростями, которые можно объяснить существенной анизотропией скоростей.

Практическая ценность работы. Полученные разрезы земной коры могут быть использованы для планирования геолого-разведочных работ на нефть и газ в районе Печорской и Западно-Сибирской плит и на кимберлитовые поля на Русской и Сибирской платформах. Результаты математического моделирования волновых полей в сложно-построенных средах могут быть использованы при сейсмических исследованиях всех уровней, от детальных работ инженерного плана до глубинной сейсморазведки.

Основные защищаемые положения.

1. Метод математического моделирования вместе с методом редуцированных годографов позволяет исследовать природу сейсмических волн, регистрируемых на больших расстояниях от источника, уточнить скоростные модели верхней мантии и повысить информативность этих моделей.

2. Неоднозначность построений сейсмических моделей земой коры и верхней мантии по данным ГСЗ определяется главным образом типом модели и наблюдаемого волнового поля, наличием зон инверсии скоростей или "выпадающих"" слоев и протяженностью годографов отраженных волн.

3. По типу земной коры Сибирская платформа делится на южную и северную части, граница между ними проходит в районе НижнеАнгарской впадины. В верхней мантии эта граница выражена областью пониженных скоростей и погружением на север границы N.

4. Аномально низкими скоростями в земной коре отличается Тимано-Печорская плита, в которой практически отсутствует высокоскоростной нижний слой. Между Тимано-Печорской плитой и Восточно-Европейской платформой существует глубинный разлом, полого падающий под плиту. Он выделяется по высокоскоростной отражающей границе в мантии.

5. Четко выраженная в волновом поле мантийная граница N в пределах Тимано-Печорской плиты и Урала характеризуется обратной корреляцией относительно границы М. Она соответствует, по всей видимости, серии пологих нарушений, ограничивающих крупные мегаблоки.

Апробация работы и публикации.

Материалы и выводы диссертационной работы отражены в 10 публикациях, подготовленных лично автором и в соавторстве с другими исследователями.

Основные положения и результаты исследований автора по даной теме докладывались на научных семинарах Института физики Земли РАН и на следующих научных конференциях: Международная программа Е1ЖОРКОВЕ "Структура верхней мантии Земли по данным комплексных геолого-геофизических исследований" (16-20 апреля 1997, Москва), 22-я Генеральная Ассамблея Геофизического Европейского Общества (апрель, 1997, Вена), Международное совещание "50 лет ГСЗ: прошлое, настоящее и будущее" (19-22 мая 1999 г., Москва), Геофизические чтения имени В.В.Федынского (февраль 1999 и 2000 гг., Москва).

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из 6 глав общим объемом в 120 страниц.

Содержание работы сгруппировано вокруг трех основных проблем:

1. Методика обработки и интерпретации данных глубинного сейсмического зондирования.

2. Структура земной коры Печорской плиты, Восточно-Европейской, Западно-Сибирской и Сибирской платформ.

3. Строение верхней мантии перечисленных геоструктур, природа сейсмических неоднородностей.

Благодарности.

Работа выполнена в заочной аспирантуре Института физики Земли РАН, и в 4-м отделе Центра ГЕОН Министерства природных ресурсов.

Автор признателен научному руководителю академику

B. Н.Страхову за постановку для диссертационной работы актуальных задач современной геофизики и помощь в работе над ними, за постоянное внимание и поддержку во время учебы в аспирантуре и при завершении работы над диссертацией. Особую благодарность автор выражает Генеральному директору Центра ГЕОН Л.Н.Солодилову за предоставленную возможность работать над уникальными материалами по сверхдлинным сейсмическим профилям, за поддержку и помощь в обработке этих данных, а также ведущим специалистам ГЕОНа В.И.Шарову, А.В.Егоркину и

C.Л.Костюченко за конструктивную критику и обсуждение работы, за постоянное внимание и поддержку.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Настоящая работа посвящена результатам обработки данных по трем сверхдлинным профилям (рис. 1): Мурманск-Кызыл ("Кварц"), Ямал-Кяхта ("Рифт") и частично Диксон-Хилок ("Метеорит"). Глубинное сейсмическое зондирование по этим профилям было выполнено Центром ГЕОН согласно плана Министерства геологии СССР по созданию на территории СССР сети региональных сейсмических профилей. Обработка материалов по химическим взрывам выполнялась регулярно после завершения полевых экспериментов (Л.Н.Солодилов, 1988, АВ.Егоркин, 1980, 1991, 1999). Материалы по ядерным взрывам интерпретировались независимо от данных химических взрывов с большим отрывом во времени и разными исследователями. (А.В.Егоркин, 1980, 1999, Н.И.Павленкова, 1981, 1995, J.Mechie et al., 1993,1997, K.Priestly étal, 1994). Проблемы геодинамики требовали более детальной и совместной обработки всех данных, как по химическим, так и по ядерным взрывам, на единой методической основе. Эта задача и была поставлена перед настоящими исследованиями.

