Неоднородности верхней мантии и современная структура литосферы Центральной Сибири по данным сейсмографии на отраженных волнах

Краткое описание

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение... 4

ГЛАВА 1. Обзор информации по региону центральной

Сибири и методик получения данных о глубинном

строении Земли... 15

1.1. Тектонический обзор... 15

Массивы и складчатые пояса... 16

Осадочные бассейны... 18

1.2. Данные наблюдений... 20

Тепловой поток... 20

Толщина коры... 23

Структура литосферы центральной Азии по

Сейсмологическим данным... 24

1.3. Томографические методики... 26

Исторический обзор... 26

Сейсмотомографические подходы... 30

Томографические масштабы... 31

Томография на временах прихода... 34

Томографические данные... 34

Телесейсмические схемы... 36

Варианты параметризации... 40

Томографическая инверсия... 43

Место представляемой в диссертации методики в

мировой томографической технологии... 44

ГЛАВА 2. Сейсмотомографическая методика для определения

структуры недр «немых» регионов... 48

2.1. Постановка задачи... 48

Лучевая схема... 48

Допущения... 50

2.2. Отбор данных... 52

2.3. Временные невязки в изучаемой области... 56

Влияние мощности коры... 58

Латеральные неоднородности SS-S невязок Алтае-Саянского региона... 59

2.4. Алгоритм инверсии... 62

2.5. Тестирование методики...66

ГЛАВА 3. Сейсмическая структура верхней мантии

центральной Сибири и ее геодинамическая

интерпретация... 71

1) Западно-Сибирская плита...74

2) Сибирский кратон... 75

3) Алтай... 84

4) Хангай... 88

Заключение... 92

Литература...95
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Объектом данного исследования является современная тектоническая структура континентальной литосферы и верхов мантии региона центральной Сибири, простирающегося от берегов Карского моря до Восточного Казахстана и северных районов Китая и Монголии (Рис. 1, разбиение по модели микроплит Зоненшаина и Савостина, 1981).

Определение условий формирования литосферы континентов составляет одну из главных задач континентальной геодинамики. В настоящее время существует ряд моделей образования и эволюции континентальной литосферы, которые представляют процесс рождения новой литосферы либо как результат взаимодействия литосферных плит (субдукция, коллизия), либо воздействия на эти плиты глубинных мантийных процессов (плюмы, андеплетинг) (Зоненшаин, 1972; Boyd, 1978; Добрецов, 1990; Senger, 2000). По современным представлениям, в исследуемом регионе рост континентальной коры осуществлялся, главным образом, посредством последовательного причленения с юга террейнов, островных дуг, симаунтов и микроконтинентов литосферы к древнему докембрийскому кратону Сибирской платформы (Coleman, 1989; Добрецов и др., 1996). Принципиальным тектоническим событием, определившим основные черты строения региона, является эволюция Палеоазиатского океана, закрытие которого в позднем палеозое ознаменовало переход региона уже к тектонике континентальных областей. Сейчас создан ряд тектонических и геодинамических схем эволюции данного региона (Berzin, 2001; Tapponnier&Molnar, 1979; Zonenshain&Savostin, 1981 и др.), которые

45

80 E

90 E

100 E

110E

Рисунок 1. География исследуемого региона

базируются в основном на геологических, геохимических, изотопных и палеомагнитных данных, полученных при обработке результатов полевых работ на поверхности Земли. Вместе с тем, существенная доля информации о процессах и способах формирования литосферы содержится в ее глубинных частях, главным образом, в верхней мантии (Jordan, 1975; Hager and Richards, 1989; Spakman et al., 1993; De Jonge et al., 1993; Su et al., 1994), и вопрос выяснения природы этих процессов остается актуальным и в настоящее время.

Прямые методы, например бурение скважин (до 12 км), не позволяют пока проникнуть глубже земной коры, которая составляет менее 1 % радиуса Земли (6371 км). Таким образом, основная часть земных недр не может быть изучена прямым методом. Не прямые методы, основанные на геолого-геохимических данных, гравитационных и электромагнитных измерениях, данных о поверхностном тепловом потоке и вращении Земли, дают информацию только об имеющихся в самых верхних слоях (глубиной до 50 км) крупномасштабных структурах. Главным источником, поставляющим данные о глубинном строении недр, вот уже почти сто лет остается сейсмология. В последнее время интенсивное развитие получили методы, основанные на сейсмотомографическом подходе. Используя высокочастотные сейсмические данные, они достаточно чувствительны к неоднородностям от нескольких десятков километров в верхней мантии до нескольких сотен километров в нижней мантии вплоть до 3000 км.

