CC BY
32
УДК 551.24
© Л.И. Гонтовая1, В.В. Гордиенко2, Л.Я. Гордиенко2, 2009
1Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатс-
кий, Россия
2Институт геофизики НАН Украины, Киев
О ПРИРОДЕ СРЕДНЕГЛУБИННОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ В ПЕРЕХОДНЫХ ЗОНАХ ТИХООКЕАНСКОГО ТИПА
Рассмотрено распределение землетрясений с глубинами очагов до 200-300 км в переходной зоне Тихоокеанского типа. Установлена их связь с глубинными процессами (в соответствии с адвекционно-полиморфной гипотезой) в пределах регионов современной активизации геосинклиналей альпийского возраста.
Введение. В статьях [6, 7] авторы рассмотрели природу землетрясений в зонах перехода от континентов к Тихому океану на максимальных (более 300 км) и минимальных (от 0 до 40-70 км) глубинах с использованием представлений адвекционно-полиморфной гипотезы глубинных процессов (АПГ) [8 и др.]. Было показано, что землетрясения могут быть связаны с предполагаемыми гипотезой перемещениями вещества земной коры и верхней мантии, которые ведут к изменениям температуры (Т) и плотности (а) пород, в том числе - вследствие полиморфных преобразований. Вне анализа остались землетрясения, происходящие на глубинах от 40-70 до 300 км, распространенные примерно на 80% протяженности Тихоокеанского кольца. Во всех случаях они сопровождаются мелкофокусными и примерно в половине случаев - глубокофокусными. Есть смысл рассмотреть природу землетрясений средней глубинности, считая территориально близкие к ним мелко- и глубокофокусные уже подвергшимися анализу.
Размещение эпи- и гипоцентров. Пространственное распределение эпицентров среднеглубинных землетрясений показано на рис. 1 [5, 12, 23 и др.]. Они практически точно совпадают с альпийскими геосинклинальными зонами островных дуг, активизированными в последние миллионы лет [3, 4, 12-14 и др.]. Следует лишь отметить, что границы геосинклинальных зон далеко не во всех случаях могут быть установлены с достаточной определенностью: они часто располагаются на дне. Исключением из правила приуроченности рассматриваемого вида сейсмичности к альпидам может оказаться центральная часть запада Южной Америки, где молодым геосинклинальным (со складчатостью между эоценом и миоценом - 30±5 млн. лет назад) можно предположительно считать только тип эндогенного режима шельфовых прогибов. На суше образование многочисленных трогов внутри киммерийской геосинклинали Анд в последние 100 млн. лет можно скорее признать рифтогенезом, последняя стадия которого продолжается и в настоящее время. Однако не исключено, что часть прогибов представляет собой геосинклинальные образования, не завершившие складчатости [4, 13 и др.] или претерпевшие ее в олигоцене [3, 14]. Не вызывает сомнений довольно протяженный период активизации региона (включающий магматизм от ранненеогенового до современного). Мощные толщи эффузивов (до 6 км) затрудняют изучение подстилающего их складчатого комплекса.
40 1 1 Д±у.' 1 0 \
\г Х\ х \
ЫА \ г** |^Р 5 РР 7 Щ 8 г-; \ 10
■Г Г \ $ % — - 1
/V 12 % Л V Ч # 1 , 4. %
V ж 1 2 3 ШЕЕ]Е 14 — {*•
Рис. 1. Распределение землетрясений на глубинах от 40-70 до 300 км в Тихоокеанском кольце.
1, 2 - эпицентры (1 - на глубинах 70-150 км, 2 - 150-300 км), 3 - профили, вдоль которых показано распределение гипоцентров землетрясений на рис. 2
Распределения гипоцентров по глубине в разных регионах (рис. 2) представлены для различных периодов наблюдений, выборки включают землетрясения с различной минимальной энергией и могут служить только для качественной характеристики процесса. Очевидно, что в большинстве случаев землетрясения происходят до глубин около 200-250 км, реже распространены до 300 км. Если на больших глубинах они дополняются глубокофокусными, то после заметного перерыва.
Вдоль большинства профилей гипоцентры землетрясений рассматриваемой глубинности распределены в виде наклонных слоев различной мощности (30100 км), на 20-30 процентах профилей эта закономерность не наблюдается или проявлена слабо.
Перемещение вещества в конце геосинклинального цикла и сейсмичность.
Согласно представлениям АПГ [8 и др.] завершающий акт эволюции тектоносфе-ры геосинклинали представляет собой вынос частично расплавленного вещества из мощной астеносферы (с глубиной кровли около 100 км) под кору (на глубины примерно 50-100 км). Через небольшой промежуток времени из новой неглубокой астеносферы в кору (в интервал глубин 20-40 км) поступают основные выплавки в количестве, эквивалентном слою мощностью 7-8 км. На их место опускаются эклогитизированные основные породы коры. В альпидах рассматриваемый процесс начался не менее 20-30 млн. лет назад [5, 8, 12 и др.]. Вполне
200
км
200км 0 200км у _ О
/
200
км
200
км
200км
.*ї з
200
км
• Л.и
оФ:- 4
300 500 ш 700км
200-
км
■№Г
* г
5 200
км
00 600 800і^і 400 бООк^і
..••••л • • + •
Л* .
•V- • 7
6
200-
км
200 400км
■ 1 -I-----и
200,1
км
200 400 600км
8
■ ■ • ■••••• к* ""••5
• •• ■•••И *
- Ч •• 1
9
200-
км
4»»км 200 у и ЗООкму 100 о
200км
200
км
200-
км
• *3 і*»*1 # •
и • ’V- *
• 'V 200 н
. км
_!_____________________I__________________!_
Ч»'
12
200
•••••••
■ V- 13
200-
КМ
•. м» .
400 600км
14
ЕЗ і Ш2
Рис. 2. Распределение гипоцентров землетрясений на глубинах 0-300 км вдоль профилей (см. рис. 1): 1 - гипоцентры, 2 - положение глубоководных желобов
вероятно, что возраст последнего этапа активности сокращался с приближением к передовому прогибу (желобу), как показано Ж. Обуэном для ряда геосинклиналей [10]. Близкие по характеру события происходили и в течение современной активизации, часто наложенной на альпиды в последние несколько млн. лет. Какой из двух процессов мог внести основной вклад в сейсмичность, можно определить по соответствию современного положения погружающихся эклогитизиро-ванных блоков пород наблюдаемой сейсмичности.
Оценим скорость погружения эклогитизированных блоков по формуле Стокса: V=1,5Лсgr2/n, где Лс - аномальная плотность, g - ускорение силы тяжести, г - полуразмер блока, п - вязкость среды. Изменения плотности (и скорости
сейсмических волн) при эклогитизации можно оценить по данным [15-18]. При неполном преобразовании пород (когда плотность все же превышает имеющуюся в верхних горизонтах мантии) плотностная аномалия составит примерно 0,1 г/см3, полуразмер блока может достигать 5-10 км. При этих условиях скорость погружения составит для п = 1022-1019 Па-с от 0,01-0,055 до 10-50 см/год соответственно.
Давление, создаваемое эклогитизированным блоком пород коры, способным к перемещению, должно быть меньше мгновенной прочности пород на сдвиг и больше напряжений, снимаемых при «массовых» (наиболее распространенных в регионе) землетрясениях. Первый параметр для условий низов коры - верхов мантии оценивается как п-108 Па [9], второй - 106 Па [1 и др.]. Давление блока описанных выше параметров составит 1-2-107 Па, т.е. по порядку соответствует сформулированным требованиям.
Возможны ли прогнозируемые перемещения по геологическим данным? Анализ минералогии метаморфических пород показывает, что во многих случаях можно говорить о погружении эклогитизированных образований коры в мантию на глубины, превышающие глубину границы графит-алмаз (в платформенной мантии - около 120 км, в прогретой мантии активного региона - больше) [11 и др.]. В некоторых случаях удается проследить поэтапно процесс погружения эклогитизированного корового гранулита от глубины около 30 км до примерно 100 км [21]. Темп таких вертикальных перемещений (по данным датировок последовательно изменяющейся минералогии, отвечающей разным глубинам) оценивается по-разному в коре и верхней мантии. Для пород коры с высокой вязкостью (около 1022 Па-с) известны величины порядка 0,01-0,1 см/год [19 и др.]. В мантии они достигают 1-20 см/год [20 и др.]. Таким образом, сделанные выше оценки представляются вполне реальными.
Фокальная зона Камчатки. Рассмотрим предлагаемую гипотезу природы землетрясений на хорошо изученном примере Восточной Камчатки. Для землетрясений Курило-Камчатского региона было показано различие механизмов на глубинах от поверхности до примерно 50-100 км и на больших [2]. Глубже 50-100 км западнее осей вулканических дуг механизмы землетрясений сответствуют субвертикальному движению вещества с преобладанием на больших глубинах погружения.