Исследования ГСЗ были начаты в изучаемом регионе Ленинградским горным институтом (И.В.Лшвиненко, 1968). Это были работы на Балтийском щите по методике непрерывного профилирования с расстоянием между сейсмоприемниками в 100 м. В Сибири непрерывные наблюдения были невозможны из-за трудной доступности территории и глубинные сейсмические исследования

СТ)

«а

Рис. 1 Схема расположения профилей ГЕОНа, отработанных с ядерными взрывами и ратсматнивае.чых в отчете. Ядерные взрывы: R1.R2.R3 на профиле РИФТ, М1,М2,МЗ,М4 на профиле МЕТЕОРИТ, С1,С2,СЗ на профиле КРАТОН, К1.К2, КЗ на профиле КИМБЕРЛИТ. Впадиньг'ро- Пур-Гыданская, Т - дрерняя часть Тунгусской, ЬА - Нижне-Ангарская, А/Вилюйска '---1- 1 - Высокоскоростные блоки мантии. 2- кратоны, 3- впадины

начались по специальной методике дифференциального зондирования, разработанной Новосибирской школой геофизиков (Н.Н.Пузырев, С.В.Крылов, В.Д.Суворов и др.). Эта методика позволила охватить глубинными исследованиями трудно доступные регионы Сибири и определить общие черты структуры земной коры. Следующим важным этапом глубинных сейсмических исследований этого региона явились работы Центра ГЕОН по созданию на территории СССР сети опорных сейсмических профилей. Эти профили позволили изучить строение земной коры всех основных геоструктур России и явились основой крупных структурных обобщений: выполненных во ВНИИГеофизика (Ю.К.Щукин) и в Центре ГЕОН (С.Л.Костюченко). Отличительной особеностью профилей ГЕОНа было также использование в качестве источника не только химических, но и мирных ядерных взрывов. Они выполнялись на ряде профилей (по 2-4 взрыва на профиль с расстоянием между ними в среднем 1000 км) и позволили получить записи до удалений 3000 км (максимальная длина профилей).

Глава I. Характеристика экспериментального материала по химическим взрывам и типы волновых полей.

На рассматриваемых профилях были созданы системы наблюдений со встречными и нагоняющими годографами и с регистрацией всего волнового поля. Использовались 3-х компонентные автономные станции "Тайга" с частотным диапазоном от 1 до 20 Гц. Они выставлялись на профилях с помощью вертолетов через каждые 10 км и работали в автономном режиме в течение семи-восьми дней. За этот период выполнялись до 50 взрывов (до 5 тонн тротила из группы скважин), располагавшихся вдоль профиля в среднем через 60-100 км. Регистрировались одновременно землетрясения и случайные промышленные взрывы. Такая методика полевого эксперимента позволила регистрировать волны разного типа - продольные и поперечные, а также обменные волны. Поэтому эта методика была названа многоволновой сейсмикой (А.В.Егоркин и др.).

В последнее десятилетие большая часть записей Центра ГЕОН была оцифрована и по ним были построены монтажи сейсмограмм. На этих мо!пажах обычно выделяется ряд опорных волн: Рбс! - преломленные в осадочном чехле, Р§ - преломленные на поверхности фундамента, в верхней и в средней коре, РшР - отраженные от границы Мохо, и Ра -преломленные волны в верхах мантии. Наиболее выразительны

отражения от границы М, представленные многофазной группой, которую иногда можно разделить на отдельные волны. Характерные времена регистрации этих волн при скорости редукции 8.0 км/с - 7-8 сек. Волны от мантии отличаются значительной изменчивостью кажущихся скоростей: от 7.9 до 8.6 км/с.

Глава П. Методика построения скоростных моделей. При обработке данных глубинного сейсмического зондирования используются различные подходы и методические приемы. Как правило это - многоэтапный процесс со многими обратными связями, основным результатом которого является скоростная модель среды. В этом процессе можно выделить следующие главные этапы:

- обработка экспериментальных записей на основе различных видов фильтрации с целью выделения полезных волн на фоне помех, составление монтажей сейсмограмм;

- анализ волновых полей, корреляция рехулярных волн, определение их природы;

- построение скоростных моделей;

- геолого-геофизическое истолкование полученных данных. Первый этап в настоящее время наиболее полно разработан в

ГЕОНе под руководством А.В.Егоркина. Здесь широко применяются различные методы машинной обработки записей, призванные улучшить выделение регулярных волн на фоне помех. В основном проводилась скоростная фильтрация. Она заключается в суммировании сейсмограмм по годографам преломленных или отраженных волн с разными кажущимися или эффективными скоростями. В результате скоростной фильтрации обычно выделялось большое число внутрикоровых отражений и по ним строились детальные сейсмические разрезы.

Однако, в данном случае при расстоянии между станциями в 10 км есть основание предположить, что в результате скоростной фильтрации могут быть получены ложные оси синфазности и соответственно выделены мало обоснованные детали разреза. В связи с этим автором была проведена переинтерпретация первичных материалов без применения скоростной фильтрации, то есть основанная на волнах, выделенных визуально на монтажах сейсмограмм.

Начиналась интерпретация с анализа волновой картины, то есть выделения регулярных волн, определения их природы, и на этой

основе выбора интерпретационной модели. Для этого использовались различные приемы двумерного анализа наблюденных годографов (в зависимости не только от расстояния до источника, но и вдоль профиля наблюдений): метод специальных полей времен (Н.Н.Пузырев ,С.В.Крылов и др.) и метод редуцированных годографов (Н.И.Павленкова). Последний основан на преобразовании ветвей наблюденных годографов преломленных волн и закритических отражений в линии ^ для серии скоростных уровней путем редуцирования этих годографов с соответствующей скоростью редукции и приведения их к середине между приемником и источником. Редуцирование и трансформирование наблюденных годографов позволяет определить главные особенности интерпретационной модели, рельеф основных границ, выяснить природу волн и оценить информативность экспериментального материала.

