Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 2, стр. 177-182

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 (М_w > 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).

Рис. 2.

Вариации групповых скоростей волн Рэлея относительно средних значений (δU/U_ср, %). 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).

Рис. 3.

Вариации групповых скоростей волн Лява относительно средних значений (δU/U_ср, %). 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).

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).

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.