Скоростная модель верхней мантии Восточной Камчатки (двумерное распределение Vp) в работах [5, 8] рассмотрена в осредненном варианте, так как имелось в виду проанализировать ее соответствие тепловой модели альпийской геосинклинали, не содержавшей элементов, отражающих индивидуальные особенности истории развития частей региона. Для решения задачи, поставленной в данном исследовании, необходима другая информация - распределение аномальных значений Vp, по которому можно обнаружить на каждом из пересечений геосинклинали (профили 2-4 на рис. 1) погружающиеся эклогитизированные блоки. Возможность их выявления продемонстрирована на обширном материале сейсмических исследований мантии Северной Евразии [8 и др.]. Им отвечают аномалии Vp 0,2-0,4 км/с.
На Камчатке аномалии (ЛVp) определены по отношению к среднему распределению скорости продольных сейсмических волн в регионе по вертикали и в виде отличий скоростного разреза на каждом из профилей от вычисленного по тепловой модели [5, 8]. Различия ЛVp меньше погрешности определения этих
Рис. 3. Сопоставление плотности гипоцентров землетрясений со скоростными аномалиями на профилях 2-4 (рис. 1):
1 - изолинии плотности гипоцентров (количества событий за последние 33 года на площадках 10х10 км в плоскости разреза), 2 -контур астеносферы по тепловой модели [5, 8],
3, 4 - контуры скоростных аномалий интенсивностью > 0,2 км/с (3 - положительных, 4 -отрицательных)
величин, т.е. оба метода вычислений дают одинаковый результат. Он представлен на рис. 3, профили 2-4 (отвечающие профилям 10, 8 и 7 из [5, 8]) проведены вкрест простирания структур геосинклинали. Представлены контуры скоростных аномалий, совпадающие для обоих методов расчета. С ними сопоставлены концентрации гипоцентров землетрясений, собранные в полосах ±10 км у профилей и представленные в виде изолиний количеств событий на площадках в пределах разрезов размером 10x10 км.
Очевидны такие результаты сопоставления:
1. Отсутствует корреляция отрицательных аномалий с астеносферой. Можно считать, что источник возмущений не связан с температурой и частичным плавлением. Отрицательные аномалии скорости вообще невелики - практически не превышают 0,2 км/с - и могут быть обусловлены погрешностями определения скорости разными методами.
2. Часть положительных аномалий также представлена возмущениями небольшой интенсивности, но остальные (приуроченные к зонам максимальной сейсмичности) достигают среднего уровня 0,3 км/с и могут быть признаны вполне достоверными.
3. Сравнивая величину положительных аномалий с различиями Ур между породами нормальной мантии и эклогитом [8, 16], можно оценить содержание эклогита в погружающемся блоке на уровне 0,75 и плотностную аномалию -примерно как 0,1 г/см3.
4. Скоростные аномалии на профилях не прослеживаются глубже 200 км. Не обязательно этот факт отражает отсутствие причин возникновения землетрясений на соответствующих глубинах, он может быть связан с ограниченной глубинностью скоростной модели.
Однако близкий результат получается и при анализе скоростных разрезов верхней мантии Северной Евразии для платформенных и активных регионов [22 и др.]. На рис. 4 представлены данные для регионов современной активизации на пространстве от Балтийского щита до восточной окраины Сибирской платформы (Вилюйской впадины). Экспериментальные данные сопоставлены с расчетными для соответствующей тепловой модели [8]. Отрицательные аномалии и часть положительных объясняются погрешностями определений скоростей сейсмических волн. Для части интенсивных положительных аномалий показана их связь с эк-
Рис. 4. Распределение Ур в мантии зон активизации Северной Евразии [8]: 1 - расчетное распределение, 2 - экспериментальные данные [22 и др.]
логитами в мантии. Глубже 200-250 км значащие аномалии отсутствуют. К этой глубине в породах мантии уже в значительной мере завершается преобразование части пироксенов в гранаты, т.е. пропадает основное отличие их от эк-логитов. Логично считать, что активное погружение плотных блоков первично-коровых пород на этих глубинах завершается.
Рассмотрим возможности погружения экло-гитизированных блоков коры Восточной Камчатки за последние 20-30 млн. лет.
На рис. 5 представлено распределение вязкости пород мантии по профилю вкрест геосинклинали по [8] с некоторыми изменениями (принято несколько большее расстояние от западной границы геосинклинали до желоба в месте прохождения интерпретационного профиля).
