CC BY
14
УДК 551.241+550.347.23
УПРУГПАНИЗПТРОПНЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОБАРИЧЕСКИХ КСЕНОЛИТОВ
ВЕРХНЕЙ МАНТИИ О. ШПИЦБЕРГЕН
О. М. Тришина, Ф. Ф. Горбацевич
Геологический институт Кольского научного центра РАН, Апатиты [email protected], [email protected]
В работе изложены результаты изучения упругоанизотропных свойств образцов высокобарических ксенолитов (о. Шпицберген), представленных оливинитами и ортопироксенами. По данным анализа, породы извержены из верхней мантии. Применен высокоинформативный метод акустополярископии. Получены средние расчетные величины плотности (рс = 3.28 г/см3), скорости распространения продольных ^рс = 8.2 км/с) и поперечных = 4.92 км/с) волн. Экспериментальные значения плотности в среднем ниже расчетных на 7.1 %, скорости продольных волн — на 36 %, поперечных — на 34 %. Указанные величины могут быть использованы при интерпретации результатов глубинной сейсморазведки.
Ключевые слова: акустополярископия, верхняя мантия, ксенолиты, образец, порода, плотность, скорость.
ELASTIC-ANISOTROPIC PROPERTIES OF THE UPPER MANTLE HIGH-PRESSURE XENOLITHS, THE SPITSBERGEN ISLAND
O. M. Trishina, F. F. Gorbatsevich Geological Institute of the Kola Science Centre, Russian Academy of Sciences, Apatity [email protected], [email protected] The paper presents the results of the study of elastic anisotropic properties of high-pressure xenolith (Spitsbergen) represented by olivinites and orthopyroxenes. According to the analysis, the rocks were erupted from the upper mantle. The highly informative method of acoustopolariscopy was used. The average calculated values of density (pc = 3.28 g/cm3), compression (VPC = 8.2 km/s) and shear (VSC = 4.92 km/s) wave velocities were obtained. The experimental density values, on average, are 7.1 % lower than the calculated ones, the velocities of compression waves are 36 % lower and the shear wave velocities are 34 % lower. These values can be used when interpreting the results of deep seismic data.
Keywords: acoustopolariscopy, upper mantle, xenoliths, sample, rocks, density, velosity.
Введение
Наиболее информативным методом исследования мантии и ядра Земли является сейсмический метод, основанный на регистрации скорости продольных и поперечных волн, распространяющихся при землетрясениях или возбуждаемых искусственным путем. Также о петрофизических свойствах пород, слагающих верхнюю мантию, можно получить сведения по изверженным материалам вулканов. Вулкан Сверрефьеллет (рис. 1) о. Шпицберген расположен непосредственно на берегу Боккфьорда и легко доступен для изучения со стороны моря. Шлаково-пирокластический материал и вулканические бомбы
встречаются в современных пляже -вых отложениях напротив вулкана и в конусе выноса ручья Вулканбекке. Основание вулканического конуса простирается в длину на расстояние около 3 км и в ширину на 2.5 км. Угол склона до вулканического рельефа составляет от 7 до 10° на северо-восток. Соответственно, основание вулкана вытянуто в северо-восточном направлении.
Первые исследования вулканов Шпицбергена были проведены А. Хулем и О. Холтедалем [7]. Была собрана весьма представительная коллекция образцов базальтов и глубинных включений в них. В 1911 г. В. Гольдшмидтом был про-
веден химический и минералогический анализ лав Сверрефьеллет из этой коллекции. В 1963 г. Т. Гьелсвик описал структурное положение и состав вулканических пород, слагающих Сверрефьеллет. По данным этого анализа, отложения вулкана Сверрефьеллет содержат материал, который вынесен из верхней мантии.
В настоящее время в научной литературе содержится сравнительно мало данных о физических свойствах пород верхней мантии. Поэтому нами были исследованы образцы лав: шпинелевых перидотитов, пироксе-новых оливинитов и др. с целью определения их упруго-анизотропных свойств.
Характеристика образцов
Нами проведено исследование 8 глубинных ксенолитов с о. Шпицберген и определен их минеральный состав (табл. 1). Фотографии шлифов пород представлены на рис. 2. Структура пород шпинелевых оли-винитов и шпинелевых перидотитов, в основном, гипидиоморфно-зернистая с массивной текстурой. В минеральном составе отобранных образцов преобладает оливин (01) (52—97 %) и ортопироксен (Орх) (4— 40 %).
Методика
На первом этапе методом Архимеда измерили объемную плотность образцов (табл. 2). Определения проводились на образцах в форме куба с гранями 25—31 мм. Маркировка осей куба в трех взаимно перпендикулярных плоскостях обозначена как 1-1', 2-2' и 3-3' (рис. 3). Для определения упругоанизотропных свойств глубинных ксенолитов использовался акустополяризационный метод [4]. Он позволяет установить наличие и степень анизотропии пород, определить пространственную ориентировку и число элементов симметрии, а также величины скорости распространения колебаний в выделенных и иных направлениях, константы упругости и тип симметрии.
При измерениях образец помещали на поворотную платформу акустополярископа между излучателем и приемником поперечных линейно поляризованных колебаний [1]. Измерения амплитуды проходящих колебаний проводили через 1° в пределах полного угла поворота 360° [8]. Согласно методике, на первом этапе измерения выполняются при параллельных векторах поляризации (положение ВП) излучателя и приемника.
На втором этапе векторы поляризации преобразователей устанавливаются под прямым углом (положение ВС). Результатом определений являются акустополяриграммы ВП и ВС — круговые диаграммы изменения амплитуды огибающей импульса в пределах полного угла поворота поворотной платформы. По акустополяриграммам ВП определяется наличие и степень проявления эффекта линейной акустической анизотропии поглощения (ЛААП) Д рассчитываемого по формуле:
Рис. 1. План вулканической постройки Сверрефьеллет [7] Fig. 1. Plan of volcanic buildup Sverrefellet [7]
D = Ad
sd
A + Asd
(i)
зиматрицы скоростей Vj, табл. 2 [4]:
где Лы — наибольший, — наименьший диаметры акустополяриграммы ВП.
Акустополяриграммы, полученные в положении ВС, позволяют определить число и направленность проекций элементов упругой симметрии анизотропного образца, выявить наличие явления деполяризации сдвиговых волн (ДСВ) [5]. По полученным акустополяриграммам выявлялась ориентировка элементов симметрии (рис. 4).
Следующим шагом было определение скоростей распространения продольных (Ур) и поперечных (К8) волн путем прозвучивания образцов в направлениях, ориентированных вдоль осей и плоскостей симметрии, выявленных при акустополя-рископии. Измерения проводились при помощи ультразвукового прибора УД2-12.
Значения скорости распространения продольных и поперечных колебаний представлены в форме ква-
Уц Уц
Уц ^22 ^23
У31 ^32 ^33
где Vu — скорость распространения продольных колебаний, измеренная в направлении i-i', Vjj. — скорость распространения сдвиговыгх колебаний, измеренная в направлении i-i' при ориентировке вектора поляризации излучателя в направлении i-j.
Коэффициент анизотропии по продольным волнам Ар (табл. 2) рассчитан как среднее квадратичное отклонение величин Vii в квазиматрице
(1) [4]:
ср
где Vcp = (V11 + V22 + V33)/3 — средняя скорость распространения продольные волн в образце.
Величины показателя упругой анизотропии В (табл. 2) определены по величинам в квазиматрице (2) и следующих формул:
где
вх=.
В $ + в2 + В-
+ ^13
F + F '
21 23
2(F31 -V32)
(4)
^31 + *32
Рис. 2. Фото шлифов образцов: а — si-2161-7-9; b — si-2162-2; c — sv-1; d — sv-32; e —
sv-35; f — sv-66; g — sv-2166-23; h — sv-2166-26 Fig. 2. Photos of thin sections of samples: а) — si-2161-7-9; b) — si-2162-2; c) — sv-1; d) — sv-32; e) — sv-35; f) — sv-66; g) — sv-2166-23; h) — sv-2166-26
коэффициенты двулучепреломления по граням 1, 2 и 3.
Описание результатов
Согласно полученным результатам, плотность образцов варьируется в пределах 2.94—3.15 г/см3. Практически на всех акустополя-риграммах ВС определяются минимумы амплитуд проходящих колебаний, что указывает на наличие элементов симметрии в строении образцов. В большинстве образцов проявляется эффект линейной акустической анизотропии поглощения (ЛААП), определяемый по характерной сплющенной форме диаграмм ВП. Его проявление наиболее выражено в образцах: 81-2161-7-9, грань 3; 81-2162-2, грани 1, 2, 3; ву-1, грани 1, 2; 8У-35, грань 3; 8У-66, грань 1; 8У-2166-23, грань 2; 8У-21662б, грань 2.
Это обусловлено наличием плоскостей спайности минералов оливина и ортопироксена, их преимущественной ориентировкой. На некоторых диаграммах выявляется эффект деполяризации сдвиговых волн (ДСВ). В наибольшей степени он
Минеральный состав и структура ксенолитов о. Шпицберген (по H. Е. Козловой) Mineral composition and structure of xenoliths Spitzbergen island (N.E Kozlova)
T а б л и ц а 1
T a b l e 1
Номер образца Наименование породы Минеральный состав матрицы Структура Текстура
si-2161-7-9 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 0l-60, Opx-32, Cpx-1, Sp-5, Carb-2 (по трещ.) гипидиоморф нозернистая массивная
si-2162-2 Шпинельсодержащий пироксеновый оливинит 01-91, Opx-4, Sp-3, Carb-2 панидиоморф нозернистая массивная
sv-1 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 01-67, 0px-30, Sp-3 гипидиоморф нозернистая массивная
sv-32 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 01-52, 0px-40, Sp-3, Serp-3, Carb-2 гипидиоморф нозернистая массивная
sv-35 Шпинельсодержащий пироксеновый оливинит 01-87, 0px-10, Sp-3 панидиоморф нозернистая массивная
sv-66 Шпинелевый пироксеновый оливинит 01-74, 0px-20, Sp-6 гипидиоморф нозернистая массивная
sv-2166-23 Оливинит 01-97, Carb-3 (по трещ) панидиоморф нозернистая массивная
sv-2166-26 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 01-60, 0px-35, Cpx-1, Sp-4 гипидиоморф нозернистая слабополосчатая
заметен в образце 8У-32 (все три грани), в меньшей — в образцах 8У-1, грань 3; 8У-66, грань 2. Данный эффект характеризуется аномально увеличенными диаграммами ВС. Впервые этот эффект был выявлен на образцах Кольской сверхглубокой скважины [4]. Проявление эффекта ДСВ можно объяснить разориенти-ровкой кристаллоакустических осей оливина и пироксена в широком диапазоне углов.
Рис. 3. Кубический образец с маркировкой его осей приемника колебаний (положение ВП)
Fig. 3. Cubic sample with axes of fluctuation receiver (parallel vectors)
Изломанные очертания акус-тополяриграмм ВП образцов 8У-1, 8У-32, 8У-66 и др. свидетельствуют о значительном влиянии неод-нородностей в минеральной структуре. Неоднородности минеральной структуры, формы зерен минералов, их размеры видны на фото шлифов образцов. Следует отметить, что по акустополяриграммам выявляются характерные особенности породных образцов, которые позволяют отличить их друг от друга. В то же время фото шлифов не позволяют с достоверностью отделить одну породу от другой.
