Итоговый отчет по гранту No (17-05-00522 А)«Исследование сейсмической анизотропии верхней мантии Европы по данным поверхностно-волновой томографии, использующей записи землетрясений и шума»Руководитель: Яновская Татьяна Борисовна /Лыскова Евгения ЛеонидовнаРефератЦель исследования заключалась в получении новых данных о радиальной анизотропии верхней мантии Европы. Разработанный авторами новый подход сочетает определение коэффициента анизотропии по данным о дисперсии поверхностных волн для отдельных трасс, при этом исключается разная степень сглаженности латеральных вариаций скоростей SV и SH волн, и оценку латерального распределения коэффициента анизотропии методом двумерной сейсмической томографии по данным от землетрясений и сейсмического шума. В результате выполненных исследований получено, что в области центральной части Восточно-Европейской платформы и южной части центральной Европы коэффициент анизотропии либо слабо отрицателен, либо близок к нулю. В прибрежных и морских районах коэффициент анизотропии положителен и близок к модели PREM. Предложена гипотеза о причине отрицательной анизотропии на европейском континенте, на ВЕП это результат древнего сжатия, обусловленного встречным движением Восточно-Европейской и Западно-Сибирской плит; в южной части Европы сжатие в меридиональном направлении является следствием современных процессов раскрытия Средиземноморского бассейна, приведшем к образованию альпийской складчатости.ВведениеЕще в 60-х годах прошлого столетия при интерпретации дисперсионных кривых волн Релея и Лява на периодах до 200 с было обнаружено, что полученные из наблюдений данные невозможно объяснить единым скоростным разрезом S-волн (Anderson D.L., 1966; Mitchell, 1984; Nishimura and Forsyth, 1989). Дисперсионные кривые волн Лява приводили к завышенным значениям скоростей на глубинах до ~200 км по сравнению с теми, которые получались из результатов для волн Релея. Из этого был сделан вывод об анизотропии скоростей в верхней мантии. Сведения о радиальной анизотропии скоростей поперечных волн в Земле были включены в модель PREM (Dziewonski A.M. and Anderson D.L., 1981), но при этом они основывались в основном на данных вдоль океанических трасс – с одной стороны, как наиболее однородных, а с другой – как охватывающих большую часть земного шара (Forsyth, 1974; Schlue J. and Knopoff L., 1977; Yu G. and Mitchell B.J., 1979). Поскольку модель PREM изначально строилась как сферически-симметричная, то понятно, что модель анизотропии могла быть только трансверсально-изотропной (радиально-анизотропной). Истинная анизотропия вещества Земли, безусловно, гораздо более сложная, и, конечно, и сама модель, и ее параметры должны зависеть от латеральных координат. В частности, наблюдения поверхностных волн показывают и существование азимутальной анизотропии (Smith and Dahlen, 1973, Montagner J.-P., Nataf H.C., 1986; Shaeffer A.J. et al, 2016), хотя она и менее ярко выражена. В модели PREM, основанной на полученных к тому времени данных, различие в скоростях SH и SV волн под границей Мохо достигает ~ 4% , уменьшается с глубиной и исчезает ниже границы 200 км. Анизотропия различна в разных областях земного шара, и она может характеризовать свойства вещества наряду со значениями скоростей, а также историю развития данной структуры и современные процессы. Так, в работе [Anderson D.L. and J.Regan, 1983] было показано, что в океанической мантии величина анизотропии коррелирует с возрастом океанического дна. Развитие методов томографии и накопление данных привело к возможности регионализовать скоростные разрезы, получаемые по данным волн Лява и Релея, и соответственно делать выводы о латеральных вариациях анизотропии. В работе (Zhou et al., 2006) авторы построили трехмерную модель радиальной анизотропии для земного шара на основе данных о фазовых задержках волн Релея и Лява, используя разработанный ими метод томографии (Zhou et al., 2004), основанный на приближении однократного (борновского) рассеяния. В полученной ими глобальной модели анизотропии, в отличие от модели PREM, оказалось, что в среднем в Земле до глубины 220 км, как и в модели PREM, скорость волн SH превышает скорость SV, а ниже – наоборот, VSV >VSH. Выявлены были также латеральные вариации коэффициента анизотропии. В дальнейшем, правда, такой подход к томографической реконструкции не получил распространения – для выявления анизотропии используются вариации групповых скоростей волн Релея и Лява. В работе (Яновская, Кожевников, 2006) по данным о дисперсии групповых скоростей волн Релея и Лява вдоль трасс, пересекающих азиатский континент, были построены латеральные