Основным методом построения разреза был метод математического моделирования или метод подбора. Подбор осуществляется путем многократного решения прямой задачи, то есть путем расчета сейсмических лучей и годографов для каждого варианта модели, сопоставления их с наблюденными, и внесения в разрез изменений в случае их расхождения. Для этого использовалась программа И.Пшенчика 5830 (Сегуепу & а!., 1977). Она позволяет обеспечивать расчет двумерных моделей любой сложности (в рамках поставленных задач), проста в эксплуатации и может быть использована практически на любом персональном компьютере.

Главной трудностью на этапе подбора модели является неоднозначность возможных построений. Последняя может быть связана с так называемой классической неоднозначностью, когда по заданной волновой картине невозможно получить единственное решение, и с неопределенностью построений в связи с недостатком систем наблюдений. Проблема неоднозначности построений при глубинном сейсмическом зондировании практически не изучена, и поэтому автором были проведены специальные исследования в этом направлении.

Глава Ш. Оценка неоднозначности и достоверности структурных построений.

С классической неоднозначностью в ГСЗ сталкиваются обычно при определении зон пониженных скоростей и "выпадающих" слоев

(когда волны от этих слоев не выходят в первые вступления). В данном случае такими слоями были низкоскоростные слои в коре Восточно-Европейской платформы и Сибирского кратона и "выпадающий" слой в нижней части коры.

Зоны инверсии создают характерные особенности волнового поля, по которым и определяются параметры этой зоны: величина инверсии скорости ДУ и мощность зоны ДZ. Главным признаком зоны инверсии скоростей является закономерное затухание первых волн на одних и тех же расстояниях от источника, то есть образование "зоны тени" по нескольким встречным и нагоняющим годографам. Это происходит, когда луч рефрагированной волны проникает в зону инверсии и отклоняется внутрь этой зоны, а не к дневной поверхности. Те лучи, которые преломятся в слое под зоной инверсии, выходят на поверхность наблюдений с временным отрывом А1 относительно первых волн. Величина А! зависит от мощности зоны инверсии Дг и ее выраженности в скоростях ДУ. На Балтийском щите и на Сибирской платформе затухание первых волн происходит на расстоянии около 100 км от источника, Д1 равно около полсекунды.

Математическое моделирование показало, что для такого поля можно получить серию моделей, различающихся структурой зон инверсии. Это - классическая неоднозначность для рефрагированных волн. Но для условий земной коры она сохраняется и для закригических отражений, которые на больших удалениях от источника практически сливаются с рефрагированными волнами.

Неопределенной оказывается и глубина залегания зоны инверсии, так как положение ее кровли зависит от другого рода неоднозначности: варьируя вертикальный градиент скорости выше этой зоны и ее глубину можно добиться обрыва годографа первых волн (появление зоны тени) на одних и тех же удалениях от источника для разных моделей.

Существенной неоднозначностью отличалось и определение скоростей в нижней "выпадающей" части коры. Для того, чтобы определить диапазон скоростей в нижней коре обычно используются волны, отраженные от границы М. Однако, длины годографов волн РтР чаще всего не хватает для надежного определения ассимпготической скорости, и следовательно, скорости в низах коры.

При подборе двумерной модели ситуация усугубляется. Чаще всего это связано с недостаточностью систем наблюдений. Качество экспериментального материала определяет степень надежности корреляции регулярных волн и выделения слабых колебаний на фоне помех. Последнее зависит, главным образом, от расстояний между сейсмоприемниками и между источниками. Системы наблюдений призваны также обеспечить надежность определения природы волн и многократность перекрытий изучаемой области среды сейсмическими лучами по разным направлениям.

Однако, как показало математическое моделирование, достоверность построений зависит во многом и от характера экспериментальных волновых полей: числа регулярных волн, их типа, протяженности их годографов и степени коррелируемое™ временных аномалий. Наиболее достоверные определения глубин до сейсмических границ возможны по отраженным волнам с длинными годографами, а пластовых скоростей - по протяженным ветвям преломленных волн. Последнее означает, что при плотных наблюдениях может быть получена слабая достоверность построенний, если зарегистрировано мало отражений или если годографы непротяженные. Кроме того, чем больше волн разного класса зарегистрировано, тем меньше возможности выбора разных интерпретационных моделей и тем меньше неоднозначность построений.

На практике, как правило, возможны несколько вариантов моделей. В таких случаях важным оказывается принцип выбора результативной модели по критерию ее простоты, когда го всех возможных решений оптимальной считается простейшая модель с одинаковой полнотой объясняющая наблюдаемое волновое поле по сравнению с другими более сложными моделями. Простота модели определяется числом сейсмических границ изрезанностью их рельефа, степенью изменчивости скоростей по горизонтали.

Учитывая множество факторов, влияющих на окончательные построения, наиболее объективной оценкой их достоверности является сопоставление сейсмических разрезов, построенных по одному и тому же материалу на основе разных вариантов корреляции волн, разных предположениях о типе моделей и типах волн.

Глава IV Структура земной коры

1. Профиль "Кварц".

На обработанной части профиля "Кварц" (Мурманск- Ханты-Мансийск) отмечено три типа волновой картины и соответственно три типа земной коры (рис. 2). Первый тип наблюдается на ВосточноЕвропейской платформе. Помимо волн от осадочного чехла здесь в первых вступлениях можно выделить три основные ветви годографов со скоростями 6.0-6.4, 6.5-6.7 и 6.8-7.2 км/с, которым соответствуют ветви отраженных волн во вторых вступлениях К1 и К2. Соответственно выделяются три основные слоя в коре. Между первой и второй ветвями коровых волн часто наблюдается зона тени и смещение времен прихода волн К1, которое можно связывать с наличием слоя с пониженной скоростью над этой границей. Третья ветвь в первых вступлениях не всегда отчетлива, то есть нижний слой коры часто является "выпадающим".