Метод сейсмической томографии был адаптирован из 3D технологии для исследования внутреннего строения человеческого тела, так называемой компьютерной томографии в медицине. Подобные

технологии в настоящее время применяются в широком диапазоне наук, таких как метеорология (Fehmers, 1996), океанография (Send et al., 1997), астрономия (Bennet et al., 1997) и гелеосейсмология (Duvall et al., 1996), для моделирования областей атмосферы, океанов, галактик и внутреннего строения Солнца соответственно. В науках о Земле есть несколько различных типов томографии, которые отмечены в Главе 1.

Кинематическая сейсмотомография использует времена пробега сейсмических волн для обнаружения 3D структур в земных недрах, которые проявляются в виде вариаций сейсмических скоростей. Эти скорости (Р- и S- скорости) зависят от температуры, вещественного состава и давления через модуль упругости и плотность. Поэтому информация о скоростной структуре мантии позволяет выполнять геодинамическую интерпретацию сейсмических аномалий, уменьшая неоднозначность в моделях формирования и эволюции литосферы континентов. В настоящее время сейсмотомографический подход применяют как для изучения особенностей структур верхней мантии (Spakman et al., 1993; Koulakov, 1998), появились работы и по изучению нижнемантийных аномалий (Bijwaard and Spakman, 1999). Аномалии проявляются в виде устойчивых конвективных ячеек в мантии Земли, в которых относительно холодный плитный материал с поверхности может погружаться и тонуть, а горячее вещество - подниматься с ядро-мантийной границы. Не будем приводить количественные оценки природы вариаций сейсмических скоростей, поскольку их действительная причина (температура, давление, вещественный состав или комбинация этих причин) до сих пор является предметом полемики (Jackson, 1998).

8

Адекватное применение методов сейсмической томографии в региональном масштабе возможно только при наличии больших массивов высококачественных данных. Проблема данных особенно остро стоит в так называемых «немых» регионах с чрезвычайно низкой сейсмичностью и отсутствием развернутой сейсмологической сети, к которым и относится исследуемая в работе область Азии - центральная Сибирь. Это обширный континентальный район, большая часть которого практически лишена сети сейсмических станций и не является сейсмически активной («немая» относительно сейсмологических данных).

Сейчас создан ряд сейсмических моделей литосферы региона, основанных, главным образом, на информации о дисперсии скоростей поверхностных волн (Зорин, 1981; Ritzwoller&Levshin, 1998), а также на томографическом подходе (Bijwaard et al., 1998). Однако разрешающая способность этих моделей позволяет обнаруживать наиболее крупные структуры - Тарим, Сибирскую платформу, Казахский щит. Этого явно недостаточно для того, чтобы использовать данные о глубинном строении литосферы в моделях формирования и эволюции литосферы региона. Традиционные и инверсные томографические схемы дают возможность построения трехмерной сейсмической модели только на юге выбранной территории, оставляя неохваченной основную асейсмичную ее часть. Поэтому одной из задач данной работы являлась разработка сейсмотомографического алгоритма, позволяющего определять детальную структуру недр территорий, где нет возможности использовать местные данные (нет достаточной густоты сейсмологических данных). Применение разработанной автором методики (ВВ-В алгоритма) привело к созданию сейсмической модели

недр центральной Сибири, что, в свою очередь, позволило по-новому взглянуть на некоторые особенности формирования и эволюции литосферы региона.

Цель работы - выявить особенности формирования современной тектонической структуры континентальной литосферы региона центральной Сибири.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

- разработка сейсмотомографической методики для определения структуры недр в «немых» областях континентов, где отсутствуют как землетрясения, так и сейсмические станции;

- определение современной структуры литосферы и верхов мантии региона центральной Сибири и анализ особенностей формирования структуры литосферы региона в свете имеющихся моделей, палеореконструкций и данных наблюдений.

Данная работа находится в русле исследований, начатых Л.П.Зоненшаиным, М.И.Кузьминым, Л.П. Савостиным и другими исследователями по созданию модели микроплит Центральной Азии. Фактические данные о тектонических подразделениях в структуре континентальной литосферы платформенных областей Центральной Азии были взяты из обобщающих публикаций (Coleman, 1989; Windley et al., 1990; Зоненшаин и др. 1993; Zorin, 1981; Dobretsov, Buslov, 2001; Dobretsov et al., 1996; Avouac and Tapponnier, 1993; Molnar, 1990; Tapponnier et al., 1982 и др.)

Кроме основного метода исследования - сйсмотомографического анализа применялись сравнительный анализ, математическое моделирование, тестирование разработанной методики, статистический анализ и сопоставление с результатами других исследователей (Дучков,

10

Соколова, 1979; Дучков и др., 1987; Шацкевич, 1971; Голубев, 1995; Дорофеева и др., 1995; Хуторской, 1996; Ritzwoller and Levshin, 1998; Wu et al., 1997; Koulakov, 1998; Bijwaard et al., 1998 и др.).

В разработке сейсмотомографического алгоритма на основе разницы времен прихода отраженных от земной поверхности волн за основу взята та же известная лучевая схема, что, например, в работе Woodward и Molnar (1995). Для параметризации изучаемого объема были применены известные логические блоки параметризации среды тетраэдрами (Koulakov, 1998) и стандартный алгоритм SVD разложения. Исходными данными для алгоритма служат времена прихода прямой и соответствующей ей отраженной от земной поверхности волны. Времена прихода необходимых фаз сейсмических волн и времена сейсмических событий взяты из банка данных международного сейсмологического центра (ISC). Обработаны и отобраны в соответствии с выведенными в ходе исследования критериями, необходимыми для успешной работы предлагаемой методики около 12 000 пар РР-, Р- лучей для территории центральной Сибири и 300 пар SS-, S- лучей для Алтае - Саянского региона.

Защищаемые положения:

1) В построенной сейсмической модели недр центральной Сибири геометрия основных литосферных блоков соответствует их геологическим границам. Природа сейсмических аномалий платформ северной половины региона в основном тепловая, толщина литосферы коррелирует с возрастом структур. В тектонически активных областях юга региона отрицательные сейсмические аномалии литосферы Алтая и Тянь-Шаня указывают на их вещественный характер, обусловленный повышенной концентрацией летучих, приобретенной литосферой этих

11

областей при ее формировании. Осадочные бассейны территории отмечены положительными сейсмическими аномалиями.

2) Разработанная сейсмотомографическая методика на волнах, отраженных от поверхности Земли в изучаемой области (критерии отбора данных, ВВ-В алгоритм, блок компьютерных программ, тесты на синтетических и реальных данных) позволяет определять структуру литосферных блоков «немых» областей, где отсутствует развитая сейсмологическая сеть и сейсмическая активность.

Новизна и личный вклад автора исследования состоит в том, что на основании известной лучевой схемы на отраженных волнах, которая ранее использовалась только для получения дополнительных данных для других томографических методик, а также в некоторых работах для получения карт разности времен пробега - двумерной поверхностной модели латеральных неоднородностей (Woodward and Molnar, 1995; Бушенкова и др., 2000) автором впервые была разработана методика изучения «немого» региона без привлечения сейсмологических данных внутри этого региона. Лучевая схема предполагает расположение изучаемого района посередине между источником и приемником. Кроме того, совместное использование отраженных от земной поверхности и рефрагированных фаз позволяет решить проблему внесения поправок за источник и приемник. Путем эмпирического анализа выделены критерии отбора лучей (Bushenkova et al., 2002), введение которых делает оптимальным подобие рефрагированной и отраженной от дневной поверхности волн вдали от области изучения. А невязки времен прихода, рассчитанные относительно референтной (Dziewonski & Anderson, 1981) скоростной модели с учетом введенных

12

ограничений оказываются обусловленными скоростными характеристиками непосредственно изучаемой области. Проведенные в ходе работы расчеты для сферически симметричной среды по скоростной модели РЕМ-А с применением трассирования лучей по аналитическим формулам для постоянного градиента квадратичной медленности (Червени, 1990) в заданных интервалах глубин дали ограниченную величину области изучения и параметры отбора лучей из банка данных Международного сейсмологического центра. Ограничение величины оптимальной области расчета привело к необходимости разбиения обширной изучаемой территории на фрагменты меньшего радиуса с зонами перекрытия, где полученные результаты инверсии осреднялись. Инверсную задачу автор решал с использованием стандартного пакета SVD разложения и программного блока узловой параметризации среды тетраэдрами, который был взят из работ Koulakov et al. (1995) и Koulakov (1998). Узлы строились в зависимости от плотности лучей на 6-и горизонтальных уровнях от глубины 30 км до 530 км.

