Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 2, стр. 177-182
Поверхностно-волновая томография Кольского полуострова и сопредельных территорий по данным дисперсии групповых скоростей волн Рэлея и Лява
А. И. Филиппова 1, 2, *, О. А. Соловей 3
1 Институт земного магнетизма, ионосферы
и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук
Троицк, Москва, Россия
2 Институт динамики геосфер
им. академика М.А. Садовского
Российской академии наук
Москва, Россия
3 Институт земной коры Сибирского отделения Российской академии наук
Иркутск, Россия
* E-mail: aleirk@mail.ru
Поступила в редакцию 31.01.2022
После доработки 24.02.2022
Принята к публикации 25.02.2022
- EDN: SYWFMP
- DOI: 10.31857/S2686739722060068
Аннотация
На основании представительных данных о дисперсии групповых скоростей поверхностных волн в диапазоне периодов 10–250 с проведено исследование глубинного строения коры и верхней мантии Кольского полуострова и сопредельных территорий. Распределения групповых скоростей волн Рэлея и Лява с оценками их горизонтального разрешения вычислялись методом поверхностно-волновой томографии. По полученным картам для западной и восточной частей Кольского полуострова рассчитаны скоростные разрезы волн SV и SH до глубины 500 км. Результаты исследования имеют более высокое горизонтальное разрешение по сравнению с существующими в настоящее время поверхностно-волновыми моделями и позволяют проследить основные особенности строения коры и верхней мантии рассматриваемой территории. Полученные результаты указывают на возможные различия в строении коры и величине радиальной анизотропии верхней мантии для западной и восточной частей Кольского полуострова.
В настоящее время глубинное строение Кольского полуострова изучено по данным объемных (см. [1]) и поверхностных волн [2–5] в относительно крупномасштабных деталях в отличие от западной части Балтийского щита [6]. Таким образом, основной задачей данной работы является исследование глубинного строения коры и верхней мантии Кольского полуострова и сопредельных территорий (60°–80° с.ш., 15°–54° в.д.) по данным о дисперсии групповых скоростей волн Рэлея и Лява.
В качестве исходных данных использовались записи поверхностных волн от удаленных землетрясений на широкополосных станциях международных сейсмических сетей. Общее количество станций составило 144 для волн Рэлея и 128 для волн Лява. Всего были обработаны записи 45 землетрясений (Мw > 5.6, 2000–2021 гг.), произошедших за пределами рассматриваемого региона. Диапазон расстояний от эпицентров до регистрирующих станций составил примерно 2000–10 000 км. В большинстве случаев это позволило выделить фундаментальную моду поверхностных волн на периодах T = 10–250 с.
Дисперсионные кривые групповых скоростей рассчитывались вдоль трасс “эпицентр–станция” с помощью процедуры спектрально-временного анализа [7]. Всего было рассчитано 1194 дисперсионные кривые волн Рэлея и 743 кривые для волн Лява. Полученная выборка была дополнена данными предыдущих исследований глубинного строения Арктики [2]. В результате общее количество сейсмических трасс составило 2751 и 2014 для волн Рэлея и Лява соответственно.
Погрешности вычисления дисперсионных кривых оценивались по их среднеквадратичным отклонениям (СКО), рассчитанным для кривых вдоль близких трасс [2]. В результате было получено, что наименьшие значения СКО (0.02–0.03 км/с) приурочены к интервалу периодов 20–200 с для волн Рэлея и 30–100 с для волн Лява, а на остальных периодах СКО несколько выше. На малых периодах большой разброс в значениях групповых скоростей может быть обусловлен не только ошибками вычислений, но и высокой степенью неоднородности земной коры.
Распределения групповых скоростей поверхностных волн рассчитывались методом двумерной томографии для случая сферической поверхности [8]. Их горизонтальное разрешение оценивалось путем вычисления эффективного радиуса осреднения [8]. Наилучшее разрешение было достигнуто нами для Кольского полуострова и практически всего бассейна Баренцева моря (рис. 1). Значения эффективного радиуса осреднения для этой территории составляют 350–450 км для волн Рэлея (T = 15–150 с) и 400–500 км для волн Лява (T = 20–100 с). На более коротких и длинных периодах разрешение закономерно ухудшается, что связано с использованием меньшего количества сейсмических трасс (рис. 2, 3). Достигнутая нами разрешающая способность выше, чем у имеющихся в данный момент поверхностно-волновых моделей для всей Арктики [2–5]. На периодах 20–40 с наши результаты характеризуются разрешением, близким к модели BARMOD [9], а с увеличением периода – превосходят ее благодаря использованию почти в 2 раза большего количества сейсмических трасс.