Несколько другое волновое поле наблюдается в пределах Печорской плиты. Отличительной его особенностью являются малые скорости коровых волн: 5.9-6.2 в верхнем слое, 6.3-6.4 км/с во втором, и отсутствие третьего высокоскоростного слоя. Это -аномальная кора для территории России, где нижний этаж со скоростями 6.8-7.2 км/с существует под всеми разными по возрасту платформами. Кора Тимано-Печорского региона двуслойна и сходна по своей структуре с корой Западной Европы. Сходство проявляется и в том, что под Тиманским кряжем не наблюдается корней гор по границе М, как и под горными сооружениями в Западной Европе. Своеобразные корни гор наблюдаются под Тиманом лишь по границе К1: прогиб по этой границе уравновешивает подъем фундамента в районе кряжа.

Третий тип поля характерен для Западно-Сибирской плиты. Как и на Печорской гаште, здесь большую часть первых вступлений занимают волны от осадочного чехла, но скорости в фундаменте высокие, как на Русской плаформе - 6.2 км/с. Внутри коры надежно прослеживается одно внутрикоровое отражение с кажущимися скоростями около 6.6 км/с.

Наиболее сложное строение наблюдается в зонах сочленения перечисленных геоструктур. На границе с Тиманом выделено внедрение в кору мантийного материала. Скорости в средней коре вокруг этого тела также повышены (до 7.0 км/с). Очевидно, не случайно такая аномальная кора наблюдается в зоне сочленения

Русская платформа

800 1000

Тимано-Печорская плита 1200 1400

Урал Западно-Сибирская плита

1600 1800 2000 км.

Рис. 2 Сейсмический разрез земной корь, и верхней мантии по профилю "Кварц". 1 - осадочный

консолидированной коры со скоростями: 2 - 5.8-6.4 км/с, 3 - 6.4-6 7 км/с 4 - 6 8-7 =5 км Л. ч

_ ' ' ^ и. I «.м/с, ч о.о-1.0 км/с, Ь - мантия со скоростями более 8.0

км/с, 6 - отражающие границы, 7 - глубинные разломы. Густота

штриховки пропорциональна скоростям.

Восточно-Европейской платформы и Тимано-Печорской плиты. Она характеризует эту зону, как широкую область, в которой происходила интенсивная переработка коры мантийным материалом.

Район Урала четко очерчивается на разрезе прогибом границы М до 50 км. Несмотря на то, что записи волн от Мохо здесь невыразительны, удалось достаточно надежно доказать наличие этого прогиба. Непосредственно под горами эта граница не прослежена, очевидно, она разрушена в орогенную фазу развития региона. 2. Профиль "Рифт ".

На профиле "Рифт" выделено четыре типа волновых полей (рис.3). Первый характерен для Пур-Гыданской впадины. Волновое поле отличается здесь низкими скоростями в осадках (от 2.7 до 5.3 км/с) и наибольшим значением ^ для волн от фундамента (5 сек при скорости редукции 8.0 км/с). Это соответствует глубине фундамента около 15 км. Под впадиной наблюдаются высокие скорости как в средней, так и в нижней коре. Преломленные волны со скоростями более 7 км/с хорошо прослеживаются здесь в первых вступлениях и коровый слой с такой пластовой скоростью имеет здесь толщину в 20 км, что почти в два раза больше, чем в других частях профиля.

Наиболее сложное строение установлено в области перехода от Пур-Гыданской впадины к Енисейскому блоку. Мощность осадков уменьшается здесь с 15 км практически до нуля. На границе впадины выявлена существенная неоднородность по поверхности фундамента. Здесь четко оконтурен блок с аномально высокой скоростью (до 7.2 км/с). Севернее располагается относительно низкоскоростной блок (6.4 км/с). К последнему приурочено поднятие границы М. Это позволяет предположить наличие здесь древней рифтовой зоны с типичными чертами: грабен по поверхности фундамента, относительная приподнятость Мохо и высокоскоростная интрузия в коре по северной границе грабена.

Другой тип коры наблюдается в районе Енисейкого блока. Здесь получены в целом слабые записи полезных волн, часто среди них трудно выделить даже отражения от границы М. Характерной особенностью водны является наличие зоны тени на 60-90 км от источника и значительное смещение первых вступлений после зоны тени (на 1.5 сек). Кажущиеся скорости до и после зоны тени составляют 6.0-6.3 км/с.

Характерной особенностью волновой картины Сибирского кратона являются высокие скорости Рбс1 волн - примерно 6 км/с. Они связаны

: Пур-Гыдавская впадина500 Енисейский блок 1000 Тунгусский блок 1500 ИиЖа'пе^'1"рСКаЯ 2000

Байкал 2500,

СЛ

100

200

300

_ J~~_.~-_~_.~_~V- Рис. 3 Сейсмический разрез по 8.5профилю "Рифт" (вертикальный 8.4- — масштаб меняется на глубине 60 км)

Условные обозначения на рис. 2

с плато-базальтами и известняками. Однако, как следует из разницы времен прихода между Рв(1 и Р§ волнами, эти высокоскоростные слои подстилаются осадками с более низкими скоростями. Скорости в фундаменте выше, чем в районе Енисейского кряжа (6.2-6.4 км/с), но ниже, чем в Пур-Гыданской впадине.

В целом, структура земной коры в пределах Сибирского кратона не сильно варьирует. Ее мощность практически постоянна и составляет 40-43 км. Однако существует очевидное различие в строении северной и южной частей кратона. В северной части по окраине древнего прогиба Тунгусской впадины скорости в коре несколько выше, чем на остальной площади кратона Особенно это относится к верхам коры. Земная кора южной части Сибирского кратона имеет несколько другие сейсмические характеристики. Здесь практически отсутствует осадочный чехол и скорость волны Р§ плавно увеличивается с расстоянием от пункта взрыва с 6.0 до 6.3 км/с без заметных зон тени и разрывов во времени. Отражения от Мохо являются довольно интенсивными и их запись имеет большую протяженность (до 250 км). Этим волновое поле Сибирского кратона сходно с полями Печорской плиты. Большой интервал регистрации отраженных от границы М волн предполагает наличие в коре низкого градиента скорости. Кажущаяся скорость волн РшР, записанных на больших удалениях и характеризующих среднюю и нижнюю часть коры, составляет здесь лишь 6.5 км/с. Волна Рп в этом районе также прослеживается до значительных удалений и имеет высокую скорость (до 8.5 км/с).

Граница между двумя блоками коры Сибирского кратона проходит по Нижне-Ангарской впадине. Здесь поверхность фундамента прогибается до глубины более 10-12 км и характеризуется относительно низкими скоростями - 6.0-6.1км/с. Это гораздо ниже, чем в в других частях кратона и, особенно, в Пур-Гыданской впадине. Относительно низкими скоростями отличается и средняя часть коры впадины: все коровые границы прогибаются под ней. Можно предположить, что эта впадина является унаследованной по отношению к еще более древнему прогибу, существовавшему в протерозое. Наклон отдельных площадок и изолиний позволяет даже предположить, что этот прогиб ограничен глубинными разломами.

Сложное строение имеет здесь и переходная зона от коры к мантии. Непосредственно под границей М прослеживается горизонт с аномально высокой скоростью, 8.5-8.6 км/с. Он практически

сливается с этой границей на юге кратона, но достаточно резко погружается под Нижне-Ангарской впадиной. На северной границе впадины аномально высокие скорости снова подходят к границе М.

Сопоставление авторских вариантов разрезов земной коры по профилям "Кварц" и "Рифт" с разрезами, построенными ранее А.В.Егоркиным на основе скоростной фильтрации сейсмограмм, показало, что в целом, главные черты структуры коры совпадают на обоих вариантах, но авторские построения существенно проще, так как они основаны только на тех волнах, которые видны на первичных записях. Однако, существуют и расхождения. Наиболее существенная разница в глубинах до границы М наблюдается в зоне перехода от Восточно-Европейской платформы к Тиману. На авторском разрезе нет подъема границы М до глубины в 30 км, а в коре существует тело с мантийными скоростями, отделенное от мантии зоной инверсии скоростей. Различаются разрезы глубиной и мощностью зон пониженных скоростей в коре и величинами скоростей в ее низах. На авторских разрезах оконтурены и некоторые новые детали, например, наклонные площадки в коре, оконтуривающие Нижне-Ангарскую впадину и предполагающие наличие под ней более древнего прогиба. Более детально изображена на авторском разрезе и структура верхов мантии. Показано, что аномально высокие скорости (более 8.4 км/с) не всегда относятся к границе М, а залегают глубже, образуя не вертикальные блоки, а наклонные на север внутримантийные границы.

Сопоставление такого рода разрезов дает возможность оценить достоверность отдельных структурных элементов земной коры, выделить среди них те, которые получаются при любой обработке и на них базироваться при геологической интерпретации полученных результатов. С этой точки зрения построение весьма схематических разрезов по опорным волнам всегда полезно параллельно с более детальными построениями, основанными на машинной обработке записей.

Глава V Характеристика экспериментального материала по ядерным взрывам и структура верхов мантии по региональным профилям.

Анализ волновых полей, зарегистрированных вдоль указанных профилей показывает, что волны, записанные на удалениях 200-2000 км, четко делятся на несколько групп, соответствующих опорным

границам в верхней мантии. Первая го них - волна Рп записана на удалениях 200-800 км (глубина проникновения волн составляет 50-80 км). Ее интенсивность достаточно резко уменьшается с расстоянием от источника, кажущиеся скорости изменяются в широком диапазоне от 8.0 км/с до 8.6 км/с.

Следующая группа волн PN регистрируется в первых вступлениях на удалениях 800-1600 км с доминирующими кажущимися скоростями 8.4-8.6 км/с. Эти волны часто следятся и в последующих вступлениях с удалений около 400 км. Они интерпретируется как отраженные от границ на глубине от 70 до 100 км. Их интенсивность практически не уменьшается с расстоянием, указывая на наличие на этих глубинах слоя с достаточно высоким вертикальным градиентом скорости.

Третья группа волн Pl записана в первых и вторых вступлениях на удалениях от 1200 до 2000 км. Наибольшую амплитуду они имеют на профиле "Рифт". Соответствующие им границы залегают на глубине 230-330 км. Области регистрации и кажущиеся скорости отмеченных групп волн меняются вдоль профилей, отражая горизонтальную неоднородность верхней мантии.

