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.
Artemjev et al.,
Артемьев,
Artemyev and Golland,
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 7-8 км, 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.
Всемирный экономический кризис. Мнение Пола Кругмана и Джона Кокрейна
... годов. Публикация Кругмана «Почему экономическая наука бессильна» вызвала негодование у Чикагской школы, и в ответ на статью Кругмана Джон Кокрейн откликнулся очень резким эссе «Полу Кругману, переставшему быть экономистом». ... технике в ущерб глубинному пониманию экономических явлений. По существу, та же самая мысль является центральной и в эссе нобелевского лауреата Пола Кругмана. Вот его ответ: ...
Авчан, Озерская,
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.
Mooney et al.,
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
| Рис. 1 |
Lemoine et al.,
| Рис. 2 |
Artemjev et al.,
| Рис. 3 |
| Рис. 4 |
Суммарный гравитационный эффект осадочного чехла относительно горизонтально однородной референц модели показан на рис. 4. Основной эффект создается верхней наиболее легкой частью осадков, где он рассчитан относительно плотности 2,7 только для наиболее глубоких впадин (Южно-Каспийской, Черноморской и Прикаспийской), существенная часть суммарного эффекта обусловлена более глубокими корнями. В этих впадинах аномальное гравитационное поле осадков достигает — 145 мГал. В то же время, в районе Западно-Сибирского осадочного бассейна почти такой же эффект обусловлен верхней малоплотной частью осадочного чехла. Погрешность определения этого поля не превышает 15% для достаточно протяженных структур, размеры которых превышают первые сотни километров. Разумеется, некоторое количество локальных осадочных бассейнов осталось за рамками данной модели, однако их влияние легко выделяется из результирующих изостатических аномалий.
| Рис. 5 |
Другим важным параметром, рассчитываемым с учетом аномальной плотности осадочного чехла, является так называемый приведенный рельеф или приведенная топография. При расчете этого параметра вода и осадки численно уплотняются до нормальной плотности верхней части коры 2,67 г/см 3 . Топография является одним из основных параметров при многих построениях, например, при вычислении изостатических аномалий. Использование приведенной топографии является гораздо более оправданным для этих целей, так как она представляет однородную поверхностную нагрузку. Карта приведенной топографии для всей территории Северной Евразии показана на рис. 5.
| Рис. 6 |
Костюченко и др.,, Артемьев,
| Рис. 7 |
На рис. 7 показан график зависимости приведенного рельефа (t) и глубин до границы кора-мантия (M) для континентальной части Северной Евразии. Коэффициент корреляции этих параметров равен 0,77, а линейнай регрессия описывается уравнением M=5,9t+37,8 (км).
Принимая во внимание, что крупные блоки литосферы, для которых получено данное соотношение, должны быть изостатически уравновешены, можно определить среднюю разницу плотности консолидированной коры и верхней мантии. Эта разность должна составлять 0,45 г/см 3 , т.е. точно соответствует разности нижнего слоя консолидированной коры и подкорового слоя в референц модели. В то же время, существует больщой разброс точек, который свидетельствует о том, что для отдельных структур это соотношение нарушается.
| Рис. 8 |
На рис. 8 приводится карта распределения «нормальной» мощности коры, т.е. мощности, соответствующей нулевому значению приведенного рельефа, полученная путем расчета регрессии этих двух параметров в скользящем окне со средним радиусом 7 o . Этот параметр прямо связан со средней плотность мантии. Повышенные значения его соответствуют повышенной плотности литосферы, которая подобно якорю удерживает кору от всплытия и наоборот. Как будет видно в дальнейшем, распределение этого параметра полностью соответствует распределению региональной составляющей остаточного мантийного поля.
| Рис. 9 |
Вольвовский, Вольвовский,, Красовский,
| Рис. 10 |
| Рис. 11 |
На рис. 10 и 11 показан гравитационный эффект консолидированной коры, ключая вариации границы Мохо. В первом случае ее плотность считается постоянной и равной 2,84 г/см 3 . На следующей карте показано поле, которое было рассчитано с учетом вариаций плотности в консолидированной коре (рис. 11).
