Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 2, стр. 38-41

Воронежский кристаллический массив (ВКМ) является одной из наиболее крупных положительных структур Восточно-Европейской платформы, представляет собой погребенный выступ докембрийского фундамента, ограниченный системой авлакогенов и впадин. Имеет четко выраженные структурные ограничения: с северо-востока и юго-запада Пачелмским и Днепрово-Донецким рифейскими авлакогенами, а с северо-запада и юго-востока Оршанской и Прикаспийской впадинами палеозойского заложения. В регионе проведены эксперименты по определению сейсмической анизотропии коры до глубин 45–50 км, основанные на глубинных геотраверсах “Гранит”, “Чёрное море–Воркута” и 1–ЕВ, а также проекте “Астра”. В рамках последнего было констатировано наличие анизотропии подкоркового слоя верхней мантии [1, 2].

В работе методом оценки азимутальной упругой анизотропии был выбран широко распространенный в мировой практике и никогда ранее не применявшийся к ВКМ SKS/SKKS-анализ [3, 4]. Метод является хорошо апробированным и позволяет получать достоверный и устойчивый результат на основе данных одиночных широкополосных станций. Его суть состоит в использовании эффекта расщепления поперечной волны (например, SKS) на две квазипоперечные, распространяющиеся с разной скоростью, при прохождении через анизотропную среду. Моделируются два параметра – величина запаздывания “медленной” волны относительно “быстрой” (δt) и азимут поляризации “быстрой” волны (α). Первый параметр определяет величину анизотропии, а второй предпочтительную ориентацию анизотропного вещества.

Лабораторными экспериментами установлено что оливин как основной минерал слагающий верхнюю мантию обладает выраженными анизотропными свойствами [5]. Принимая во внимание большие периоды SKS-волн (для данного исследования записи фильтровались в диапазоне от 10 до 30 с), а также возможность наличия больших объемов ориентированного оливин-содержащего вещества, получаемые данной методикой результаты, вероятнее всего, относятся к верхней мантии [6].

В работе использованы сейсмограммы, записанные на трех широкополосных сейсмостанциях Воронежской сейсмической сети – “Сторожевое” (VSR), “Новохопёрск” (VRH) и “Галичья гора” (LPSR). Все они оснащены датчиками СМ3-ОС с полосой пропускания 0.1–50 с. В качестве каталога событий использованы данные лаборатории сейсмического мониторинга ВКМ. Из каталога отбирались события с магнитудой >5.5, находящиеся в диапазоне эпицентральных расстояний 65°–120°. Критерием отбора сейсмограммы для ее обработки являлась, в первую очередь, изолированность вступления SKS/SKKS-фазы от других нецелевых вступлений (S, S_diff и др.) [7]. В результате, из более 1000 записей удаленных телесейсмических событий с 2010 по 2019 гг., было отобрано 27 событий для станции VSR; 19 для станции VRH и 15 для станции LPSR. Решение искалось в виде минимума целевой функции (среднеквадратической разности между наблюденной и теоретической T-компонентами, рассчитанной перебором пробных α и δt с шагом ±10° и ±0.1 с соответственно), как было описано, например, в работе [8]. Точность полученных оценок составляет ± шаг по перебору для каждого параметра [7].

Для всех станций получены локализованные значения минимумов целевых функций, соответствующих: для VSR – α = 40°, δt = 0.6 c, для VRH – α = 40°, δ = 0.1 c, для LPSR – α = 40°, δt = 0.4 c. Учитывая близость расположения станций, было также получено общее решение для всех обрабатываемых данных, соответствующее значениям α = 40°, δt = 0.4 c (рис. 1).

Рис. 1.

а – Азимутальное распределение использованных событий. События с близкими азимутами объединены. б – изолинии значений целевой функции для объединенных данных по всем станциям. Звездочкой отмечен минимум целевой функции.

Примененный подход не позволяет установить точную глубину, к которой приурочены анизотропные параметры. Однако, как показано в работе [8], можно произвести приблизительные оценки мощности анизотропного слоя. Используя среднюю величину запаздывания для всех анализируемых станций (δt = 0.4) и стандартную скорость SKS-волн в мантии (4.5 км/с), мощность определяется равной 80 км, что еще раз указывает на мантийную природу выявленного эффекта.

Наиболее вероятной причиной, вызывающим ориентацию больших объемов мантийных ксенолитов, обычно называют астеносферный поток (или иной поток подплавленного мантийного вещества) [9]. При этом разделяют современные геодинамические процессы и, так называемую, “вмороженную” анизотропию. Последний тип связывают с подкорковой литосферой, сохраняющей ориентацию вещества с последнего времени тектонической активности. В данном случае, учитывая совпадение определенных азимутов оси симметрии мантийного вещества и современного направления движения Евразийской плиты в районе ВКМ (рис. 2), сделан вывод о приуроченности анизотропных эффектов современным тектоническим процессам.

Рис. 2.

Тектоническая схема эрозионного среза докембрия ВКМ [12]. 1 – условные границы крупных структур ВЕП; 2  − границы основных структур ВКМ; 3 – тектонические нарушения различного порядка; 4 – сейсмические станции; 5 – главное направление оси симметрии мантийного вещества; 6 – направление движения Евразийской плиты (по [13]).

Полученные результаты согласуются с глобальными моделями мантийной анизотропии, полученными по поверхностным волнам [10, 11]. В работе [10] показано, что азимут направления оси максимальной скорости порядка 40° отвечает глубинам в диапазоне 50–150 км, что также согласуется с приведенными в работе оценками мощности анизотропного слоя.

В работе [7] показано, что азимут оси симметрии мантийного вещества, определенный той же методикой для станции Обнинск, имеет азимут 90°. Исходя из этого можно предположить, что несмотря на близость регионов, поле напряжений в мантии, вероятно, существенно отличается, что подчеркивает обособленность ВКМ от сопредельных территорий ВЕП.