вариации скоростей, и в отдельных точках территории определены скоростные разрезы волн SV (по результатам для волн Релея) и SH (по результатам для волн Лява). Было выявлено превышение скорости SH по сравнению с SV на глубинах 100-200 км в верхней мантии в области Байкальского рифта и в Тибете (до 6%) и практическое отсутствие анизотропии под Сибирской Платформой. Сведения об анизотропии под континентальными областями крайне скудные, что объясняется, по-видимому, более существенными вариациями строения коры и верхней мантии континентов по сравнению с океаническими областями. В работе (Chen et al, 2009) исследовалась радиальная анизотропия в Тибете по данным волн Релея и Лява, и было обнаружено, что имеет место как превышение скорости волн SH по отношению к SV, так и обратное соотношение Vsv>Vsh, при этом коэффициент анизотропии варьировал от -10% до +10%. Подобный же результат, касающийся радиальной анизотропии коры в Гималаях и Тибете, получен в работе Guo et al. (2012). Относительно причин радиальной анизотропии высказываются разные мнения: это может быть следствием (1) конвективных потоков вещества в верхней мантии; (2) деформации вещества в результате тектонических процессов за сотни миллионов лет, сохранившиеся в современной литосфере. Первая причина, по-видимому, описывает анизотропию океанической верхней мантии, где всегда наблюдается превышение VSH, тогда как вторая – континентальную мантию, где возможны разные соотношения между VSH и VSV. Исследования по гранту предполагают изучение радиальной анизотропии подкоровой мантии в центральной части европейского континента по дисперсионным кривым волн Релея и Лява, полученным как по записям землетрясений, так и по данным сейсмического шума.Основная часть отчета о НИРЦель настоящего исследования заключалась в получении новых данных о радиальной анизотропии верхней мантии региона Европы, состоящего из двух крупных разнородных тектонических образований – древней Восточно-Европейской Платформы и тектонически активной зоны Западной Европы. Для достижения этой цели важно было решить следующие задачи:1) построить латеральные распределения скоростей SV и SH на разных глубинах в коре и верхней мантии по записям землетрясений в Европе и по данным сейсмического шума, используя дисперсионные кривые волн Релея и Лява;2) по полученным данным оценить распределение коэффициента анизотропии в коре и верхней мантии;3) на основании этих данных исследовать связь анизотропии с деформационными процессами в верхней мантии в континентальных областях.Томографические методы, использующие данные о дисперсии поверхностных волн, сводятся, как правило, к выявлению латеральных вариаций скоростей этих волн для разных периодов, получению «локальных дисперсионных кривых» и последующему восстановлению по ним «локальных скоростных разрезов» поперечных волн. Так называемые «локальные дисперсионные кривые», в действительности, являются результатом сглаживания по некоторой области в окрестности данного места, а область усреднения зависит от количества и взаимного расположения трасс, по которым определяются дисперсионные кривые, и от используемого метода томографии. Степень сглаженности скоростных распределений волн, получаемых по данным волн Релея (SV) и волн Лява (SH), будет разной как за счет различий в величине и форме областей сглаживания, так и за счет ошибок измерений скоростей, что будет приводить к ошибкам в окончательных скоростных разрезах волн SV и SH, пусть даже и небольшим по отношению к значениям скоростей. Но эти ошибки могут быть сравнимы с величиной коэффициента анизотропии, который составляет несколько процентов от скорости поперечной волны. Чтобы уменьшить ошибки в определении пространственного распределения коэффициента анизотропии Т.Б. Яновской был разработан новый метод, согласно которому 3D инверсию в форме 3D →2D+1D (используемую для определения скоростных распределений) было предложено заменить схемой 3D→1D+2D: то есть для оценки пространственного распределения коэффициента анизотропии отбираются трассы с качественной дисперсией как волны Лява, так и Релея, далее определяется коэффициент анизотропии отдельно по каждой трассе. А затем выполняется 2D томографию, но не отдельно для скоростей SV и SH, а непосредственно для коэффициента анизотропии. Явным преимуществом данного подхода является не только избавление от различий в величине и форме областей сглаживания, но и то обстоятельство, что выполняется совместная инверсия дисперсионных кривых Лява и Релея в скоростные разрезы SV и SH. Для исследования распределения коэффициента анизотропии в верхней мантии Европы и выявления возможной связи его величины с тектоническими особенностями, было сделано следующее:-- Новым, оригинальным, методом по записям землетрясений и сейсмического шума оценены латеральные распределения коэффициента анизотропии для континента Европы в интервалах глубин от границы Мохо до 155 км.