Опускание эклогитизированных блоков коровых пород, начавшееся 20-30 млн. лет назад, происходило на пикетах примерно от 0 до 120-150 [5, 8]. В течение первых 10 млн. лет блоки двигались в коре при вязкости, несколько пониженной ее прогревом при вторжении в нее мантийных выплавок, их подошвы оказались на глубине около 45 км. За последующие 10-20 млн. лет подошвы блоков восточнее астеносферы при вязкости пород мантии 1021 Па-с достигнут 6075 км. На пк 0-120 путь примерно в 40-60 км (мощность астеносферы) блоки пройдут за исчезающе малое время: вязкость в этом интервале глубин на порядки ниже вязкости твердой мантии при субсолидусных температурах [8]. В среде с вязкостью около 5-1020 за 10-20 млн. лет блоки успеют пройти 30-60 км, т.е. глубины их подошв достигнут 110-170 км. Это определит формирование к настоящему времени наклонной на запад сейсмогенной зоны, практически совпадающей с экспериментально установленной. Вместе с тем находят объяснение и наиболее интенсивные положительные скоростные аномалии, показанные на рис. 3.
Рис. 5. Распределение вязкости в мантии восточной Камчатки и прилегающей части Тихого океана [8]: 1 - изолинии вязкости в 1020Па-с, 2 - астеносфера
На территории Западной Камчатки, где последний этап геосинклинального тепломассопереноса происходил на 30-40 млн. лет раньше, чем восточнее, и, тем более, в пределах киммерийских геосинклиналей между Сибирской платформой и океаном опускавшиеся эклогитизированные блоки давно остановились, сейсмичность на соответствующих глубинах отсутствует. Здесь в последние миллионы лет происходят события, связанные с перемещениями вещества при современной активизации, т.е. эклогитизированные погружающиеся блоки еще не вышли за пределы коры. Землетрясения с коровыми глубинами гипоцентров довольно широко представлены в этом регионе [20 и др.].
Конечно, на Камчатке и в киммеридах северо-востока Евразии не исключены землетрясения, связанные с противоположным направлением метаморфического процесса - деэклогитизацией пород коры [7]. Для определения преобладающего варианта необходимы дополнительные исследования, включающие, прежде всего, изучение скоростных разрезов коры [7]. Можно предположить, что на Камчатке (и на части Курильской и Японской дуг) с высокоскоростной корой, где вероятно распространение слоя коро-мантийной смеси с эклогитами [12 и др.], роль деэклогитизации заметна, но с удалением от океана она, скорее всего, сокращается. Скоростные разрезы коры [12, 22 и др.] обнаруживают на территории северо-востока Евразии (за исключением части Сихотэ-Алиня) в низах коры преимущественно значения Ур, отвечающие «базальтовому» слою.
Энергия землетрясений в районах профилей 2-4 (рис. 1) на глубинах более 50 км за 33 года составляет около 3-4-1014 Дж (примерно столько же выделяется в приповерхностном слое). Энергию погружающихся эклогитизированных блоков можно оценить по их объему (примерно 60х150х10 км3), аномальной плотности (0,1 г/см3) и средней длине пути (около 80 км). За 20-30 млн. лет она составит около 7-1021 Дж, за 33 года - около 1016 Дж. Представление о релаксации напряжений (и, соответственно, переходе энергии в тепло без посредства затухания волн землетрясений) трудно применить к рассматриваемому типу процесса. Скорее всего, смещения происходят по непрерывно подновляемым зонам нарушения сплошности среды.
Выводы. Проведенный анализ параметров сейсмичности в переходных зонах от континентов к Тихому океану на глубинах от 40-70 до 200-300 км показал, что для объяснения этих событий, как и для рассмотренных ранее землетрясений на больших и меньших глубинах [6, 7], могут быть использованы представления адвекционно-полиморфной гипотезы глубинных процессов в тектонос-фере Земли. Наиболее существенной причиной сейсмичности оказывается изменение минералогии пород коры и мантии, происходящее в связи с изменениями температуры и давления при тепломассопереносе.
1. Аки К. Механизм землетрясений // Верхняя мантия. - М.: Мир. - 1975. - С.199-213.
2. Балакина Л.М. Субдукция и механизмы землетрясений // Спорные аспекты тектоники плит и возможные альтернативы. - М.: ИФЗ РАН. - 2002. - С.120-141.
3. Беляевский НА. Строение земной коры континентов по геолого-геофизическим данным. - М.: Недра. - 1981. - 432с.
4. Геология континентальных окраин / Ред К. Берк и Ч. Дрейк, Т. 2.- М.: Мир. - 1978.
- 374с.
5. Гонтовая Л.И., Гордиенко В.В., Попруженко С.В., Низкоус И.В. Глубинная модель верхней мантии Камчатки // Вестник КРАУНЦ, Науки о Земле. - 2007. - №1, вып. 9. - С. 78-92.
в. Гоpдuенко B.B., Гоpдиенко И£. О природе глубокой сейсмичности в переходных зонах от континентов к океанам // Геология и полезные ископаемые мирового океана. -200В. - №3 - С. 56-64.
7. Гоpдuенко B.B., Гоpдuенко ИМ. О природе мелкофокусной сейсмичности в переходных зонах Колумбийского типа // Геология и полезные ископаемые мирового океана.
- 200В. - №4 - С. В3-92
S. Гоpдuенко B.B. Адвекционно-полиморфная гипотеза глубинных процессов в тектонос-фере. - Киев: Корвін пресс. - 2007. - 172с.
О. Kpылов С£., Дучков АД. Глубинное деформационно-прочностное районирование земной коры // Геология и геофизика. - 1996. - т.37, 9. - С.36-65.
10. Обуэн Ж. Геосинклинали. - М.: Мир. - 1967. - 302с.
11. Соболев B£., Соболев B.H. Новые доказательства погружения на большие глубины эклогитизированных пород земной коры // Докл. АН СССР. - 19В0. - т.250, 3. -С.6В3-6В5.
12. Тектоносфера Тихоокеанской окраины Азии / Гордиенко В.В., Андреев А.А., Бикке-нина С.К. и др. - Владивосток: ДВО РАН. - 1992. - 239с.
l З. Хаин B.E. Региональная тектоника. Северная и Южная Америка, Антарктида, Африка. - М.: Недра. - 1971. - 54Вс.
14. Энциклопедия региональной геологии мира. Западное полушарие / Ред. Р. Фейрб-ридж. - Л.: Недра. - 19В0. - 512с.
1Б. Boyd F, McCallister R Densities fertile and sterile garnet peridotites // Geop. Res.
Letters. - 1976. - v.3, 9. - P.509-512.
1в. Carlson R., Pearson D., James D. Physical, chemical, and chronological characteristics of continental mantle // Rev. Geophys. - 2005. - 43. - RG1001. - doi:10.1029/ 2004RG000156.
17. Djomani Y., O’Reily S., Griffin W., Morgan P. The density structure of subcontinental lithosphere through time // Earth and Plan. Sci. Let. - 2001. - v.^4, 3-4. - P.605-621.
15. Irifune T. An experimental investigation of the pyroxene-garnet transformation in a pyrolite composition and its bearing on the constitution of the mantle // Phys. Earth and Pl. Inter. - 19В7. - 45. - P.324-336.
19. Lappin M., Dawson J. Two Roberts Victor cumulate eclogites and their re-equilibration // Phys. and Chem. Earth. - 1975. - v.9. - P.351-365.
2Q. Oliver G., Chen F., Buchwaldt R., Henger E. Fast tectonometamorphism and exhumation in the type area of the Barrovian and Buchan zones // Geology. - 2000. - v^, 5. -P.459-462.
21. Ota T., Gladkochub D., Sklyarov E., Mazukabzov A., Watanabe T. P-T history of garnet-websterites in the Sharyzhalgai complex, southwestern margin of Siberian craton: evidence for Paleoproterozoic high-pressure metamorphism // Precambrian Research. - 2004. - v.132, 4. - P.327-348.
22. Pavlenkova G.A., Pavlenkova N.I. Upper mantle structure of Northern Eurasia from peaseful nuclear explosion data // Tectonophysics. - 2006. - 416. - P. 33-52.
23. U.S. Geological Survey. National Earthquake information Center. http // www.neic.cr.usgs.gov.
Pозглянymо pозnодiл землетpyciв з глибинами вогнищ nеpевaжно до 200-300 км у пе-pеxiднiй зоні Тихоокеанского типу. Bcтaновлено їх зв’язок з глибинними npоцеcaмu (згідно з aдвекцшно-nолiмоpфною гіпотезою) у межах pегiонiв cyчacної активізації геоcuнклiнaлей альпійського віку.
An allocation of earthquakes having focus depths up to 200-З00 km in transition zones of Pacific type is considered. Their connection with deep processes (in accordance with the advection-polymorphous hypothesis) in regions of recent activization of alpine geosynclines is determined.
