CC BY
12
УДК 550.834.42+550.34
DOI: 10.183 03/2618-981X-2018-4-32-40
ОБ АНОМАЛИЯХ СКОРОСТНОГО СТРОЕНИЯ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ПРИБАЙКАЛЬЯ И ЗАБАЙКАЛЬЯ ПО ДАННЫМ СЕЙСМОЛОГИИ И ГСЗ
Виктор Михайлович Соловьев
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптю-га, 3, кандидат геолого-минералогических наук, заместитель директора, тел. (383)330-75-68, e-mail: solov@gs.nsc.ru
Владимир Васильевич Чечельницкий
Байкальский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128, кандидат геолого-минералогических наук, заместитель директора, тел. (3952)42-74-90, e-mail: сhechel@crust.irk.ru
Александр Сергеевич Сальников
Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 67, доктор геолого-минералогических наук, зав. отделом сейсморазведки, тел. (383)222-62-13, e-mail: seispv@sniiggims.ru
Виктор Сергеевич Селезнев
Сейсмологический филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, директор, тел. (383)333-20-21, e-mail: sel@gs.nsc.ru
Алексей Владимирович Лисейкин
Сейсмологический филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, зав. лабораторией, тел. (383)333-20-21, e-mail: lexik1979@mail.ru
Наталья Александровна Галёва
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник, тел. (383)330-75-68, e-mail:tatapelya@gmail.com
Представлены новые сведения о скоростном строении верхней мантии Прибайкалья и Забайкалья по данным глубинных сейсмических исследований на опорном геофизическом профиле 1-СБ и площадной интерпретации сейсмологических данных от достаточно сильных землетрясений. Подтверждены выделенные ранее по ГСЗ низкоскоростные аномалии в верхней мантии в пределах Байкальской рифтовой зоны по данным Р-и S-волн. В юго-восточной части Забайкалья на участке Монголо-Охотского орогенного пояса выделен высокоскоростной блок по границе Мохоровичича; высказано предположение о его природе.
Ключевые слова: профиль ГСЗ, скорость продольных и поперечных волн, граница Мохоровичича, сейсмологические данные.
ABOUT ANOMALIES OF THE VELOCITY STRUCTURE OF THE UPPER MANTLE OF THE BAIKALIA AND THE TRANS-BAIKAL ACCORDING TO THE DATA OF THE SEISMOLOGY AND THE DEED SEISMIC STUDIES
Victor M. Solovyev
Altai-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Deputy Director, phone: (383)330-75-68, e-mail:solov@gs.nsc.ru
Vladimir V. Chechelnitsky
Baikal Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 128, Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia, Ph. D., Deputy Director, phone: (395)242-74-90, e-mail: chechel@crust.irk.ru
Alexander S. Salnikov
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Resources, 67, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Head of Seismic Department, phone: (383)222-62-13, e-mail: seispv@sniiggims.ru
Viktor S. Seleznev
Seismological Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Director, phone: (383)333-20-21, e-mail: sel@gs.nsc.ru
Aleksey V. Liseikin
Seismological Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Head of Laboratory, phone: (383)333-20-21, e-mail: lexik1979@mail.ru
Natalya А. Galyova
Altai-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383)330-75-68, e-mail: shennastya@gs.nsc.ru
According to the data of deep seismic studies (DSS) on the geophysical reference profile 1-SB and the area interpretation of seismological data from sufficiently strong earthquakes the new data about the high-velocity structure of the upper mantle of the Baikalia and Trans-Baikal regions are presented. The low-velocity anomalies in the upper mantle, identified earlier by the DSS in the Baikal rift zone from the P- and S-waves data are confirmed. In the southeastern part of the Transbaikal, a high-velocity block along the Mohorovicic boundary was identified on the site of the Mongolo-Okhotsk orogenic belt. An assumption is made about its origin.
Key words: deep seismic studies, velocity of P- and S-waves, Moho boundary, seismological
data.