-- Замечено, что на межстанционных трассах по данным шума коэффициент анизотропии оказывается заниженным по сравнению с данными, полученными по трассам от землетрясений. Данное обстоятельство ограничило использование дисперсионных кривых по данным шума. Предложено следующее объяснение:Для получения скоростных разрезов на глубинах, отвечающих верхней мантии, необходимо использовать данные о дисперсии поверхностных волн на периодах более 30–40 с. А объяснить содержание таких длиннопериодных волн в шуме за счет «внешних» источников – океанических или атмосферных (Yang and Ritzwoller, 2007) – довольно трудно. Сопоставление дисперсионных кривых волн Релея, полученных усреднением ККФ за разные временные промежутки, показало, что основным источником шума на таких периодах являются землетрясения. И хотя влияние землетрясений на состав шума снижается за счет амплитудной нормализации (Bensen et al., 2007), в случае, когда большое число очагов оказывается в одном районе, их скопление (кластеризация) существенно нарушает исходное предположение о равномерности распределения источников. Такие кластеры землетрясений имеют место в случае, когда сильное землетрясение сопровождается достаточно длительной серией афтершоков. Но такое искажение дисперсионной кривой имеет место, когда сигнал можно рассматривать как скалярный. Это справедливо для волн Релея, если дисперсия скорости определяется по корреляции вертикальных составляющих шума (Z-Z). В случае же сигнала, являющегося вектором, как в случае волны Лява, ситуация усложняется. Кроме завышения скорости, аналогичного скалярному случаю, следует учитывать отклонение направление вектора колебаний в волне Лява, приходящей от кластера землетрясений, от направления «трансверсальной» компоненты Т, ортогональной межстанционной трассе При этом вклад в трансверсальные компоненты Т, по которым рассчитывается ККФ, будут содержать еще и некоторый вклад от радиальной компоненты волны Релея R. Таким образом, в случае наличия кластера землетрясений Т-компоненты записей на станциях будут содержать некоторый вклад от волны Релея. А поскольку скорость волны Релея меньше, чем скорость волны Лява, то определяемая по ККФ компоненты Т-Т скорость волны Лява будет дополнительно занижена. Вызванные этими причинами погрешности в определении дисперсии скоростей волн Релея и Лява не слишком велики, но их разность может содержать значительную ошибку, причем в сторону занижения величины средних по трассе коэффициентов анизотропии.Анализ полученных распределений коэффициентов анизотропии в верхней мантии Европы указывает на тот факт, что районы современной сейсмичности попадают в области положительных значений коэффициента анизотропии, тогда как для платформенных областей величина коэффициента близка нулю.Обращает на себя внимание тот факт, что в верхних слоях выявляются области, в которых VSV>VSH, то есть коэффициент анизотропии отрицательный. Одна такая область обнаруживается в центральной части Восточно-Европейской Платформы (ВЕП), другая – на юге от Апенинского полуострова и Адриатики. В центральной части ВЕП на глубинах 55-75 км явно выражен локализованный участок с отрицательным α, вокруг которого коэффициент анизотропии равен нулю, то есть радиальная анизотропия практически отсутствует. Эта зона расположена на восток от линии Торнквиста-Тессейра, разделяющей древнюю Восточно-Европейскую платформу и орогенные зоны Западной Европы. В морских областях анизотропия аналогична океанической верхней мантии. Она проявляется в подкоровой литосфере, достигая приблизительно 2-3% (это близко модели PREM, основанной на данных по океаническим трассам) и уменьшается с глубиной. Полученные результаты для Черноморской впадины предоставляют новую информацию по вопросу ее происхождения и возраста, что до сих пор остается предметом дискуссии. Одни исследователи считают, что Черноморская впадина является реликтом “первичного”, позднедокембрийско-палеозойского океана Тетис, другие рассматривают Черноморскую впадину как новообразованную структуру, возникшую в результате рифтинга и погружения фундамента в более позднюю эпоху (Адамия, 1974; Dewey et al, 1973; Zonenshain L.P. and Le Pichon X., 1986).