Средние значения скоростных характеристик, полученные в ходе проведения измерений, составляют Кр = 4.92 км/с по продольным и = 3.24 км/с по поперечным волнам. Следует заметить, что исследованные образцы состоят в основном из оливина и в меньшей степени из ортопироксена (табл. 1). По данным [2], средние скорости в оливине составляют Кр = 8.40 км/с и = 5.16 км/с, в ортопироксене — Кр = 7.21 км/с и У8 = 3.99 км/с. Такая большая разница между величинами скоростей в породе и в минералах обусловлена развитой микротрещиновато -стью образцов, долгое время подвергавшихся процессам выветривания.
Рассчитанные по данным ма-
триц скоростей показатели упругой анизотропии изменяются в высоких
пределах: AP = 6.3—41
BS = 3.8—
24 % (табл. 2). Это позволяет сделать заключение о достаточно высокой степени анизотропии образцов.
Проведенные ранее исследования показали, что породы, вынесенные на поверхность с больших глубин, кроме процессов выветривания испытывают так называемый эффект разуплотнения с образованием разгрузочных микротрещин [6]. Чтобы компенсировать данный эффект и приблизить величины скорости к тем значениям, которыми порода обладала на глубине образования, мы рассчитали значения этих скоростей по минеральному составу. Расчеты выполнены по формуле [2]:
Е 1пКР
(5)
где У1 — средняя скорость волн в минерале, р — доля минерала в породе. Получаемые величины скоро -стей довольно близки к тем, которые наблюдаются при глубинных РТ-условиях [3].
В таблице 3 приведены рассчитанные (рс) и экспериментально измеренные (рк) значения плотности. Значения плотности, рассчитанные по минеральному составу, ва-
Т а б л и ц а 2
Упругие и неупругие характеристики образцов ксенолитов о. Шпицберген
T a b l e 2
Elastic and non-elastic characteristics of xenoliths Spitzbergenisland
Номер образца Наименование породы Плотность р, г/см3 Квазиматрица скоростей Vu, км/с Коэффициент анизотропии AP, % Показатель анизотропии BS, %
si-2161-7-9 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 3.15 5.61 3.68 3.62 3.55 6.10 3.43 3.07 3.15 3.37 41 5
si-2162-2 Шпинельсодержащий пироксеновый оливинит 2.97 4.89 3.31 3.00 3.28 5.34 3.26 3.56 3.57 6.20 17 10
sv-1 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 3.06 4.38 2.85 2.79 2.45 3.81 2.39 2.78 2.87 2.66 34 5
sv-32 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 3.03 2.94 2.72 2.79 2.88 4.54 2.94 2.79 2.93 4.62 33 6
sv-35 Шпинельсодержащий пироксеновый оливинит 2.94 5.94 3.65 3.71 3.70 6.17 3.76 3.37 3.47 5.63 6.5 4
sv-66 Шпинелевый пироксеновый оливинит 3.08 6.96 3.53 4.43 3.11 6.56 3.39 2.96 2.93 7.17 6 24
sv-2166-23 Оливинит 3.04 5.26 3.31 3.28 3.46 5.77 3.51 3.14 2.62 5.13 9 18
sv-2166-26 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 3.09 5.46 2.94 2.88 3.35 5.42 3.61 3.74 3.82 5.93 7 8
рьируются в пределах: рс = 3.23— 3.30 г/см3, рк = 2.94—3.15 г/см3. Скорости продольных и поперечных волн, рассчитанные по минеральному составу изменяются в пределах Урс = 7.92—8.36 км/с и Узс = 4.67—5.04 км/с соответственно. Измеренные экспериментально скорости: Крк = 3.62—6.90 км/с и К8к = = 2.69—3.61 км/с (табл. 3). Перечисленные параметры вычислены как средние величин скорости продольных волн (см. формулу (3). Средние скорости поперечных волн вычисляли по формуле: К8к = (К12 + К13 + У21 +
+ К23 + У31 + К32)/6, используя данные квазиматриц Уу. Вычисленные коэффициенты КР = (Крс - Крк)/Крс, Кз = = (^с — ^8К)/К8с позволяют оценить, насколько микротрещинова-тость снижает скорости продольных и поперечных волн соответственно в образцах, отобранных с земной поверхности.
Заключение
Оливинитовые и ортопироксе-новые ксенолиты представляют породы верхней мантии. Они должны отличаться от пород, составляющих
земную кору, более высокими значениями плотности и скорости распространения волн. Средние расчетные величины плотности (рс = 3.28 г/см3), скорости распространения продольных (Ррс = 8.2 км/с) и поперечных (К8с = 4.92 км/с) волн подтверждают данный вывод. Для образцов пород, отобранных с поверхности, диапазон изменений этих величин гораздо шире. Экспериментальные значения плотности в среднем ниже расчетных на 7.1 %. Экспериментальные скорости продольных волн ниже расчетных на 36.1 %, поперечных —
Рис. 4. Примеры акустополяриграмм образцов ксенолитов с преимущественным содержанием оливина и ортопироксена. Синяя линия — векторы поляризации параллельны (ВП), красная — скрещены (ВС)
Fig. 4. Examples of acustopolarigrams of xenoliths with predominant olivine and orthopyroxene. Blue line — polarization vectors are parallel, red line — crossed
Расчетные и измеренные параметры образцов ксенолитов (о. Шпицберген) Calculated and measured parameters of xenoliths (Spitzbergenisland)
T а б л и ц а 3 T a b l e 3
Номер образца Pc(c), г/см3 Pr(R), г/см VPC, км/с VSC, км/с VpR, км/с VSR, км/с ÊP, % ÊS, % P, %
si-2161-7-9 3.29 3.15 8.09 4.81 5.02 3.42 38 29 4
si-2162-2 3.26 2.97 8.25 5.04 5.47 3.33 34 34 9
sv-1 3.30 3.06 8.25 4.91 3.62 2.69 56 45 7
sv-32 3.26 3.03 7.92 4.67 4.03 2.84 49 39 7
sv-35 3.30 2.94 8.36 5.04 5.91 3.61 29 28 11
sv-66 3.30 3.08 8.32 5.00 6.90 3.39 17 32 7
sv-2166-23 3.23 3.04 8.17 5.03 5.38 3.22 34 36 6
sv-2166-26 3.29 3.09 8.21 4.87 5.60 3.39 32 30 6
Среднее 3.28 3.05 8.20 4.92 5.24 3.24 36.1 34.1 7.1
на 34.1 %. Такая разница между экспериментальными и расчетными показателями объясняется тем, что вынесенные на поверхность с больших глубин породы кроме процессов выветривания испытывают так называемый эффект разуплотнения с образованием разгрузочных микротрещин. Образцы показали достаточно высокую степень упругой ани-
Литература
1. Авт. свид. № 1281993. Акусто-полярископ для измерения упругости образцов твердых сред / Горбацевич Ф. Ф., СССР, МКИ вОШ 29/04. Бюлл. изобр., 1987. № 1.
2. Беликов Б. П., Александров К. С., Рыжова Т. В. Упругие свойства породообразующих минералов и горных пород. М.: Наука, 1970. 276 с.
3. Головатая О. С., Горбацевич Ф. Ф., Керн X., Попп Т. Свойства некоторых пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины при изменении РТ-параметров // Физика Земли. 2006. № 11. С. 3-14.
4. Горбацевич Ф. Ф. Акустополя-рископия породообразующих минералов и кристаллических пород. Апатиты: КНЦ РАН, 2002.140 с.
5. Горбацевич Ф. Ф. Явление деполяризации сдвиговых волн в анизотропных гетерогенных средах // Физика Земли. 1998. № 6. С. 83-90.
6. Горбацевич Ф. Ф., Медведев Р. В. Механизм разуплотнения кристаллических пород при их разгрузке от напряжений // Рудные геофизические исследования на Кольском полуострове. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1986. С. 83-89.
7. Евдокимов А. Н. Вулканы Шпицбергена. СПб: ВНИИОкеангеология, 2000. 123 с.
8. КовалевскийМ. В. К вопросу о совершенствовании методики исследований упругих характеристик геоматери-
зотропии с проявлением эффектов линейной акустической анизотропии поглощения и деполяризации сдвиговых волн. Полученные данные, по нашему мнению, будут полезны при интерпретации результатов глубинной сейсморазведки.
Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность В. Р. Ветрину и Н. Е. Козловой за
алов методом акустополярископии // Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента: Информ. материалы 12-й науч. конф. Сыктывкар: Геопринт, 2003. С. 123—125.
9. Строение литосферы российской части Баренц-региона / Под ред. Н. В. Шарова, Ф. П. Митрофанова, М. Л. Вербы, К. Гиллена. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2005. 318 с.
References
1. Copyright certificate No. 1281993. Acustopolariscope to study elasticity of solid samples.Gorbatsevich F. F., USSR, MKI G01N 29/04. Biull. izobr., 1987. No. 1.
2. Belikov B. P., Alexanderov K. S., Ryzhova T. V. Uprugie svoistva porodo-obrazuiushchikh mineralov I gornykh porod (Elasticity of rock forming minerals and rocks). Moscow, Nauka, 1970, 276 pp.
3. Golovataya O. S., Gorbatsevich F. F., Kern H., Popp T. Svoistva nekotorykh porod Iz razreza Kolskoi sverkhglubokoi skvazhiny pri izmenenii RT-parametrov (Features of some rocks from section of Kola superdeep borehole at changing PT parameters). FizikaZemli, 2006, No. 11, pp. 3-14.
4. Gorbatsevich F. F. Akusto-poliariskopiia porodoobrazuiushchikh mineralov I kristallicheskikh porod (Acustopolariscopy of rock forming minerals and rocks). Apatity. KSC RAS, 2002, 140 pp.
образцы ксенолитов и минералогическое описание пород. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, гранты №№ 10-05-00082-a, 13-05-00125.
5. Gorbatsevich F. F. Iavlenie depoliariz-atcii sdvigovykh voln v anizotropnykh getero-gennykh sredakh (Depolarization of shear waves in anisotropic heterogenous environments). FizikaZemli, 1998, No. 6, pp. 83-90.
6. Gorbatsevich F. F., Medvedev R. V. Mehanizm razuplotneniia kristallicheskikh porodpriikh razgruzke otnapriazhenii. Rudnye geoflzicheskie issledovaniia na Kolskom poluostrove (Mechanism of decompaction of crystalline rocks at discharge from stress. Ore geophysical studies at Kola peninsula). Apatity,Kola branch of USSR AS, 1986, pp. 83-89.
7. Evdokimov A. N. Vulkany Shpitsbergena (Spitzbergen volcanoes). Saint-Petersburg,VNIIOkeangeologiia, 2000, 123 pp.
8. Kovalevskii M. V. K voprosu o sovershenstvovanii metodiki issledovanii uprugikh harakteristik geomaterialov metodom akustopoliariskopii (Perfection of methods of studies of elastic geomaterials by acoustipolaroscopy). Proceedings of 12th conference: Structure, substance, lithosphere history of Timan-Northern Ural segment. Syktyvkar, Geoprint, 2003, pp. 123-125.
9. Stroenie litosfery rossiiskoi chasti Barents-regiona (Structure of lithosphere of Russian part of Barents region). Editor N. V. Sharov, F. P. Mitrofanov, M.L. Verba, K. Gillen. Petrozavodsk, Karelia science center RAS, 2005, 318 pp.
Рецензент к. г.-м. н. А. Е. Сухарев