Введение
На территории Прибайкалья и Забайкалья к настоящему времени выполнен значительный комплекс сейсмических исследований по изучению глубинного строения земной коры и верхней мантии: работы методом глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) [2-4, 6, 7], методом обменных волн от уда-
ленных землетрясений [1], томографические построения по данным от удаленных и локальных землетрясений и др. Выполненные по разным методикам и при использовании разных типов и классов волн сведения по глубинному строению зачастую противоречат друг другу. Так, в работе [10] по многоканальному сейсмическому профилированию под Байкалом на глубине 40 км прослежена граница Мохоровичича с нормальной скоростью Р-волн (> 8.0 км/с), что противоречит материалам ГСЗ 70-80-х гг., свидетельствующих об аномальной мантии под Байкалом с пониженными скоростями продольных волн. В работе [1] по данным обменных волн от удаленных землетрясений отмечается, что «исследование подтверждает на качественном уровне пониженные значения скорости продольных волн (установленные ранее по ГСЗ в БРЗ)», но они, как правило, не сопровождаются понижением скорости поперечных волн, ожидаемом при частичном плавлении. В настоящей статье на основе интерпретации материалов ГСЗ по опорному геофизическому профилю 1-СБ (Восточный), протяженностью свыше 1 200 км, и данных сейсмологии на территории Прибайкалья и Забайкалья (рис. 1), изучено скоростное строение верхней мантии, включая зоны с аномалиями скорости Р- и S-волн. Проведено сопоставление полученных результатов с материалами других исследований.
Аномалии скорости по границе Мохоровичича на профиле 1-СБ.
Сведения о распределении граничной скорости Р-и S-волн получены на двух фрагментах профиля 1-СБ - Забайкальском и Байкало-Патомском (рис. 1).
Рис. 1. Схема сейсмических наблюдений в Прибайкалье и Забайкалье:
1 - города; 2, 3 - профиль 1-СБ, Забайкальский и Байкало-Патомский фрагменты соответственно; 4 - землетрясения с К>12; 5 - сейсмостанции; 6 - контуры Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) по [9]
Для определения граничной скорости по границе Мохоровичича (М) использовались годографы преломленных волн (РМр) на удалениях 180-350 км
(полученные по достаточно плотным системам наблюдений на профилях с расстояниями между источниками в 25-40 км и приемниками 5-8 км [6, 7]). По годографам преломленных волн были определены графики кажущейся скорости в прямом и встречном направлениях и граничная скорость с учетом сейсмического сноса (рис. 2 а, б).
Рис. 2. Графики кажущейся (в прямом и встречном направлениях) и граничной скорости: продольных волн по границе Мохоровичича на Забайкальском (а) и Байкало-Патомском (б) фрагментах и поперечных волн на Забайкальском фрагменте (в) профиля 1-СБ (Восточный участок)
На большей части Забайкальского участка профиля 1 -СБ скорость Рпр -волн принимает высокие значения в 8.4 ± 0.15 км/с (рис. 2, а). Более высокие значения скорости Ррр -волн (до 8.55 км/с) отмечены для участка Х = 190-240 км (северо-западная часть Газимурского блока); несколько пониженные зна-
чения граничной скорости Р-волн в 8.25-8.30 км/с получены в юго-восточной части профиля Х = 465-505 км (северная часть Витимо-Урюмского блока) (рис. 2, а).
На Байкало-Патомском фрагменте профиля 1-СБ граничная скорость Рнрр-волн в целом по всему профилю изменяется от 7.9-8.1 до 8.2-8.4 км/с
(рис. 2, б). Более высокие значения скорости Р-волн (до 8.3-8.40 км/с) отмечаются для юго-восточного участка профиля (в Селенга-Становом блоке и Баргу-зинском массиве), в северо-западной части профиля Х = 570-670 км (северозападной части Бодайбинско-Патомской складчатой области) и в центральной части профиля (Х = 270-330 км) в пределах так называемой Муйской глыбы [2]; пониженные значения граничной скорости Р-волн от границы М в 7.8-8.0 км/с отмечены в центральной части профиля (Х = 350-460 км) в области сочленения Байкальской и Бодайбинско-Патомской складчатых областей.
По данным поперечных преломленных волн, от границы Мохоровичича на Забайкальском фрагменте профиля 1 -СБ, как и по Р-волнам, установлены достаточно высокие значения граничной скорости S-волн 4.9 ± 0.05 км/с (рис. 2, в). Средние отношения скоростей Р-и S-волн по границе М составляют 1.70-1.74, а коэффициент Пуассона (а) принимает значения от 0.23 до 0.25.
В целом, полученное выше распределение граничной скорости Р-волн на профиле 1-СБ коррелирует с результатами ранних работ ГСЗ [2-4] и дополняет их для слабоизученной юго-восточной части Забайкалья.
Особенности скоростного строения верхней мантии территории Прибайкалья и Забайкалья по данным площадных сейсмологических исследований.
С использованием данных от землетрясений проводилось площадное изучение граничной скорости по границе Мохоровичича. В обработке было использовано 615 времен пробега РРр -волны на удалениях от 180 до 1 470 км
и 428 времен S-волны на удалениях от 180 до 1 160 км из базы сейсмологических данных Байкальского филиала ФИЦ ЕГС РАН за период с 2002 по 2014 г. Эти данные получены на цифровой регистрирующей аппаратуре от достаточно сильных землетрясений с энергетическими классами К от 12.0 до 15.9; для них были определены с высокой точностью эпицентры и с меньшей точностью (в среднем, не хуже, чем ± 5 км) глубины землетрясений. Из анализа материалов ГСЗ прошлых лет [2-4] и данных по профилю 1 -СБ [6, 7] следует, что средние глубины до границы М составляют 40 км, а средние скорости в земной коре (V) - 6.4 км/с и 3.7 км/с соответственно для Р- и S-волн. С использованием этих данных и сведений о глубинах гипоцентров землетрясений, по каждому отрезку (эпицентр землетрясения-сейсмостанция) в рамках простых соотношений определялись значения граничной скорости (Уг) по границе М:
Уг = (2Н -к)со8~(0 ' (1)
Здесь I = агоБт
V
V г у
; Ь, I, Н и И - эпицентральное расстояние, время пробе-
га от гипоцентра до сейсмостанции, глубина до границы М и глубина очага землетрясения, соответственно. Покрывающая среда при этом предполагается однородной, а граница плоской и горизонтальной.
Из анализа всей совокупности распределения кажущейся скорости Рпр -волны (рассматриваемой, в первом приближении, как граничная скорость) для нарастающих интервалов регистрации, установлено, что в интервале удалений 180-400 км значения скорости находятся в пределах 7.4-8.4 км/с; на удалениях до 400-600 км они несколько повышены и составляют 7.8-8.4 км/с. На больших интервалах удалений до 800 - 1 200^1 470 км разброс существенно уменьшен и значение скорости при этом составляет 7.9-8.1 км/с. Для S-волн эти значения составляют 4.3-4.85, 4.45-4.8 и 4.5-4.7 км/с соответственно. Была выполнена оценка влияния ошибок в глубинах землетрясений на значения кажущейся скорости РМр -волны для разных удалений. Для единичных вычислений ошибка
в определении времен ± 0.5 секунды (за счет средних ошибок в глубине гипоцентра ~ ± 5 км) приведет к ошибкам в значениях скорости ~ ± 0.15 км/с на малых базах (200-400 км) и к менее значительным ошибкам ~ ± 0.05 км/с на больших удалениях в 800-1 200 км.
Для определения скорости Р- и S-волн по границе Мохоровичича в пределах Байкальской рифтовой зоны были сделаны выборки из данных так, чтобы пробег луча от землетрясения к станции по границе М находился в пределах контура БРЗ (см. рис. 1). Кроме того, с целью учета отмечаемой на ряде профилей ГСЗ смены преломленных Р-и S-волн в БРЗ на удалениях в 300-400 км [2-4], производились выборки значений скорости Р- и S-волн на удалениях до 350 км и более 350 км. Полученные осредненные данные Р-и S-волн представлены в таблице.
V (Р, V Интервал осредн., км п V, км/с Стандарт. отклон., км/с
Ур 180-350 138 7.89 0.14
Уя 180-350 81 4.47 0.09
Ур 350-1 150 258 8.00 0.07
Уя 350-1 100 185 4.60 0.06
Как видно из таблицы, в целом для Байкальской рифтовой зоны по сейсмологическим данным на удалениях 180-350 км отмечается понижение скорости Р- и S-волн, что подтверждает данные ГСЗ о существовании аномальной мантии в пределах БРЗ [2-4]. Полученные на больших удалениях скорости Р-и Б-волн (свыше 350 км в таблице) соответствуют нормальной мантии на больших глубинах. В работе [2] приведены расчеты значений кажущейся скорости Б-волн по границе Мохоровичича в БРЗ (из материалов сейсмологических бюл-
летеней за 1970-1973 гг.) для таких же интервалов, как в таблице. Полученные значения скорости S-волн составили соответственно 4.32 ± 0.1 км/с и 4.52 км/с, что коррелирует с результатами в таблице и вместе с ними подтверждает существование пониженной скорости на поверхности Мохо в Байкальской рифтовой зоне (аномальной мантии по Р- и S-волнам).
Полученные значения граничной скорости на отрезках лучей в пределах всей площади были также использованы для томографической интерпретации. Первоначально в исходные времена и расстояния вводились поправки за сейсмический снос, чтобы полученные таким образом времена относились к участку пробега по границе М. Площадь была разбита на равные квадраты со стороной 200 км. Далее была составлена система уравнений:
ь=у а.
(2)
где - времена пробега волны вдоль /-го луча по границе М; а^ - длина сегмента
/-го луча в у'-м блоке разбиения поверхности М; У/' = I' - длина /-го луча по гра-
]
нице М; - неизвестная граничная скорость на поверхности мантии в '-м блоке
разбиения поверхности. Решение системы уравнений осуществлялось методом регуляризации [5]. Значения скорости для референтной модели были взяты из схемы распределения граничной скорости на поверхности мантии, полученной ранее методом ГСЗ на территории БРЗ и разновозрастных складчатых областей Прибайкалья и Забайкалья [2-4] и данных с профиля 1-СБ на рис. 2, а, б. Полученное распределение граничной скорости представлено на рис. 3.
Рис. 3. Схема распределения граничной скорости по границе Мохоровичича
(условные обозначения см. на рис. 1)
Несмотря на присутствие модельных погрешностей, результаты опорного профиля 1 -СБ и сейсмологии существенно дополнили построенные ранее карты граничной скорости в Прибайкалье и Забайкалье. В северо-западной и северовосточной частях площади исследований (в пределах Байкальской рифтовой зоны) граничная скорость имеет пониженные значения в 7.80-7.95 км/с. В юго-восточной части площади в верхней мантии выделен высокоскоростной мантийный блок с поперечными размерами около 600 х 600 км.
В пределах Забайкальского фрагмента профиля 1-СБ - это область сочленения Восточно-Забайкальской и Саяно-Байкальской складчатых областей Центрально-Азиатского складчатого пояса, разделенных Монголо-Охотским поясом. Высокоскоростной участок от профиля 1 -СБ вытянут в южном и в юго-западном (за Читу) направлениях. В целом же, высокоскоростная зона по границе М прослеживается через всю исследуемую площадь с юго-запада на северо-восток (рис. 3) и совпадает с простиранием Монголо-Охотского орогенного пояса. В работе [8] на основе анализа геолого-геофизических и геодинамических сведений по району исследований сделано предположение, что выделенный по данным сейсмологии и ГСЗ высокоскоростной слой в верхней мантии в юго-восточной части Забайкалья является пластиной эклогитов (или эклогито-подобных пород) в районе Монголо-Охотского орогенного пояса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Винник Л. П., Орешин С. И., Цыдыпова Л. Р., Мордвинова В. В., Кобелев М. М., Хритова М. А., Тубанов Ц. А. Кора и мантия Байкальской рифтовой зоны по данным приемных функций продольных и поперечных волн // Geodynamics & Tectonophysics. - 2017. -Т. 8, - № 4. - С. 695-709. ёо1:10.5800/аТ-2017-8-4-0313.
2. Крылов С. В., Мандельбаум М. М., Мишенькин Б. П., Мишенькина З. Р., Петрик Г. В., Селезнев В. С. Недра Байкала (по сейсмическим данным). - М. : Наука, 1981. - 105 с.
3. Мишенькин Б. П., Мишенькина З. Р., Петрик Г. В, Шелудько И. Ф., Мандельбаум М. М., Селезнев В. С., Соловьев В. М. Изучение земной коры и верхней мантии в Байкальской рифтовой зоне методом глубинного сейсмического зондирования // Физика Земли, 1999. - № 7-8 - С. 74-93.
4. Крылов С. В., Мандельбаум М. М., Селезнев В. С., Соловьев В. М., Елинов В. Д. Детальные глубинные сейсмические исследования в Верхнеангарском районе Байкальской рифтовой зоны // Геология и геофизика. 1990. - Т. 31, № 7. - С. 17-27.
5. Нолет Г. Сейсмическая томография. С приложениями в глобальной сейсмологии и разведочной геофизике. - М. : Мир, 1990. - 416 с.
6. Соловьев В. М, Селезнев В. С., Сальников А. С., Лисейкин А. В., Романенко И. Е., Елагин С. А., Шенмайер А. Е. Особенности сейсмического строения структур Забайкальской части Центрально-Азиатского складчатого пояса в створе опорного геофизического профиля 1-СБ. // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 2. - С. 234-238.
7. Соловьев В. М, Селезнев В. С., Сальников А. С., Лисейкин А. В., Романенко И. Е., Елагин С. А., Шенмайер А. Е. Глубинные сейсмические исследования на Байкало-Патом-ском фрагменте Восточного участка опорного профиля 1-СБ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело.
Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 4. - С. 106-112.