Рис. 1.
Эффективный радиус осреднения (R, км) для волн Рэлея (а) и Лява (б). Над каждой картой приведен соответствующий период (T, c).
![](/issues/danzem/2022/vol_504/iss_2/DANZem2206006Filippova/DANZem2206006Filippova-F1.png)
Рис. 2.
Вариации групповых скоростей волн Рэлея относительно средних значений (δU/Uср, %). Средние значения групповых скоростей составляют 2.96, 3.78, 3.85, 3.77, 3.70 и 3.72 км/c для периодов 20, 50, 100, 150, 200 и 250 с соответственно. Над каждой картой приведены соответствующий период (T, c) и количество используемых трасс (N).
![](/issues/danzem/2022/vol_504/iss_2/DANZem2206006Filippova/DANZem2206006Filippova-F2.png)
Рис. 3.
Вариации групповых скоростей волн Лява относительно средних значений (δU/Uср, %). Средние значения групповых скоростей составляют 3.22, 4.04, 4.34, 4.40, 4.44 и 4.49 км/c для периодов 20, 50, 100, 150, 200 и 250 с соответственно. Над каждой картой приведены соответствующий период (T, c) и количество используемых трасс (N).
![](/issues/danzem/2022/vol_504/iss_2/DANZem2206006Filippova/DANZem2206006Filippova-F3.png)
Анализ распределений вариаций групповых скоростей поверхностных волн на отдельных периодах (рис. 2, 3) позволяет сделать следующие выводы относительно глубинного строения рассматриваемой территории. Учитывая чувствительность групповых скоростей волн Рэлея и Лява к скоростному строению среды, на периоде 20 с полученные карты должны отражать вариации мощности осадочных отложений [8]. Наиболее ярко выявленные скоростные аномалии коррелируют с мощностью осадков для волн Рэлея (T = 20 c, рис. 2). Так, минимумы групповых скоростей наблюдаются в восточной части бассейна Баренцева моря, где согласно модели EUNAseis мощность осадков достигает 12–18 км [10]. Значения скоростей волн Рэлея понижены и в его западной части с мощностью осадков 4–8 км. Большая часть Балтийского щита характеризуется высокими значениями скоростей поверхностных волн, что согласуется с практически полным отсутствием осадочного слоя для этой территории. На востоке Кольского полуострова значения скоростей поверхностных волн несколько уменьшаются, что может быть связано с наличием здесь тонкого (до 2 км) слоя осадков [10].
Для волн Рэлея на периоде 50 с полученное распределение отражает основные особенности вариаций глубины Мохо, которая уменьшается от 35–40 км под восточной частью бассейна Баренцева моря до 30–35 км под западной [10], что сопровождается увеличением групповых скоростей (рис. 2). На континенте минимум скоростей в районе 27° в.д. и 62° с.ш. соответствует области с максимальной (до 56 км) мощностью коры под Балтийским щитом. Карты для более высоких периодов колебаний (до 150 с) отражают распределение горизонтальных неоднородностей до глубины ~250 км. В этом диапазоне периодов максимальными скоростями волн Рэлея характеризуется весь Балтийский щит, что может быть обусловлено наличием здесь мощной высокоскоростной литосферы, причем скорости несколько увеличиваются в восточном направлении. Пониженные скорости поверхностных волн на этих и более длинных периодах наблюдаются под Шпицбергеном, что согласуется с известными данными о глубинном строении мантии под архипелагом [3, 5, 9]. Для периодов более 150 с, где вариации скоростей поверхностных волн не превышают 3%, на характер дисперсии скоростей поверхностных волн оказывает влияние строение верхней мантии на глубинах более ~250 км. Таким образом, в этом диапазоне глубин мантия становится менее дифференцированной по скоростям по сравнению с вышележащими слоями.
Для более детального исследования глубинного строения Кольского полуострова по полученным картам (рис. 2, 3) были определены локальные дисперсионные кривые в западной (68° с.ш., 30° в.д.) и восточной (67° с.ш., 37° в.д.) частях полуострова (рис. 4а) и проведена их инверсия в скоростные разрезы волн SV (по волнам Рэлея) и SH (по волнам Лява) до глубины 500 км (рис. 4б). Вычисления проводились методом сопряженных градиентов для модели среды с двумя слоями коры с постоянными скоростями S-волн и одиннадцатью слоями мантии с линейным изменением скорости с глубиной на полупространстве аналогично [2, 5].