При этом «чистый» эффект вариаций плотности изменяется от — 125 до 160 мГал, причем его вариации не всегда коррелированы с вариациями плотности. Это объясняется разным положением границ консолидированной коры относительно границ референц модели. Сравнительно небольшая плотность может создавать существенный положительный эффект в случае, когда основная часть коры перекрывает верхнюю часть референц модели с плотностью 2,7. Этот случай характерен для океанических районов. Альтернативой являются погруженные участки консолидированной коры (как, например, в Прикаспийской низменности), когда ее высокая плотность скомпенсирована за счет высокой плотности референц модели на этих глубинах.
4. Остаточные (мантийные) аномалии гравитационного поля
| Рис. 12 |
Artemjev et al.,
| Рис. 13 |
нижней части консолидированной коры и верхней мантии. На рис. 13 показаны аномалии, из которых дополнительно устранен гравитационный эффект плотностных неоднородностей консолидированной коры, определенный в предыдущем разделе. Как видно из сопоставления рисунков 12 и 13, введение коровой коррекции позволяет существенно уменьшить амплитуду региональной части остаточных аномалий, хотя основные особенности пространственного распределения максимумов и минимумов аномалий остаются теми же.
| Рис. 14 |
| Рис. 15 |
Ekstr o m and Dzievonski,
Глубинное строение…,, Гравитационная модель…,
К ожидаемым результатам относятся интенсивные отрицательные мантийные аномалии вдоль восточной границы Евразии, связанные с окраинными морями. Максимальные амплитуды этих аномалий тяготеют к глубоководным впадинам. Тепловая природа этого разуплотнения не вызывает сомнений.
В центральной Азии обнаруживается две ярко выраженные зоны отрицательных остаточных аномалий. Одна из них расположена к юго-западу от Байкала, примерно в районе Хамар-Дабана. К сожалению, изученность этого района сейсмическими методами оставляет желать лучшего, поэтому говорить о точном пространственном положении выявленной аномалии пока невозможно. Тем не менее, имеются основания отнести эту область, как и несколько менее выраженную область отрицательных аномалий у северо-восточной оконечности Байкала, к «горячим» точкам [ Grachev, 1998]. Другая зона интенсивных отрицательных мантийных аномалий располагается в районе гор Каракорума и в особенности Кунь-Луня, лежащими на границе Таримского бассейна и Тибета. Для выяснения природы этих аномалий необходимо привлекать дополнительные данные, которые к сожалению пока отсутствуют.
5. Изостатические аномалии силы тяжести
Изостатические аномалии силы тяжести представляют разность между наблюденным гравитационным полем и полем, создаваемым изостатически скомпенсированной литосферой. В данном случае мы используем строгое определение изостазии, в соответствие с которым сумма аномальных масс в каждой литосферной колонке выше некоторого уровня, называемого уровнем изостатической компенсации, равна нулю. В дополнение к топографическому рельефу, аномальным массам осадочного чехла и вариациям границы Мохо вводятся плотностные неоднородности консолидированной коры и верхней мантии, которые в сумме дают изостатически уравновешенную литосферную колонку.
| Рис. 16 |
| Рис. 17 |
Изостатические аномалии гравитационного поля показаны на рис. 16. Из этих аномалий удален также региональный фон, показанный на рис. 17. Параметры разделения коротко- и длинноволновой составляющих поля изостатических аномалий выбраны на основании анализа спектра полного поля, показанного на рис. 18. Этот спектр имеет выраженный минимум на длинах волн 2000-2700 км.
| Рис. 18 |
Artemjev et al.,
Локальные изостатические аномалии (рис. 16) отображают влияние, в основном, трех факторов:
1. Нарушениями изостазии, так как при вычислении изостатических аномалий не принималась во внимание возможность упругой поддержки приповерхностной нагрузки.
2. Неучтенными плотностными неоднородностями осадочного чехла и фундамента.
3. Отклонениями реальной схемы изостатической компенсации от использованной при моделировании.
