Введение к работе
Объектом исследования настоящей работы является скоростное строение земной коры и верхней мантии Центральной Азии и выявление его связи с геологическими процессами. В работе исследованы глубины юга Сибирской платформы, Байкальской рифтовой зоны и горные области Восточной и Центральной Монголии.
Актуальность исследований. Представление о структуре земных недр формируется на основе интерпретации данных геофизических методов, из которых наиболее глубинную информацию дает сейсмология. Получение более детальных и надежных сведений о глубинной структуре земных недр укрепляет базу, с помощью которой решаются фундаментальные геологические и геодинамические задачи. Важный шаг в освещении горизонтально неоднородного строения Земли сделала глобальная сейсмическая томография. Однако, результаты глобальной томографии на Р-волнах не отличаются большой детальностью из-за слаборазвитой сети стационарных станций, особенно редкой в Центральной Азии. По многим причинам географического и экономического характера изученность земных недр под юго-западной частью Байкальской рифтовой зоны, южной окраиной Сибирской платформы, складчатыми областями Забайкалья и Центральной Монголии оказалась весьма неравномерной по площади. К тому же при сейсмических исследованиях прежде использовались либо короткопериодные волны (метод глубинного сейсмического зондирования на российской части территории), либо наиболее длиннопериодные волны (метод поверхностных волн).
Улучшение базы для изучения глубинного строения может быть достигнуто увеличением количества стационарных станций, оснащением их широкополосными сейсмоприемниками, а также проведением наблюдений на специально организованных временных сетях портативных сейсмических станций. Записи далеких землетрясений временными станциями могут использоваться как для сейсмической томографии больших глубин под группой станций, так и для исследования строения коры и мантии методом receiver function, который в русскоязычной литературе обычно именуется методом приемной функции или функции приемника. Применяя метод приемной функции, ценные сведения о глубинах Земли можно извлечь из наблюдений даже отдельных широкополосных станций, а тем более из наблюдений специальных линейных сетей этих станций, пересекающих ряд разновозрастных тектонических структур. Записи станций, равномерно распределенных по площади, могут быть использованы для детального исследования трехмерной структуры в районе наблюдения.
Дополнительную независимую информацию об особенностях распространения сейсмических волн, а, следовательно, и о состоянии недр, дает исследование азимутальной сейсмической анизотропии. В последние годы анизотропия сейсмических скоростей становится чрезвычайно важным геодинамическим инструментом.
Применение перечисленных методов к цифровым записям стационарных станций и станций широкомасштабных телесейсмических экспериментов
PASSCAL и MOBAL позволило получить новую, сравнительно детальную, информацию о сейсмической (скоростной) структуре земной коры и верхней мантии, что может служить основой для существенного уточнения представлений о тектонике и геодинамике рассмотренных регионов.
Основные цели исследования
-
Построение моделей скоростного строения земной коры и верхней мантии южной части Сибирской платформы, Байкальской рифтовой зоны и горных областей Восточной и Центральной Монголии и их сопоставление с другими геофизическими и геологическими данными.
-
Исследование мантийной азимутальной анизотропии.
Научные задачи исследований, поставленные и выполненные для достижения цели работы:
проведение телесейсмических наблюдений на двух субмеридиональных
профилях через Байкальскую рифтовую зону и горную Монголию;
томографические исследования по записям продольных волн телесейсмических экспериментов и Байкальской стационарной сети станций;
выделение волновых форм продольных приёмных функций по записям тех же сетей наблюдения;
тестирование разрешающей способности метода инверсии функции приёмника и параметризации скоростных моделей;
восстановление одномерных скоростных разрезов поперечных волн в районе каждой станции по продольным приёмным функциям;
построение двумерных и трехмерной моделей скоростной структуры земной коры и верхней мантии на основе рассчитанных одномерных скоростных разрезов;
исследование азимутальной сейсмической анизотропии методом SKS;
анализ полученных результатов в комплексе с другими геофизическими и геологическими данными.
Фактический материал и методы исследований
В работе использованы записи стационарных станций Байкальской сети и непрерывные цифровые записи двух масштабных телесейсмических экспериментов, российско-американского (PASSCAL, 1991-1992 г.г.) и французско-российско-монгольского (MOBAL, 2003 г.), которые проведены на территории Южной Сибири, Центральной и Восточной Монголии.