8. Соловьев В. М., Чечельницкий В. В., Сальников А. С., Селезнев В. С., Лисей-кин А. В., Галёва Н. А. Особенности скоростного строения верхней мантии Забайкалья на участке Монголо-Охотского орогенного пояса // Геодинамика и тектонофизика. 2017. - Т. 8, № 4. - С. 1065-1082. doi:10.5800/GT-2017-8-4-0333.
9. Солоненко В. П. Сейсмотектоника и современное структурное развитие Байкальской рифтовой зоны // Байкальский рифт. - М. : Наука, 1968. - С. 57-71.
10. Ten Brink U. S., Taylor M. H. Crustal structure of central Lake Baikal: insights into intracontinental rifting // J. Geophys. Res., 2002. - V. 107. - № B.7. 10.1029/2001JB000300.
REFERENCES
1. Vinnik L. P., Oreshin S. I., Cydypova L. R., Mordvinova V. V., Kobe-lev M. M., Hritova M. A., Tubanov C. A Kora i mantiya Bajkal'skoj riftovoj zony po dan-nym priemnyh funkcij prodol'nyh i poperechnyh voln // Geodynamics & Tectonophysics. 2017. - T. 8. - N 4. - S. 695-709. doi: 10.5800/GT-2017-8-4-0313.
2. Krylov S. V., Mandel'baum M. M., Mishen'kin B. P., Mishen'kina Z. R., Pet-rik G. V., Seleznev V. S. Nedra Bajkala (po sejsmicheskim dannym). Izd. Nauka, 1981. - 105 s.
3. Mishen'kin B. P., Mishen'kina Z. R., Petrik G. V, Shelud'ko I. F., Mandel'-baum M. M., Seleznev V. S., Solov'ev V. M. Izuchenie zemnoj kory i verhnej mantii v Baj-kal'skoj riftovoj zone metodom glubinnogo sejsmicheskogo zondirovaniya // Fizika Zemli, 1999. - № 7-8 - S. 74-93.
4. Krylov S. V., Mandel'baum M. M., Seleznev V. S., Solov'ev V. M., Eli-nov V. D. Detal'nye glubinnye sejsmicheskie issledovaniya v Verhneangarskom rajone Bajkal'skoj riftovoj zony // Geologiya i geofizika. 1990. - T. 31, № 7. - S. 17-27.
5. Nolet G. Sejsmicheskaya tomografiya. S prilozheniyami v global'noj sejsmolo-gii i razvedochnoj geofizike. - M. : Mir, 1990. - 416 s.
6. Solov'ev V. M, Seleznev V. S., Sal'nikov A. S., Lisejkin A. V., Romanen-ko I. E., Elagin S. A., Shenmajer A. E. Osobennosti sejsmicheskogo stroeniya struktur Za-bajkal'skoj chasti Central'no-Aziatskogo skladchatogo poyasa v stvore opornogo geofiziche-skogo profilya 1-SB. «Interekspo Geo-Sibir'-2016». - Novosibirsk: SGUGiT, 2016. - Tom 2. - S. 234-238.
7. Solov'ev V. M, Seleznev V. S., Sal'nikov A. S., Lisejkin A. V., Romanen-ko I. E., Elagin S. A., Shenmajer A. E. Glubinnye sejsmicheskie issledovaniya na Bajkalo-Patomskom fragmente Vostochnogo uchastka opornogo profilya 1-SB. «Interekspo Geo-Sibir'-2017». - Novosibirsk: SGUGiT, 2017. - Tom 4. - S. 106-112.
8. Solov'ev V. M., Chechel'nickij V. V., Sal'nikov A. S., Seleznev V. S., Lisej-kin A. V., Galyova N. A. Osobennosti skorostnogo stroeniya verhnej mantii Zabajkal'ya na uchastke Mongolo-Ohotskogo orogennogo poyasa // Geodinamika i tektonofizika. 2017. - T. 8, № 4. -S. 1065-1082. doi:10.5800/GT-2017-8-4-0333.
9. Solonenko V. P. Sejsmotektonika i sovremennoe strukturnoe razvitie Baj-kal'skoj riftovoj zony // Bajkal'skij rift. - M. : Nauka, 1968. - S. 57-71.
10. Ten Brink U. S., Taylor M. H. Crustal structure of central Lake Baikal: insights into intracontinental rifting // J. Geophys. Res., 2002. - V. 107. - № B.7. 10.1029/2001JB000300.
© В. М. Соловьев, В. В. Чечельницкий, А. С. Сальников, В. С. Селезнев, А. В. Лисейкин, Н. А. Галёва, 2018