Влияние второго и третьего факторов было существенно редуцировано в настоящих расчетах, по крайней мере для крупных структур, за счет учета плотностных неоднородностей осадочного чехла и подбора эффективной модели компенсации. Таким образом, полученные в данной работе изостатические аномалии в гораздо большей степени отображают особенности геодинамических режимов, чем во многих предыдущих исследованиях.
Артемьев,
| Рис. 19 |
На основании полученных изостатических аномалий расчитаны максимальные значения модулей их горизонтальных градиентов (рис. 19).
Поле градиентов представляет собой достаточно сложную картину. В нем отчетливо видна суперпозиция градиентных зон различной интенсивности и ширины, что, очевидно, отображает сложную, иерархически организованную структуру земной коры Евразии. Для выявления межблоковых границ выделены значения горизонтальных градиентов изостатических аномалий, которые являются максимальными по отношению к двум соседним хотя бы в двух из четырех возможных направлений. Выделенные значения почти повсеместно объединяются в протяженные зоны, которые и должны соответствовать границам блоков.
Градиентные зоны изостатических аномалий оконтуривают преимущественно субвертикальные контакты пород различной аномальной плотности в теле коры. Естественно, что большинство глубинных разломов должно создавать такие контакты. Плановое положение зон в общем подтверждает такое предположение. Практически очевидно также, что в областях с активной тектоникой плотностные контакты могут быть более выраженными вследствие большого разнообразия пород, смещенных тектоническими движениями на разные глубинные уровни. В стабильных областях древние глубинные разломы скрыты осадками и разделяют обычно сильно денудированную поверхность фундамента, т.е. плотностные контрасты блоков коры могут быть не столь велики. Соответственно и градиентные зоны будут не столь интенсивны. Тектонические движения там также существенно спокойнее. Таким образом, можно предположить, что в активных областях выявляются разломные зоны более высокой интенсивности, а в стабильных выявляются или древние и мертвые, или малоактивные зоны разломов. Этот вывод подтверждается даже на примере Урала: несмотря на бытующее представлении о чрезвычайно высокоградиентном поле, связанном с контрастными плотностными неоднородностями в Магнитогорской зоне, реальные градиенты изостатических аномалий существенно меньше, чем в тектонически активных зонах.
Мы приходим к заключению, что выявленные нами градиентные зоны, являясь объективной реальностью, отображают крупные зоны тектонических нарушений. Ширина этих зон соответствует скорее всего достаточно протяженным зонам деформации коры, т.е. не отдельным, как правило, разломам, а зонам их концентрации — разломным зонам.
6. Заключение
Построена плотностная модель коры Северной Евразии и рассчитано ее гравитационное влияние. После удаления этого поля из наблюденного гравитационного поля, получены остаточные мантийные аномалии. Мантийные аномалии явно разделяются на две составляющие, которые отображают влияние различных факторов:
Ekstr o m and Dzievonski,
2. В отличие от региональной компоненты, локальная составляющая поля мантийных аномалий с длинами волн менее 2000-2500 км имеет ясную привязку к конкретным тектоническим структурам. Наиболее выраженные положительные аномалии с амплитудами превышающими 100 мГал характерны для некоторых структур в пределах Восточно-Европейской платформы (Балтийский щит, Воронежский массив) и Восточной Сибири (Тунгусская синеклиза).
К западу от линии Тессейра-Торнквиста четко прослеживается цепь отрицательных мантийных аномалий: Венгерская впадина — Рейнский Грабен — Центральный Французский массив. В центральной Азии наиболее ярко выраженная зона отрицательных мантийных аномалий расположена к юго-западу от Байкала, примерно в районе Хамар-Дабана. Можно предположить, что эти аномалии связаны с внедрением аномальной легкой мантии. Интенсивные отрицательные мантийные аномалии имеют место вдоль восточной границы Евразии, они связанны с окраинными морями.
Артемьев,
В заключение автор считает своим долгом выразить благодарность А. Ф. Грачеву за плодотворные дискуссии и помошь, благодаря которой стала возможной данная работа.