Профиль "Кварц". Наиболее яркой особенностью волновой картины на этом профиле является незначительная амплитуда волны Рп и регистрация вслед за ней двух высокоамплшудных волн группы N. На некоторых записях волна Рп вообще не выделяется и следующие за ней волны выглядят как первые вступления. Кажущиеся скорости этих отражений очень высокие - до 8.8 км/с. Форма годографов волн этой группы с закономерным уменьшением кажущихся скоростей при удалении от источника дает основание считать их отраженными и строить по ним резкие сейсмические границы. Граница N на профиле "Кварц" имеет достаточно сложный рельеф (рис.2): она залегает неглубоко в районе ВосточноЕвропейской платфрмы, прогибается под Печорской плитой, снова поднимается под Уралом и погружается под Западно-Сибирской плитой. Как видно из рисунка 2 эта граница в районе Урала является зеркальным отображением границы М.

Двумерные модели верхней мантии, построенные для профиля "Кварц" ранее, свидетельствовали о резкой горизонтальной неоднородности самых верхов мантии (Егоркин A.B., 1980, Mechie et al, 1993,1997). Непосредственно под границей М под Уралом были показаны блоки со скоростями от 7.8 до 8.7 км/с , а граница N вовсе

не выделялась. По нашим данным гризонтальная изменчивость скоростей в верхах мантии оказалась не столь значительной, самые низкие скорости наблюдаются под Тиманской плитой (8.0 км/с) и относительно высокие (8.4 км/с) - под Уралом. Полученная разница объясняется более полным использованием особенностей волновой картины (волн группы Рп и Ры) при совместной обработке данных химических и ядерных взрывов.

Профиль "Рифт ". Отличительной особенностью волновой картины на этом профиле является существенное различие параметров нагоняющих и встречных годографов (кажущихся скоростей, времен прихода, амплитуд колебаний) основных волн. Из ПВ волна Рн с небольшим отрывом выходит в первые вступления на удалении от источника 1000км, не изменяя существенно интенсивность записи. Волна Рь напротив, отличается большой амплитудой и записывается во вторых вступлениях со значительным сдвигом во времени относительно первых волн. Из ПВ 112 волна Рп резко затухает на удалении от источника в 600 км и затем с большим временным разрывом и с высокой кажущейся скоростью в первые вступления выходит волна Рц. Отмеченные разрывы во временах первых волн из ПВ ИЛ и 112 наблюдаются на одних и тех же пикетах профиля, в районе ПК 1500 (рис. 3), здесь времена вступлений из ПВ Ы1 и И2 увеличиваются, а затем для обеих волн и Рь характерны высокие кажущиеся скорости (более 8.7 км/с). То-есть изменения волновой картины происходит здесь за счет горизонтальной, а не вертикальной неоднородности верхней мантии.

В пределах кратона выявлены два блока, протяженностью порядка 500 км с аномально высокими скоростями (8.4-8.6 км/с). Один го них находится в районе Тунгусской впадины (Тунгусский блок), а другой в южной части кратона вблизи Байкалького рифта (Прибайкальский блок). Границы между высокоскоростным и низкоскоростным блоками являются наклонными. Наиболее сложное строение верхов мантии отмечено под Нижне-Ангарской впадиной. Здесь наблюдаются ряд локальных неоднородностей как в коре, так и в верхах мантии: погружение отражающих горизонтов вглубь коры в северном направлении, изменение скоростей в верхней мантии и погружение мантийных отражающих границ также в северном направлении. Такие структурные особенности могут соответствовать древней разломной зоне с пододвиганием южного блока под северный.

Отмеченная скоростная неоднородность характерна для верхней мантии до глубин 100 км. Ниже наблюдается субгоризонтальная расслоенность. На глубине 100 км выявлена зона инверсии скоростей. Отражающая граница Ы, подстилающая этот слой, генерирует интенсивные отраженные и преломленные волны. Скорости ниже этой границы составляют 8.4-8.5 км/с.

Границы группы Ь прослеживаются на глубине 230 и 300-350 км. Как отмечалось, волны от этих границ образуют многофазовую группу очень большой интенсивности из ПВ Ш, но из встречного пункта их трудно выделить на общем фоне некоррелируемых колебаний. Возможно, это объясняется наклоном этих границ на север.

Профиль "Метеорит" пересекает Сибирскую платформу так же, как и "Рифт" с севера на юг, на севере он характеризует Енисей-Хатангскнй прогиб. На этом профиле были получены слабые записи по обычным взрывам, и структура земной коры была изучена схематично только по четырем ядерным взрывам. Встречные годографы по этим взрывам однозначно определяют существенную горизонтальную неоднородность верхов мантии непосредственно под границей М. Наблюдаемое изменение кажущихся скоростей соответствует модели верхней мантии, состоящей из нескольких блоков. Низкоскоростной блок (скорость на границе М не более 8.0 км/с) соответствует району Байкальского рифта. Высокоскоростные блоки (скорость - 8.5 км/с) соответствуют выделенному по профилю "Рифт" Прибайкальскому и Тунгусскому блокам Сибирской платформы. В центре Сибирского кратона, так же как и на профиле "Рифт", оконтурен низкоскоростной блок. Граница М и кровля высокоскоростной мантии прогибается в этом блоке. В районе Енисей-Хатангского прогиба скорости волн Рп в среднем составляют 8.2 км/с.

На глубине 80-100 км выделен слой с пониженной скоростью, с которым связано затухание первых волн на удалении порядка 700 км, но ярких отражений от его подошвы, границы 14, здесь не получено.