Полученный материл наблюдений позволил провести исследования методами двумерной и трехмерной томографии. Двумерным вариантом классической телесейсмической томографии (Aki et al., 1977) выявлены крупномасштабные скоростные аномалии непосредственно под линейной группой наблюдающих станций. Методом трехмерной томографии (Zeyen and Achauer, 1997), осуществляющим совместную инверсию сейсмических и гравиметрических данных, получено трехмерное распределение аномалий скорости и плотности под районом наблюдения.
Для получения более детальных сведений о сейсмических скоростях в коре и в верхней мантии к записям объемных волн телесейсмических событий применен подход выделения и инверсии волновых функций в коде Р-волны, обусловленных скоростной структурой в районе регистрации (Vinnik, 1977; Kosarev et al., 1987). Данный подход является одной из версий метода продольной функции приемника или receiver function P-to-S. Волновые формы функций приёмника выделены из трехкомпонентных записей землетрясений более 100 пунктов наблюдений в Южной Сибири и Монголии. Начальные приближения для восстановления скоростного разреза по 5У-приемным функциям рассчитаны осреднением скоростных параметров, определенных методом глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) в Саяно-Байкальском регионе. Для интерпретации полученных моделей были привлечены результаты геологических и геофизических исследований, проводимых в Институте земной коры СО РАН.
Диагностика верхнемантийной анизотропии выполнена наиболее эффективным методом выявления расщепления квазипоперечных волн в фазе SKS (Винник и др., 1984; Kind et al, 1985; Silver and Chan, 1988). Для измерения параметров расщепления поперечных волн использовались записи землетрясений, удаленных более чем на 85. Результаты измерения азимутальной анизотропии проинтерпретированы в согласии с полученными сведениями о глубинном строении и другими геолого-геофизическими данными.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
Уточнена конфигурация и интенсивность низкоскоростных аномалий, отождествляемых с плюмами, под Хангайским и Хэнтэйским горными поднятиями, а также под флангами Байкальской рифтовой зоны. В диапазоне глубин 0-300 км ширина наиболее интенсивных аномалий достигает 200 км, выход аномалий к поверхности Земли совпадает с областями кайнозойского вулканизма. Корни Хангайской и Саяно-Байкальской аномалий прослеживаются до глубины 600 км.
-
Построена трехмерная модель распределения скорости поперечных сейсмических волн в земной коре и верхах мантии юга Байкальской рифтовой зоны и сопредельных территорий. Получены независимые свидетельства приуроченности Южно-Байкальской впадины к зоне перехода от относительно тонкой коры Сибирской платформы к утолщенной коре складчатых областей Забайкалья и Монголии и о локальном утонении коры непосредственно под этой впадиной.
-
Детализирована скоростная структура земной коры и верхней мантии вдоль субмеридиональных профилей, пересекающих юг Сибирской платформы, Байкальскую рифтовую зону и складчатые области Монголии. Установлено резкое изменение строения коры и мантии на границах тектонических районов. В протяженной области мантии вдоль 100-го меридиана обнаружено клиновидное поднятие астеносферы к
коромантийной границе, толщина которого нарастает от 50 км южнее Сибирской платформы до 150 км севернее Гоби-Алтая.
4. Установлено существование азимутальной сейсмической анизотропии под
Сибирским кратоном и Монголией по расщеплению квазипоперечных
волн в фазе SKS. Направление поляризации быстрой волны,
соответствующее ориентации анизотропных пород на глубине, совпадает под областями с толстой и тонкой литосферой, что указывает на существование общего источника анизотропии, которым может быть современный мантийный поток глубже 150 км. Большая величина анизотропии (dt = 1.5-2.5 с) в Центральной Монголии предполагает дополнительные когерентные анизотропные эффекты литосферной и астеносферной деформаций.
Научная новизна и личный вклад автора. Автор является одним из ответственных исполнителей международного проекта PASSCAL (1991-1992 г.г.), координатором и исполнителем проекта MOBAL (2003). Пройдены все этапы работ, от постановки задач и полевых наблюдений, обработки записей и расчетов до анализа результатов всех вышеперечисленных методов. Безусловно, многое в анализе и интерпретации данных было сделано, благодаря сотрудничеству с группой ученых из Института физики Земли, которые одновременно являлись моими учителями и помощниками, а также благодаря моим коллегам в Иркутске, США и Франции. Особенно это касается азимутальной анизотропии. Максимальный вклад сделан автором в исследования методом функции приемника.
Все результаты работы по скоростной структуре региона являются
принципиально новыми или получены с использованием новых подходов
по независимым материалам. Достоверные данные о строении земной коры
и верхней мантии Восточной и Центральной Монголии получены впервые.
Главные из результатов:
образы глубинной структуры, выявленные наиболее объективным из структурных методов - двумерной телесейсмической томографией;
распределение аномалий скорости и плотности в Центральной Монголии, полученное трехмерной томографией, выполняемой совместной инверсией Р-невязок и гравитационных аномалий Буге.
одномерные скоростные разрезы коры и верхней мантии, рассчитанные методом приемных функций продольных волн по данным профильных и площадных станций; двумерные модели распределения скоростей S-волн вдоль длинных субмеридиональных профилей, пересекающих ряд различных тектонических зон; трехмерную модель для района Южного Байкала и его окрестностей.
параметры азимутальной сейсмической анизотропии под югом Сибирской платформы и под её складчатым обрамлением.
Практическая значимость работы. Полученное распределение сейсмических скоростей до глубины 75 км может быть использовано в комплексе геолого-геофизических данных для изучения и картирования глубинного строения земной коры. На основании построенных сейсмических моделей, отражающих чередование слоев повышенной и пониженной скорости в коре, с привлечением гравиметрических и геологических данных разработана концепция существования в южной части Восточной Сибири и в Монголии крупно-амплитудных надвигов, которые могут контролировать расположение месторождений различных полезных ископаемых (Zorin,1999; Zorin et al, 2002). Распределение скоростей сейсмических волн в коре и в самой верхней мантии может служить априорной информацией при последующем термомеханическом моделировании геодинамических процессов, так как накладывает дополнительные ограничения на представление о структуре литосферы.
Сведения о скоростях сейсмических волн и измеренные параметры азимутальной сейсмической анизотропии свидетельствуют о состоянии вещества мантии и являются ценными данными для геодинамических построений и геологических структурных задач.
Апробация результатов и публикации. Работа проводилась согласно планам НИР Института земной коры СО РАН. Исследования, выполненные в ходе работы по теме диссертации, были поддержаны, а их результаты одобрены отечественными и международными грантами: Sores (1994-1996 г.г.); PICS № 1251; РФФИ (99-05-64864, 02-05-22005-НЦНИ; 03-05-64036; 03-05-79085; 04-05-64996; 06-05-64148). Также исследования были поддержаны Интеграционным проектом СО РАН 6.17, проектами ОНЗ № 7.4 и № 7.7.
Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах ИЗК СО РАН, на многих российских и международных рабочих совещаниях, конференциях и симпозиумах. Основные из них:
6 Intern. Kimberl. Conference (Новосибирск, 1995); EGU General Assembly (Франция, 1998); 14-th Workshop on Electromagnetic in Earth (Румыния, 1998); Third Annual Meetings of Project IGCP (Иркутск, 1999); XXXIV-e Тектоническое совещание, ГЕОС (Москва, 2001), Всероссийская научная конференция «Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков» (Иркутск, 2002); Российско-монгольская конференция по астрономии и геофизике (Иркутск 2002, Улан-Батор 2003, Улан-Удэ, 2004); Всероссийское совещание "Напряженное состояние литосферы, ее деформация и сейсмичность" (Иркутск, 2003); совещания «Гео динамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса» в Иркутске (2004, 2005, 2006, 2007, 2008); EGU General Assembly (Австрия, 2004); Международная конференция (Новосибирск, 2005); Международная конференция по астрономии и геофизике (Улан-Батор, 2007); Международная сейсмологическая конференция (Ялта, 2007); Геофизическая ассамблея (USA, 2007); 7-th International Conference GEOCOSMOS (St.Petersburg, 2008); 4-th International Symposium "Geodynamics
of Intracontinental Orogens and Geoenvironmental Problems". Bishkek. 2008; Тектоническая конференция (Москва, 2008).
По теме диссертации автором и с его участием опубликовано 60 работ, в том числе 4 коллективных монографии. Фактический материал и основные выводы изложены в 23 публикациях в ведущих зарубежных и отечественных изданиях, из которых 11 - в журналах по Перечню ВАК, а также в отчетах и материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, Введения и Заключения. Объем работы составляет 210 страниц, 55 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 366 наименований отечественных и зарубежных публикаций.