Проведенное автором тестирование алгоритма показало, что методика хорошо улавливает вертикальные скоростные границы и удовлетворительно - горизонтальные.

На основе полученной сейсмотомографической модели, результатов тестов, данных наблюдений теплового потока, сейсмических и тектонических исследований других ученых автором сделан вывод о природе сложной блоковой структуры литосферы изученного региона, формирование которой обусловлено как воздействием современных процессов в мантии на литосферу, так и

13

особенностями образования самой литосферы региона центральной Сибири.

Полученная современная структура литосферы и трехмерная сейсмическая модель верхней мантии территории центральной Сибири и прилегающих областей являются на сегодняшний момент самыми целостными для этой территории, а их детальность позволяет делать геодинамические построения и выводы, как по территории центральной Сибири, так и в соседствующих регионах. Разработанная же телесейсмическая методика позволяет определять структуру верхней мантии и литосферных блоков «немых» областей, где отсутствует развитая сейсмологическая сеть и сейсмическая активность. Таким образом, верхнемантийная структура большей части территорий Земли, с помощью этого подхода может быть определена с гораздо большей детальностью, нежели дают сейчас глобальные модели.

Приемы и результаты, полученные в работе, представлялись на следующих российских и зарубежных конференциях: 25th General Assembly of EGS (Nice, France, 2000); IV сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике, посвященный памяти М.А. Лаврентьева (1900-1980) (Новосибирск, 2000); Международная геофизическая конференция «Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий» (Новосибирск, 2000); 26th General Assembly of the EGS (Nice, France, 2001); XIX Всероссийская молодежная конференция «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2001), 28th General Assembly of the EGS (Nice, France, 2003).

По теме диссертации автор имеет 14 публикаций. В их числе 3 статьи в журнале «Геология и геофизика» и 2 статьи в журнале Tectonophysics (издательство Elsevier).

14

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе представлен обзор имеющейся научной информации по центральной Сибири (обзор достижений в исследованиях региона другими авторами: тектонический обзор, данные наблюдений), а также обзор томографических методик для получения информации о глубинном строении Земли. Описание предложенной

сейсмотомографической методики для изучения «немых» областей для удобства восприятия разбито на две части: в главе 2 представлена лучевая схема, выделенные критерии и алгоритм отбора лучей для определения исходных для решения томографической задачи временных невязок, а так же описано использование непосредственно самих невязок для краткой характеристики скоростной структуры исследуемого региона. Кроме того, представлен алгоритм инверсии, оценка единственности (на основе выбора количества сингулярных чисел в SVD) и точности решения «снизу» (тесты методики на чувствительность и разрешающую способность). В третьей главе отражены результаты применения методики для региона центральной Сибири - полученная сейсмическая модель, ее геодинамическая интерпретация, отражающая структуру литосферы региона (представлена карта мощности сейсмической литосферы). Список литературы содержит 169 наименований.

Автор глубоко благодарен коллегам из лаборатории геодинамики и палеомагнетизма (№ 818) Института геологии СО РАН д.г.-м.н. Тычкову С.А., Василевскому А.Н., к.г.-м.н. Кулакову И.Ю., Кинеловской А.К. за всестороннюю поддержку, а так же помощь в вопросах программирования и интерпретации полученных результатов.

15

ГЛАВА 1

Обзор информации по региону центральной Сибири и методик получения данных о глубинном строении Земли

1.1. Тектонический обзор

В настоящее время основное внимание исследователей Центральной Азии, которую частично включает в себя изучаемый регион центральной Сибири в своей южной части, направлено на проблемы формирования литосферы региона в палеозое (Coleman, 1989; Windley et al., 1990; Зоненшаин и др. 1990; Zorin, 1981) и кайнозойские деформации литосферы, определившие современный рельеф и тектонический режим территории (Dobretsov, Buslov, 2001; Dobretsov et al., 1996; Avouac and Tapponnier, 1993; Molnar, 1990; Tapponnier et al., 1982;...).

