Нормальное строение коры
Работы по программе «Вела» и Проекту верхней мантии дали сильный толчок к развитию в Северной Америке глубинного сейсмического зондирования. