Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 2, стр. 180-183

ВВЕДЕНИЕ

Геологическое строение Кольского региона является предметом пристального исследования на протяжении многих десятилетий. Будучи одной из древнейших известных тектонических структур с высоким потенциалом разработки промышленных месторождений твердых полезных ископаемых, знания о его глубинном строении могут быть полезными для изучения эволюции и развития геодинамических процессов Земли на протяжении ее развития, а также на механизмы формирования и выхода на поверхность мультиметальных месторождений. Изучаемая область является северо-восточной частью древнего Балтийского (или Фенноскандинавского) щита. Одной из его важных отличительных особенностей является выраженное блоковое строение. Традиционно в его пределах выделяют три наиболее крупных блока, контактирующих по зонам тектонических разломов – Мурманский, Кольский и Беломорский (рис. 1). Они различаются глубинным строением, характером геологического развития и металлогенией.

Рис. 1.

Схема тектонического районирования Кольского региона (по [3], с дополнениями). Черными треугольниками показано положение сейсмических станций.

Геофизическими методами регион исследован неоднородно. В основном, в фокусе внимания сейсмологии оставалась северо-западная область Кольского региона, где сосредоточены крупные мультиметальные и иные промышленные месторождения (Печенгский район). Структура верхней мантии известна по данным двух профилей, проходящих через изучаемую территорию – профиль ГСЗ “Кварц” [1] и профиль 1-ЕВ [2]. Тем самым, на территории Кольского региона остаются существенные “белые пятна”, сведения о глубинном скоростном строении которых известны в основном на основе интерполяции.

В последние десятилетия для получения локальных глубинных скоростных разрезов земной коры и верхней мантии в мировой сейсмологии активно применяется метод продольных функций приемника (PRF). В его основе лежит анализ записей обменных волн P–S от телесейсмических событий. Обменные волны формируются на контрастных сейсмических границах, расположенных в среде под регистрирующей аппаратурой, при прохождении через них продольной волны от источника и позволяют восстановить локальный глубинный скоростной разрез с высоким вертикальным разрешением. Для Кольского региона этот метод практически не применялся. Известны две работы [4, 5], в которых были использованы данные сейсмических станций Апатиты (APA) и Ловозеро (LVZ), расположенных в Кольском блоке, для получения скоростных разрезов земной коры и верхней мантии.

В представленной работе впервые получены скоростные модели поперечных волн методом PRF до глубины 300 км Мурманского и Беломорского блоков, а также проведено их сопоставление с ранее полученными моделями Кольского блока [5].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Для получения индивидуальных PRF был использован подход, многократно апробированный и детально описанный в литературе (например, [6]). Для анализа использовались источники возбуждений, находящиеся в диапазоне эпицентральных расстояний 40°–100°. Для получения параметров анализируемых событий (а именно – времени в очаге, глубины и координат) использовался каталог CMT [7]. Также эмпирически установлено, что события с магнитудой менее 5.5 чрезвычайно редко пригодны для обработки и потому не использовались. Для анализа отбирались события с импульсной формой колебания первой падающей волны и высоким (более 3) отношением сигнал/шум.

Для данных каждой из станций генерировалось по 20 000 случайных начальных моделей, каждая из которых минимизировалась методом Левенберга-Марквардта для получения решения. Свободными параметрами являлись скорости поперечных волн (Vs) и отношение скоростей продольных и поперечных волн (Vp/Vs). По каждому набору выбиралось порядка 1% решений, синтетические PRF от которых ближе всего описывали наблюденные данные. Медианная модель по полученной выборке считается результирующей моделью. Детальное описание алгоритма приведено в [8].

Глубинные скоростные разрезы были рассчитаны по данным широкополосных сейсмических станций, расположенных в основных геоблоках Кольского региона: станции “Териберка” (TER) в Мурманском блоке и станции “Ковда” (KVDA) в Беломорском блоке. Рассчитанные скоростные модели были сопоставлены с ранее полученными авторами скоростными разрезами Кольского блока, по данным широкополосных станций “Апатиты” (APA) и “Ловозеро” (LVZ) [5] (рис. 2).

Рис. 2.

Скоростные разрезы поперечных волн, характеризующие Мурманский блок (а), Беломорский блок (б), Кольский блок (в, г). Цветами показаны поля сгущения индивидуальных минимизированных случайных моделей. Пунктирными линиями показаны медианные модели. Красные линии обозначают границы формирования случайных начальных моделей. Черные линии представляют модель IASP91.

Мурманский блок (рис. 2 а) характеризуется градиентным повышением скорости поперечных волн в коре с 3.2 до 4.1 км/с. На глубине порядка 11 км выявлен скачок скоростей, связанный, вероятно, с границей перехода от верхней к нижней коре. Граница Мохо определена единым разделом на глубине 35 км со скачком скоростей с 4 до 4.3 км/с. Наиболее яркой особенностью верхней мантии является слой относительно пониженных скоростей на глубинах порядка 70–140 км.

Скоростной разрез Беломорского блока (рис. 2б) несколько отличается от модели Мурманского блока. Скорости в коре находятся в диапазоне 3.3–3.9 км/с. Граница перехода верхняя/нижняя кора выявляется более явно на глубине порядка 14 км. Общая мощность коры составляет 33 км. Коро-мантийный переход характеризуется скачкообразным увеличением скоростей Vs с 3.9 до 4.2 км/с. В верхней мантии, также как для Мурманского блока, выявляется слой пониженных скоростей на глубинах 70–130 км с наибольшим падением скоростей на глубинах 100–130 км до скоростей 4.35 км/с.

Как видно, скоростное строение коры различных блоков Кольского региона (рис. 2 в, г), несмотря на кажущее сходство, заметно различается. Так, наибольшую мощность имеет кора Кольского блока (40 км) [5]. Мощность коры Мурманского блока несколько больше, чем определено для Беломорского блока (35 и 33 км соответственно). Во всех моделях определена двухслойная кора с границей раздела на глубине порядка 15 км для Кольского и Беломорского блоков и 11 км для Мурманского. Приведенные оценки уточняют результаты, достигнутые с использованием профилей ГСЗ и МОВЗ. Так, по данным интерпретации профиля ГСЗ “Кварц”, граница Мохо определена на глубине 43–44 км и порядка 37 км для Кольского и Беломорского блоков соответственно [1]. По данным профиля МОВЗ “Толстик”–“Хибины” (северная часть профиля 1-ЕВ), мощность земной коры составляет порядка 41–42 км для Мурманского и Кольского блоков с утончением до 40 км в районе Хибинского массива Кольского блока [2].

Особое внимание следует уделить, впервые выявленному для всего Кольского региона, слою пониженных (относительно стандартной скоростной модели Земли IASP91 9]) скоростей в верхней мантии. Его подошва на всех моделях находится на глубине 130–140 км, а кровля изменяется от 70 км для Мурманского и Беломорского блоков, до 90 км для Кольского блока. Выявленный слой является “средне литосферной неоднородностью” или MLD. Этот слой обнаружен практически повсеместно под древними кратонами на глубине порядка 100 км [10]. Однако глубины залегания его кровли и мощность различаются для различных тектонических структур [11–13]. Для западной части Балтийского щита он обнаружен на глубинах 90–130 км. [14]. Для Восточно-Европейской и Сибирских платформ параметры MLD, как и его наличие, не определены, что затрудняет выдвижение гипотез его формирования.