Большинство исследователей этого региона считают, что строение литосферы Азии обусловлено агломерацией континентальных фрагментов и островных дуг, последовательно присоединенных к Сибирскому кратону с юга (см. ссылки у Molnar and Tapponnier, 1981). Щит внутри бассейна Тарим был, по-видимому, присоединен к Азии путем коллизии вместе с Тянь-Шанем в середине палеозоя. Тянь-Шань, в свою очередь, состоит из трех тектонических элементов, разделенных Палеозойскими швами. Южный Тянь-Шань, вероятно, представляет собой океанический бассейн ордовик-силурского возраста. Центральный Тянь-Шань, ограниченный с юга и севера поясами ультрамафических пород, интерпретируется как офиолитовый пояс, содержащий блоки докембрийских пород и интрудированный

16

продуктами дугового магматизма в позднем палеозое при двойной субдукции с севера и с юга. Северный Тянь-Шань представляет собой окраину Джунгарского океана и сложен девонскими углерод содержащими известково-щелочными вулканическими и морскими глубоководными вулканогенно-осад очными породами.

Джунгарский осадочный бассейн, является, по-видимому, остатком позднепалеозойскоко океана в Джунгарии после его частичной субдукции под дугу Алтая (Carroll et al., 1990; Windley et al.,1990; Carroll et al., 1995). Далее к северо-востоку континентальная литосфера является результатом эволюции Палеоазиатского океана в раннем палеозое.

Массивы и складчатые пояса

Северная часть изучаемого региона представлена стабильными палеозойской Западно-Сибирской платформой и докембрийским Сибирским кратоном. Поскольку в этой части нет такой сложной мозаичной структуры микроконтинентов, то описания представленного по ходу обсуждения результатов в главе 3, вероятно, будет достаточно.

Литосферу изучаемой территории к северо-востоку от Тянь-Шаня можно разделить по разновозрастным коровым фрагментам на серию складчатых поясов (по времени завершающей складчатости) и массивов (по возрасту фундамента): Казахский массив (среднерифейский фундамент), каледонские (средний палеозой: средний девон) Балхаш-Турфанский и Салаиро-Алтайский пояса; разделяющий их герцинский (поздний палеозой) Зайсан-Гобийский пояс; салаирский коллажированный Алтае-

17

Саяно-Монголо-Байкальский пояс (ранний палеозой: ранний -средний ордовик), состоящий из Гоби-Алтайского, Минусинского, Тувинского, Байкальского и Западно-Монгольского блоков; Сибирский (Ангарский) кратон с раннедокембрийским фундаментом (основные блоки отмечены на Рис. 1).

Формирование литосферы здесь, вероятно, шло путем косого причленения в конце палеозоя Казахской литосферной плиты к Сибирской с замыканием разделяющего их среднепалеозойского Зайсан-Гобийского океанического бассейна (вероятно остаточная «ветвь» Палеоазиатского океана) (Berzin, 2001, Buslov et al., 2001). Казахский микроконтинент более ранней (каледонской) генерации сформировался из Казахского докембрийского континентального массива путем последовательной аккреции ранне-среднепалеозойских (кембрий - ранний силур) островодужных систем (вулканических дуг, задуговых и преддуговых бассейнов) активной казахской окраины (Балхаш - Турфанский пояс) Палеоазиатского океана (Дегтярев, 1999). Аналогичная континентальная окраина существовала в это же время и со стороны Сибирской литосферной плиты, фрагмент которой сохранился в Салаиро-Алтайском поясе. В конце палеозоя он также по касательной причленился к Алтае-Саяно-Монголо-Байкальскому поясу молодой (ордовикской) континентальной литосферы Сибирского кратона. Алтае-Саяно-Монголо-Байкальский пояс по сети глубинных разломов разделен на пять крупных блоков, представленных тектоническим коллажем фрагментов Палеоазиатского океана - океанских подводных поднятий, разновозрастных островодужных систем (вулканических дуг и

Список литературы