Рис. 4.
(а): Локальные дисперсионные кривые волн Рэлея и Лява (кружки) с погрешностями их определения и дисперсионные кривые, соответствующие скоростным разрезам, полученным в результате инверсии (сплошные линии). Черным и серым цветом обозначены кривые для западной и восточной частей Кольского полуострова соответственно. (б): Скоростные разрезы волн SV (сплошные линии) и SH (пунктирные линии).
![](/issues/danzem/2022/vol_504/iss_2/DANZem2206006Filippova/DANZem2206006Filippova-F4.png)
В результате было получено, что для западной части полуострова мощность коры составляет 43 км, а для восточной – около 36 км. Скоростные разрезы волн SV отличаются между собой до глубины примерно 100 км, а на больших глубинах они становятся практически идентичными (рис. 4б), что также проявляется в близости групповых скоростей волн Рэлея на периодах более 50 с (рис. 2, 4а). Различия в скоростных разрезах волн SH для рассматриваемых регионов наблюдаются до глубины примерно 300 км (рис. 3б), что также отражено в отличиях групповых скоростей волн Лява (рис. 2, 4а). Наибольший интерес представляет разница скоростей волн SV и SH, характеризующая радиальную анизотропию вещества мантии [8]. Так, верхняя мантия в окрестности 68° с.ш. и 30° в.д. характеризуется анизотропными свойствами в диапазоне глубин 100–300 км, в то время как для 67° с.ш. и 37° в.д. этот диапазон существенно меньше – 70–160 км (рис. 4б). Таким образом, полученные результаты указывают на возможное различие западной и восточной частей Кольского полуострова не только в строении коры, как это было отмечено ранее в работе [1], но и в величине радиальной анизотропии в верхней мантии.
Список литературы
Адушкин В.В., Гоев А.Г., Санина И.А., Федоров А.В. Особенности глубинного скоростного строения центральной части Кольского полуострова методом функций приемника // Доклады РАН. Науки о Земле. 2021. Т. 501. № 2. С. 180–183. https://doi.org/10.31857/S268673972112001X
Середкина А.И. Поверхностно-волновая томография Арктики // Физика Земли. 2019. № 3. С. 439–450. https://doi.org/10.31857/S0002-33372019358-70
Lebedev S., Schaeffer A.J., Fullea J., et al. Seismic Tomography of the Arctic Region: Inferences for the Thermal Structure and Evolution of the Lithosphere // Circum-Arctic Lithosphere Evolution. London. UK: Geological Society. 2017. V. 460. P. 419–440.
Levshin A.L., Ritzwoller M.H., Barmin M.P., et al. New Constraints on the Arctic Crust and Uppermost Mantle: Surface Wave Group Velocities, Pn, and Sn // Phys. Earth Planet. Inter. 2001. V. 123. P. 185–204.
Seredkina A. S-wave Velocity Structure of the Upper Mantle beneath the Arctic Region from Rayleigh Wave Dispersion Data // Phys. Earth Planet. Inter. 2019. V. 290. P. 76–86. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2019.03.007
Pedersen H.A., Debayle E., Maupin V., et al. Strong Lateral Variations of Lithospheric Mantle beneath Cratons – Example from the Baltic Shield // Earth Planet. Sci. Lett. 2013. V. 383. P. 164–172. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.09.024
Левшин А.Л., Яновская Т.Б., Ландер А.В. и др. Поверхностные сейсмические волны в горизонтально-неоднородной Земле. М.: Наука, 1986.
Яновская Т.Б. Поверхностно-волновая томография в сейсмологических исследованиях. СПб.: Наука, 2015.
Levshin A.L., Schweitzer J., Weidle C., et al. Surface Wave Tomography of the Barents Sea and Surrounding Regions // Geophys. J. Int. 2007. V. 170. P. 441–459. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2006.03285.x
Artemieva I.M., Thybo H. EUNAseis: A Sesmic Model for Moho and Crustal Structure in Europe, Greenland, and the North Atlantic Region // Tectonophysics. 2013. V. 609. P. 97–153. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2013.08.004
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле