ПРИМЕНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЗЕМНОЙ МАНТИИ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются принципы и результаты применения томографических исследований в ключевых регионах: под Исландией и в зоне Эгейского моря, для изучения внутренней структуры мантии Земли.

Ключевые слова: сейсмическая томография, неоднородность мантии, продольные волны, поперечные волны.

Сейсмическая томография использует для изучения скрытых геологических структур (например, горных пород) анализ скорости распространения сейсмических волн (объемных и поверхностных). Этот метод предполагает "просвечивание" объекта, недоступного для прямого наблюдения, с помощью волн. Важно, что в процессе исследования все элементы системы (объект, источники волн и приемники) остаются неподвижными относительно друг друга [1].

Для определения расстояния до очага землетрясения критически важна разница во времени прибытия продольных и поперечных волн. Если у нас есть данные с трех и более сейсмических станций, мы можем точно установить местоположение эпицентра.

В средах с меняющимися свойствами сейсмические волны не движутся по прямой, а искривляют свой путь. Для определения скорости распространения волн на разных глубинах используются годографы. Эти графики показывают зависимость времени прихода волны от местоположения сейсмоприемников. Несмотря на развитие технологий, линейные годографы по-прежнему являются ключевым инструментом для определения типов сейсмических волн и проведения сейсмологических исследований [1].

Сейсмические волны, порождаемые различными источниками (например, очагами землетрясений), распространяются к сейсмостанциям с предсказуемой скоростью, рассчитанной по стандартным моделям (вроде PREM). Однако, если на пути волн встречаются области с необычной плотностью, их скорость меняется: в более плотных средах волны распространяются быстрее, а в менее плотных – медленнее. Изучение того, как продольные (P) и поперечные (S) волны проходят через глубокие слои мантии, позволяет обнаружить участки с неоднородной структурой, отличающейся от общепринятых представлений (Рисунок 1).

Рисунок 1. Прохождение сейсмических волн через аномальное тело в мантии Земли

Благодаря сейсмической томографии ученые впервые получили возможность "увидеть" движение вещества в мантии Земли, вызванное конвекцией. До этого момента геологи и геофизики могли лишь строить предположения о таких потоках, опираясь на теоретические модели и данные о гравитационном поле. Однако эти методы были неточными. Исследования неоднородностей в мантии с помощью сейсмотомографии, проведенные, в частности, Д.Л. Андерсоном и А.М. Дзевонским в 1980-х годах, принесли неожиданные результаты, существенно изменив представления о внутреннем строении Земли [2].

Главным результатом исследования стало понимание, что движение холодных и горячих масс в недрах Земли гораздо сложнее, чем предполагалось. Выяснилось, что эти массы перемещаются не только вверх и вниз, но и в горизонтальном направлении. В результате образуется запутанная сеть пересекающихся потоков, состоящая из холодных и горячих масс. При этом, то, что происходит глубоко под землей, не всегда соответствует тому, что мы видим на поверхности.

Вместо того, чтобы подниматься к поверхности прямыми столбами, горячие потоки вещества из мантии (мантийные плюмы), находящиеся под действующими вулканами или зонами разломов в океанах, ведут себя иначе. Они не просто поднимаются вверх, а изгибаются и разветвляются, образуя сложные формы. Эти плюмы искривляются в стороны, как бы расходясь в разные направления, создавая ответвления, похожие на ветви, и утолщения, напоминающие шары.

Несмотря на сложность и разнообразие, верхняя мантия подтверждает основные положения теории тектоники плит. Здесь мы видим, как плотные океанические плиты погружаются (субдуцируют) под менее плотные континентальные плиты. Также наблюдается восходящий поток горячего вещества в зонах разломов (рифтовых зонах) как в океанах, так и на континентах. Однако эти процессы не происходят по единому шаблону. Угол погружения субдуцирующих плит варьируется в широких пределах: от почти отвесного до очень пологого. Некоторые плиты останавливаются на границе между верхней и нижней мантией (примерно на глубине 670 км), в то время как другие продолжают погружение. Кроме того, некоторые плиты деформируют эту границу, образуя выпуклые структуры [2].

В областях, где холодные плиты погружаются в мантию, температура окружающей среды снижается. И наоборот, восходящие потоки горячей материи повышают температуру. Эти процессы взаимного влияния приводят к формированию сложной и неоднородной структуры в мантии. Остаётся неясным, где именно в глубинах Земли зарождаются эти горячие потоки, поскольку данные сейсмической томографии, позволяющие изучать внутреннее строение Земли, наименее точны для нижней мантии, особенно на глубинах от 2000 до 2900 километров.

В 1999 году ученые Х. Бивард и В. Спэкмен применили сейсмотомографию для изучения недр под Исландией. Результаты показали наличие там массивного мантийного плюма – области с пониженной плотностью, то есть менее вязкой, чем окружающая мантия. Этот плюм берет начало на границе между ядром и мантией, на глубине более 2900 километров. В среднем его ширина составляет около 500 километров, хотя по мере приближения к поверхности она меняется, варьируясь от 300 до 700 километров. Форма плюма сложная, напоминающая извивающийся столб дыма. Скорость распространения сейсмических волн внутри плюма незначительно отличается от общепринятой модели PREM, всего на ±0,5% [3].

Используя данные томографии, полученные В. Спэкменом, удалось детально изучить верхнюю мантию под Средиземноморьем, особенно в районе Эгейского моря. Эти исследования выявили неоднородности в области, характеризующейся высокой сейсмичностью, действующими вулканами Кикладской островной дуги и глубоким Гелленским желобом. До этого геологические процессы в этом регионе объяснялись субдукцией океанической плиты, погружающейся под северном направлении. Сейсмический анализ подтвердил эту теорию: на полученных изображениях четко видна плотная, "быстрая" плита, что соответствует увеличению скорости распространения сейсмических волн на 3%.

Пластина, имеющая толщину примерно 250 километров, под углом 45 градусов уходит вглубь Земли, достигая глубины более 600 километров. В месте изгиба, в верхних слоях этой пластины, на глубинах до 200 километров, наблюдается высокая концентрация очагов землетрясений. Севернее, над этой пластиной, в верхней мантии расположена область с пониженной плотностью (Рисунок 2). В этой области скорость распространения продольных сейсмических волн на 3% ниже, чем в среднем. Именно с этой зоной пониженной плотности связана вулканическая активность Кикладской дуги, включая известный вулкан Санторин [3].

Рисунок 2. Томографический профиль через Эллинский желоб, о-в Крит и Эгейское море

Проведённое исследование демонстрирует значительные достижения сейсмической томографии в изучении структуры и динамики земной мантии. Метод позволил выявить сложную систему конвективных потоков, включая разнонаправленное движение холодных и разогретых масс, а также подтвердить ключевые положения тектоники литосферных плит с учётом их вариативности. Перспективы метода связаны с дальнейшим совершенствованием вычислительных алгоритмов и расширением сети сейсмостанций, что позволит уточнить модели мантийной динамики и повысить эффективность геологоразведочных работ. Сейсмическая томография продолжает оставаться важнейшим инструментом для понимания глубинных процессов Земли.

Список литературы:

1. Короновский Н. В. Землетрясения: Причины, последствия, прогноз / Н. В. Короновский, В. А. Абрамов // Соросовский Образовательный Журнал. – 1998. № 12. – С. 71–78.
2. Андерсон Д. Л. Сейсмическая томография / Д. Л. Андерсон, А. М. Дзевонский // В мире науки. – 1984. № 12. – С. 16–25.
3. Былевский Г.А. Применение томографии при геофизических исследованиях горных пород / Г. А. Былевский, В. И. Петерсилье. –  М.: МГП «Геоинформмарк», 1992. – С. 37.