Гравитационная модель коры и верхней мантии Северной Евразии (стр. 3 из 5)
Существенная информация может быть получена на основании анализа связи приповерхностной вариаций нагрузки (приведенного рельефа) и глубин до Мохо. Как известно, наличие связи между топографией и глубинами до границы Мохо послужило основанием для использования модели Эри на начальных этапах изучения изостазии [Артемьев, 1975]. Однако уже в начале 80-х годов стало ясно, что параметры, характеризующие соотношение рельефа и Мохо, могут быть разными для различных типов структур, причем вариации этих параметров связаны с плотностными свойствами литосферы [e.g. Artemyev and Golland, 1983]. Представленные здесь данные о приведенном рельефе и мощности коры позволяют проанализировать эту проблему на совершенно новой основе.
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.
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 7o. 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.
Карта средних скоростей продольных волн в консолидированной коре для территории Северной Евразии показана на рис. 9. На территории России она составлена, в основном, по данным центра ГЕОН, дополненными результатами, представленными в монографии [Вольвовский, Вольвовский, 1975]. Для территории Западной Европы использовались данные из работы [Гизе, Павленкова, 1988]. Оставшаяся часть Северной Евразии дополнена значениями, взятыми из глобальной модели с разрешением 5o 
5o [Mooney et al., 1998]. Вариации средних скоростей в консолидированной коре достаточно велики от 6,3 до 7 км/сек, что может свидетельствовать о значительных вариациях плотности.
Проблема пересчета скоростей сейсмических волн в плотность не имеет однозначного решения [Красовский, 1989; Christensen and Mooney, 1995], хотя для пород, слагающих консолидированную кору, связь этих параметров более устойчива, чем для осадочного чехла и верхней мантии. Мы используем зависимости скорости и плотности, полученные в работе [Christensen and Mooney, 1995] с учетом возможных различий состава пород, например, в океанических и континентальных районах. Согласно этому исследованию, возможная погрешность определения плотности по скорости продольных волн на региональном уровне, т.е. для достаточно крупных структур, составляет примерно 0,05 г/см3 для отдельного слоя и 0,03 г/см3 для консолидированной коры в целом. Эти цифры используются при оценки надежности результатов.
| 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/см3. 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
Остаточные аномалии гравитационного поля, показанные на рис. 12, были получены после устранения из аномалий Буге аномального гравитационного поля, создаваемого осадочным чехлом, аномалий, вызванных вариациями глубин до границы М, а также региональных полей, связанных с влиянием наиболее существенных масс вплоть до антиподов [Artemjev et al., 1994a, 1994b]. Таким образом, если не учитывать погрешности исходных данных, эти аномалии отображают латеральные неоднородности
| 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. 15 |
Амплитуды мантийных аномалий для территории Северной Евразии достигают
300 мГал, что существенно превосходит погрешность их определения, которая в наихудшем случае для малоизученных территорий может достигать 100 мГал, а в остальных случаях составляет примерно 25-50 мГал в зависимости от мощности коры. Наиболее заметной особенностью полученного поля является явное разделение его на региональную и локальную составляющие, показанные на рис. 14 и 15. Региональная часть в первом приближении не зависит от особенностей строения коры: громадные области, характеризуемые аномалиями преимущественно одного знака, включают достаточно разнородные структуры. Для северной и центральной частей Евразии характерны интенсивные положительные аномалии со средней амплитудой 100-150 мГал. С запада эта область ограничена по линии Тессейра-Торнквиста, представляющей "геофизическую'' границу между Западной и Восточной Европой. Эта линия может быть продолжена на юго-восток, где она разделяет Большой и Малый Кавказ, характеризуемый интенсивными отрицательными аномалиями, хотя природа аномального поля может быть здесь совершенно иной. С востока область положительных аномалий ограничена по линии, простирающейся с юго-запада, где она разделяет Афгано-Таджикскую депрессию, подстилаемую чрезвычайно плотной мантией, и Памир. Далее линия раздела протягивается на северо-восток, огибая Саяны и Байкальскую рифтовую зону по северо-западной границе, достигая границы Евразии примерно в районе Тикси. Пока остается неясным, к какому из мегаблоков следует отнести район Алданского щита. Можно предположить, что основной вклад в региональные вариации плотности верхней мантии вносит поле температур, что подтверждается результатами интерпретации поверхностных волн [Ekstr o m and Dzievonski, 1998; Ritzwoller and Levshin, 1998]. Зона повышенных скоростей поперечных волн в верхней мантии, выделенная в данных работах, точно соответствует описанной выше области преимущественно положительных остаточных аномалий, а глубина ее распространения достигает 250 км. Данные о тепловом потоке также подтверждают этот вывод: разница между тепловыми режимами Западной и Восточной Европы установлена достаточно надежно [Cermak, 1982; Hurtig et al., 1992].В отличие от регионального поля, "локальное'' поле остаточных аномалий с длинами волн менее 2000-2500 км имеет ясную привязку к конкретным тектоническим структурам (рис. 15). В пределах платформенных областей локальные вариации мантийных аномалий существенно меньше, чем в тектонически активных районах. При этом, к востоку от линии Тессейра-Торнквиста наиболее выражены положительные аномалии. Например, щиты Восточно-Европейской платформы характеризуются интенсивными положительными остаточными мантийными аномалиями с амплитудой до +100 мГал. Такая же аномалия приурочена к восточной части Урала (Магнитогорской зоне). Значения мантийных аномалий над Тунгусской синеклизой достигают +100 мГал. Этот вывод находится в хорошем соответствие со скоростями продольных волн в верхней мантии, которые здесь повышены [Глубинное строение..., 1991; Egorkin, 1998]. В то же время, к западу от линии Тессейра-Торнквиста четко прослеживается цепь отрицательных мантийных аномалий: Венгерская впадина - Рейнский Грабен - Центральный Французский массив.