Внутреннее строение и тепловой

Внутреннее строение и тепловой режим литосферной мантии
Сибирского и Каапваальского кратонов
Кусков О.Л., Кронрод В.А., Прокофьев А.А.
ГЕОХИ РАН, [email protected]
Геотермические, сейсмические и петролого-геохимические данные указывают на
структурную, температурную и вещественную неоднородность континентальной верхней
мантии Земли. Температура мантии остается одним из наиболее дискуссионных и
неопределенных физических параметров. Это связано с тем, что распределение температур и
источников тепла в земных недрах, а также механизмы его переноса точно не установлены. Все
термические модели Земли построены по косвенным данным и показывают большие
расхождения в оценках распределения температуры с глубиной.
Одна из важнейших задач геохимии и геофизики заключается в изучении химического
состава, теплового режима и внутреннего строения литосферной мантии. А, именно, ее
вещественного состава, скоростной и плотностной структуры, поскольку плотностные
аномалии, обусловленные вариациями температуры и химического состава, влияют на
распределение масс внутри планеты и мощность литосферных корней, и являются движущей
силой мантийной конвекции. Кроме того, надо знать термодинамические параметры мантийного
вещества. При наличии термодинамического равновесия плотность, сейсмические скорости,
природа и резкость фазовых границ, и мощности слоев в мантии являются зависимыми
величинами от температуры, давления, химического и модального состава пород. Однако,
именно, температура решающим образом влияет на физико-химические параметры мантийного
вещества.
Петролого-геохимические и геофизические модели мантии взаимно не согласованы.
Первые, основанные на определениях состава мантии по ксенолитам, не отражают специфику
ее сейсмического строения. Методы геотермии и томографии не объясняют вещественную
природу мантии по вертикали и латерали. В работе предложен метод реконструкции состава и
теплового режима мантии Земли по петролого-геохимическим и сейсмическим данным,
основанный на аппарате термодинамического моделирования (Кронрод, Кусков, 2007; Кусков,
Кронрод, 2007).
Согласование геохимических и геофизических моделей литосферной мантии проведено
с помощью методов физико-химического моделирования. Эти методы позволяют переводить
модели валового состава в равновесные фазовые ассоциации и согласованные с ними
сейсмоплотносные характеристики (прямая задача), а скоростные разрезы обращать в модели
состава и/или распределения температуры (обратная задача). Процедура решения прямой и
обратной задач осуществлена с помощью метода минимизации свободной энергии Гиббса и
уравнений состояния мантийного вещества. Сделан учет фазовых превращений, ангармонизма
(учет термического расширения и сжимаемости) и эффектов затухания (неупругость вещества
мантии при высоких температурах), которые необходимо принимать во внимание из-за
нелинейного характера изменений термодинамических и сейсмических свойств с ростом
температуры и давления.
Метод определения температуры в верхней мантии Земли основан на обращении
абсолютных скоростей P- и S-волн. Исследована чувствительность сейсмических моделей к
составу и показана необходимость его учета при решении обратных задач, связанных с
восстановлением температуры мантии по сейсмическим и петролого-геохимическим данным. В
настоящей работе этот метод использован для определения теплового режима литосферной
мантии Каапваальского и Сибирского кратонов по сейсмическим данным, что, наряду с
геохимическими ограничениями по составу ксенолитов, позволяет построить более надежные
модели внутреннего строения и теплового режима кратонов.
Цель работы – на основании информации о скоростях упругих волн по региональным
сейсмическим данным (Каапваальский кратон) и данным, полученным на сверхдлинных
сейсмических профилях (Pavlenkova, Pavlenkova, 2006) с ядеpными взpывами (Сибирский
кратон), восстановить тепловые поля и оценить мощность термической литосферы под
архейскими кратонами. Основные задачи состоят в том, чтобы: (1) определить одновременное
влияние состава и температуры на скоростные и плотностные свойства мантийного вещества;
(2) вывести семейство геотерм, характеризующих современный тепловой режим верхней
мантии по вертикали и латерали, из имеющихся сейсмических моделей кратона (из абсолютных
скоростей P- и/или S-волн) и данных по составу ксенолитов гранатовых перидотитов; (3)
сопоставить выведенное распределение температур для современной литосферы кратона с
теплофизическими (геотермическими) моделями и мантийными палеотемпературами,
оцененными с помощью различных методов геотеpмобаpометpии; (4) на основе построенных
термических моделей вывести ограничения на распределение плотности по глубине и оценить
мощность литосферной мантии древних кратонов.
В настоящей работе изложен самосогласованный термодинамический подход для
исследования теплового режима, химического состава и внутреннего строения верхней мантии
Земли. На этой основе впервые проведена реконструкция термального состояния литосферной
мантии Сибирского и Каапваальского кратонов. Скорости сейсмических волн более
чувствительны к температуре, нежели к составу мантийных пород, что позволяет эффективно
использовать скоростные модели для реконструкции теплового режима мантии.
Восстановление температуры на глубинах 100-300 км проведено инверсией сейсмических
профилей для составов гранатового гарцбургита, лерцолита и среднего состава гранатового
перидотита. Восстановление осредненной температуры в нормальной континентальной мантии
проведено инверсией референц-модели АК135 для деплетированного и фертильного
вещества.
Из сопоставления теоретических и сейсмических профилей плотности следует, что
мощность литосферы под кратоном Каапвааль составляет около 250-275 км (Kuskov et al.,
2006). Это подтверждается пересечением плотностного профиля модели гранатового
перидотита кратона с профилем плотности моделей PREM и АК135 для нормальной мантии.
При этом на глубинах <275 км литосфера кратона остается более холодной и
высокоскоростной, но менее плотной, нежели нормальная мантия. Результаты показывают, что
химически обедненная литосфера ультраосновного состава под Каапваалем существует до
глубин 175-200 км. На глубинах 200-250 км литосферный материал становится существенно
обогащенным базальтоидными компонентами (FeO, Al2O3, CaO) по сравнению с
деплетированным веществом гранатовых перидотитов (как низко-, так и высокотемпературных
ксенолитов), но одновременно обедненным этими же компонентами по сравнению с
фертильным веществом подстилающей примитивной мантии. На глубинах 200-250 км степень
истощения литосферы была значительно меньше, нежели вышележащего обедненного
вещества гранатовых перидотитов.
Двумерные температурные поля показывают значительное понижение температуры под
Сибирским кратоном по сравнению со средней температурой в континентальной литосфере,
о
оцененной из референц-модели АК135 (Кусков и др., 2011). Например, изотерма 900 С под
кратоном находится на глубине ∼170-180 км, тогда как по данным АК135 эта температура
соответствует глубине ∼100 км. Температура в центральной части кратона несколько выше, чем
на периферии профилей, где изотермы опускаютcя на 20-30 км. Глубина термической
литосферы Сибирского кратона, определенная по пересечению с потенциальной адиабатой
о
о
1300 С, совпадает с изотермой 1450 С и находится на глубине ∼300-330 км. Эти результаты
находятся в хорошем соответствии с оценками по тепловым потокам и томографии.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 09-05-00115).
Литература
Кронрод В.А., Кусков О.Л. Моделирование термической структуры континентальной литосферы
// Физика Земли, 2007, № 1, с. 96-107.
Кусков О.Л., Кронрод В.А. Состав, температура и мощность литосферы кратона Каапвааль //
Физика Земли, 2007, №1, с. 45–66.
Kuskov O. L., Kronrod V. A., Annersten H. Inferring upper-mantle temperatures from seismic and
geochemical constraints: Implications for Kaapvaal craton // Earth Planet. Sci. Lett. 2006, 244, p. 133–
154.
Кусков О.Л., Кронрод В.А., Прокофьев А.А. Термическая структура и мощность литосферной
мантии Сибирского кратона по данным сверхдлинных сейсмических профилей Кратон и
Кимберлит // Физика Земли, 2011, № 3, с. 3-23.
Pavlenkova G.A., Pavlenkova N.I. Upper mantle structure of the Northern Eurasia from peaceful
nuclear explosion data. Tectonophysics, 2006, 416, p. 33–52.