Как следует из оценок (Anderson D.L. and J.Regan, 1983), полученные значения коэффициента анизотропии на глубинах 64-94 км под Черным морем могут соответствовать возрасту океанической литосферы 20-50 млн. лет. Поэтому можно предполагать, что верхняя мантия Черноморского бассейна – это реликтовая литосфера океана Тетис, закрытие которого произошло в палеогене приблизительно 30 млн. лет назад. Данный факт не противоречит представлению о формировании самой впадины в результате процессов в коре в более позднее время.Анализ полученных латеральных распределений коэффициента анизотропии позволил высказать следующее предположение о причинах радиальной анизотропии в континентальных областях:В рамках трансверсально-изотропной модели характерный для океанических областей случай VSH>VSV соответствует связи между модулями сдвига L<N. И, наоборот, VSV>VSH соответствует L>N. Первый случай означает, что деформация сдвига во всех горизонтальных направлениях должна быть больше по сравнению с вертикальной. Это облегчает горизонтальный поток масс в верхней мантии океана, что полностью согласуется с концепцией тектоники плит. Случай L>N (отрицательный коэффициент анизотропии) означает, что среда подвергается горизонтальному сжатию. Сжатие в литосфере Восточно-Европейской Платформы могло быть унаследованным от эпохи герцинской складчатости, когда происходило встречное движение Восточно-Европейской и Западно-Сибирской плит, приведшее к образованию Уральских гор. А сжатие в зоне южных Апеннин является следствием современных движений – раскрытия Средиземноморского бассейна и образования Альпийской складчатой системы. Интересно отметить, что область отрицательных значений коэффициента анизотропии, выявленная в центральной части Восточно-Европейской Платформы, совпадает по своему местоположению с зоной высоких скоростей поперечных волн (Yanovskaya et al., 2016). Обратное соотношение (высокий положительный коэффициент анизотропии в зонах низких скоростей) ранее наблюдалось в Азии в Байкальской рифтовой зоне и Тибете (Yanovskaya and Kozhevnikov, 2006).ЗаключениеПри работе над данным проектом Т.Б. Яновской предложен новый, оригинальный, подход к исследованию радиальной анизотропии и оценке коэффициента анизотропии в верхней мантии по записям дисперсии поверхностных волн Релея и Лява. Метод заключается в том, что по трассам, на которых можно определить дисперсию обеих волн, вычисляются средние по трассе скоростные разрезы волн SV и SH (при этом выполняется совместная инверсия дисперсионных кривых Лява и Релея в скоростные разрезы SV и SH). По полученным скоростным разрезам определяется зависимость коэффициента анизотропии от глубины. По каждому из интервалов глубин методом поверхностно-волновой томографии получаются и изучаются латеральные распределения коэффициента анизотропии (Яновская и др., 2019; Yanovskaya et al., 2020). Построены дисперсионные кривые групповых скоростей волн Релея и Лява по трассам, пересекающим европейский континент, в интервале периодов 10-100 с при использовании записей как землетрясений, так и сейсмического шума. По этим данным оценивалась радиальная анизотропия верхней мантии Европы. Вначале по каждой трассе вычислялись средние скоростные разрезы волн SV (по данным волн Релея) и SH (по данным волн Лява). По этим разрезам для каждой трассы определялся средний коэффициент анизотропии в пяти интервалах глубин верхней мантии. Эти результаты использовались для выявления латеральных вариаций анизотропии в исследуемом регионе с помощью томографической инверсии. Такой подход был использован для того, чтобы исключить разную степень сглаженности латеральных вариаций скоростей SV и SH волн и в случае, когда эти вариации определяются раздельно по волнам Релея и Лява – в этом случае возможны большие ошибки в величине коэффициента анизотропии из-за различия трасс. Разрешающая способность данных, использованных для томографии, оценивалась с помощью «теста шахматной доски», который показал возможность разрешения неоднородностей линейным размером 1200–1300 км в центральной области исследования – приблизительно 15-50º по долготе и 40-65º по широте. Результаты томографического восстановления латеральных вариаций коэффициента анизотропии показали, что в континентальной части области коэффициент анизотропии на всех глубинах в верхней мантии равен нулю в пределах погрешности, а в области Черного и Балтийского морей он положителен и составляет 4-4.5% в подкоровой мантии на глубинах 34-64 км. В нижележащем слое в области Балтийского моря он близок к нулю, а под Черноморской впадиной остается положительным, хотя и уменьшается до 2-3%. Положительная анизотропия ( ) характерна для океанических областей, что может свидетельствовать в пользу океанической гипотезы происхождения Черноморской впадины.