Глава VI. Общие особенности структуры верхней мантии, природа скоростных неоднородностей.

Приведенный выше материал свидетельствует о том, что верхняя мантия существенно расслоена по вертикали. Эта расслоенность

проявляется в знакопереvrcmtoм изменении скорости с глубиной и в наличии нескольких достаточно протяженных границ.

По полученным разрезам (рис. 2,3) видно, что наиболее устойчивой границей в верхах мантии является граница N. Она создает интенсивные отраженные и преломленные волны. Очень часто эта граница подстилает зоны пониженных скоростей. Граница N (характерная глубина залегания (80- 100 км) прослежена во многих других регионах (Павленкова, 1995, Thybo and Percuc,1997), что позволяет отнести ее к разряду глобальных границ.

Что касается границы L, то по описанным выше материалам, она не является достаточно устойчивым горизонтом. Четкие отражения на свойственной ей глубине (230-300 км) обнаружены лишь в центральной части профиля "Рифт", в явно аномальной по структуре зоне. Даже на соседнем профиле "Метеорит" границы группы L не выделяются.

Существенно неоднородна верхняя мантия и по горизонтали, особенно между границами М и N. Эта неоднородность чаще всего хорошо коррелируется с современным тепловым режимом и с историей развития главных тектонических структур. Так, молодая Западно-Сибирская плита, рифтовые образования Байкальской зоны и Енисей-Хатангского прогиба отмечаются пониженными сейсмическими скоростями, Сибирская древняя платформа -повышенными. Однако, неожиданной оказалась внутренняя неоднородность Сибирской платформы, где отмечается чередование высокоскоростных и низкоекоростных блоков, не поддающееся какой-либо связи с тектоникой платформы (рис. 3). Скорости сейсмических волн достигают здесь величины 8.5 км/с.

Данные по профилям "Рифт" и "Метеорит" вместе с данными по профилям "Кратон" и "Кимберлит" позволили пространственно оконтурить области аномально высоких скоростей (рис. 1). В практике работ ГСЗ величины скоростей в верхах мантии 8.4-8.8 км/сек не являются редкостью. Их природе посвящено много работ (Д.В.Суворов, А.В.Егоркин, С.Л.Костюченко, K.Fucks), но до сих пор эта проблема не нашла своего разрешения. По данным лабораторных исследований отмеченные высокие скорости были определены только в анизотропных породах. Особенно высокой анизотропией отличаются кристаллы оливина и породы, в которых наблюдается преобладающая ориентировка этого минерала. Для изотропных мантийных пород типичны скорости Р-волн не более 8.4 км/с

(Воларович и др., С.В.Соболев и А.Ю.Бабейко, Sobolev & Fucks, 1993). Такие же величины получены для ультраосновных пород и по данным петрохимического анализа. Поэтому наиболее вероятным объяснением аномально высоких скоростей в верхах мантии считается анизотропия скоростей.

По сейсмическим данным анизотропия скоростей в верхах мантии Евразии была действительно выявлена в ряде регионов. Наиболее детальные работы в этом плане выполнены в Западной Европе, где создана специальная система наблюдений на серии пересекающихся профилей ГСЗ. По нашим данным трудно доказать наличие анизотропии скоростей в мантии Сибирской платформы. Значительной азимутальной анизотропии не наблюдается, так как высокие скорости, например, в Тунгусском блоке были выявлены по двум разным направлениям по профилю "Кимберлит" и "Метеорит" (рис. 1). Кроме того, полученного материала недостаточно для определения анизотропии скоростей. Если сделать выборку тех пунктов взрыва, которые располагаются непосредственно в области пересечения профилей в пределах Сибирского кратона, то оказывается, что закономерного различия во временах прихода волн Рп и Р» не наблюдается. Кроме того, анализ имеющихся материалов показал, что из всех пунктов взрыва нет ни одной пары, для которой волны Рп имели бы одну и ту же область распространения ее лучей.

Однако, речь может идти о другого рода анизотропии, когда скорость в любом направлении по горизонтали выше, чем по вертикали. Прямых доказательств такого рода анизотропии пока тоже не получено. Для этого нужны специальные исследования с комбинированием вертикальных и горизонтальных сейсмических лучей или с изучением волн разной поляризации. Лишь некоторые косвенные данные свидетельствуют в пользу подобной анизотропии. К ним относится, например, данные по сопоставлению выявленных высокоскоростных блоков с гравитационным полем. Как правило, они никак не выражены в этом поле.

Заключение

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы методического и результативного плана.

Методические выводы касаются результатов математического моделирования по определению особенностей распространения сейсмических волн в слабоградиентных неоднородных средах,

содержащих слои с пониженной скоростью и высокоскоростные включения. К таким средам относится консолидированная часть земной коры и верхняя часть мантии. Показано, что в слабоградиентных средах на удалении от источника, в 5-7 раз превышающих глубину проникания сейсмического луча, важную роль в формировании первых вступлений играют закритические отраженные волны. Слои с пониженной скоростью и безградиентные слои формируют сходные поля преломленных волн и могут быть выявлены лишь при наличии отражений от подошвы этих слоев. При этом остается существенная неоднозначность в определении скоростной модели слоя.

Математическое моделирование показало также, что интерпретация материалов ГСЗ обладает существенной неоднозначностью, которая зависит не только от полноты систем наблюдений, но и от типа волнового поля и соответствующей интерпретационной модели. Наибольшая неоднозначность характерна для определения слоев с пониженной скоростью в средней коре и для построения скоростной модели нижней коры, являющейся чаще всего "выпадающим" слоем.

Приведенные выше данные о земной коре и верхней мантии крупных разновозрастных структур Евразии позволяют сделать некоторые общие выводы о закономерных связях поверхностных структур и глубинных неоднородностей.

1. Установлены определенные типы земной коры, которые можно сопоставить с типами тектонических структур. Главными параметрами, определяющими тип коры, являются мощность коры и мощность ее верхнего слоя со скоростями порядка 6.0-6.4 км/с (так называемого "гранито-гнейсового" слоя).

В пределах изученной территории выделены три типа континентальной коры и один промежуточный. Первый тип характеризуется максимальной толщиной коры - более 50 км., к нему относится Урал. Наиболее распространенной является второй тал с толщиной коры около 40-45 км и с примерно одинаковой мощностью ее трех слоев со скоростями продольных волн 5.8-6.4 км/с, 6.5-6.7 км/с и 6.8-7.2 км/с. Этот тип характерен для древних ВосточноЕвропейской и Сибирской платформ и для более молодой ЗападноСибирской плиты. Третий тип континентальной коры отличается от предыдущего сокращенной мощностью и малыми скоростями в коре, нижний слой иногда полностью отсутствует. Этот тип коры выявлен в районе Тимано-Печорской плиты.

Промежуточный тип коры, который часто называют "субокеаническим", установлен в Пур-Гыданской впадине. Мощность коры - 40 км, но большую ее часть занимает осадочный чехол (15 км), а консолидированная кора практически не содержит верхнего гранито-гнейсового слоя, она характеризуется скоростями 6.5-7.3 км/с.

3. Данные сейсмических профилей, отработанных Центром ГЕОН с применением ядерных взрывов, показали следующие особенности структуры верхней мантии.

- До глубины 100 км характерна блоковая структура верхней мантии с резким изменением скоростей по горизонтали и со слабым вертикальным градиентом скорости. Глубже расположен слой, относительно однородный по горизонтали, но с высоким градиентом скорости, в кровле его прослеживается отражающий горизонт N. Над границей N часто наблюдаются зоны инверсии скоростей.

- Горизонтальная неоднородность верхов мантии в целом коррелируете« с возрастом геоструктур и тепловым потоком. Но неоднородность верхней мантии Сибирского кратона является исключением из этого правила: два блока с аномально высокими скоростями (до 8.5 км/с) оконтурены в западной части Сибирского кратона: Тунгусский и Прибайкальский блоки. Их протяженность составляет 200-400 км. Аномально высокие скорости могут расцениваться как эффект анизотропии скоростей. Однако азимутальная анизотропия не была выявлена, высокие скорости прослеживаются на профилях в различных направлениях. Между выделенными блоками аномально высоких скоростей и наблюденными гравитационным, магнитным и тепловым полями не установлено какой-либо корреляции.

- Неоднородность верхней мантии до глубины в 100 км проявляется и в наличии наклонных отражающих горизонтов, связанных, возможно, с зонами глубинных разломов. Наиболее выразительны площадки, падающие от Русский плиты под Тиман и формирующие подъем высокоскоростной мантии под Уралом.

Публикации

1. Павленкова Г.А. Сейсмическая модель литосферы по профилю

"Рифт",// Разведка и охрана недр, 1998, Изд. Недра, с. 6-11.

2. Павленкова Г.А. Новые данные о структуре земной коры и

верхов мантии по профилю "Кварц"//Разведка и охрана недр, 2000, Изд. Недра, с. 11-15.

3. Павленкова Г.А., Солодилов Л.Н. Блоковая структура верхов

мантии Сибирской платформы// Физика Земли. 1997. №3.

4. Pavlenkova N.I., Pavlenkova G.A., Solodilov L.N. High velocities

in the uppermost mantle of the Siberian craton // Tectonophysics. 1996. 262. P.51-65.

5. Павленкова H.И., Павленкова Г.А. Структура земной коры и

верхов мантии Сибирского кратона, "Методы изучения, строение и мониторинг литосферы", Изд. СОРАН Новосибирск, 1998, с. 260-263.

6. Pavlenkova G.A., Solodilov L.N. 2-D model of the lithosphere

along "Rift" profile, Siberian craton. Annales Geophysicae, Supplément 1 to Volume 15, p.64. 22nd General Assemble of EGS April 1997, Vienna.

7. Страхов B.H., Павленкова l'.A. Определение уровня

погрешности во входных данных при решении линейных некорректных задач гравиметрии и магнитометрии. //Изв. АН СССР. Физика Земли, 1988, № 6, с.44-54.

8. Страхов В.Н., Павленкова Г.А. Алгоритмы определения

параметра S2 и автокорреляционной функции высокочастотной слабокоррелированной помехи для профильных данных. //Изв. АН СССР. Физика Земли, 1988, №10, с. 29-41.

9. Павленкова Г.А., Солодилов Л.Н. Неоднородность верхов

мантии Сибирского кратона по данным ГСЗ, Тезисы докладов Конференции программы EUROPROBE "Структура верхней мантии Земли по данным комплексных геолого-геофизических исследований", 16-20 апреля 1997, Структура верхней мантии Земли, М.: ГЕОС, 1997, с. 118.

10. Павленкова Г.А. Новые данные о структуре литосферы по профилям "Кварц" и "Рифт", Тезисы докладов международного совещания "50 лет ГСЗ: прошлое, настоящее и будущее", 19-22 мая, Москва., 1999, с. 35.

С. 11-20.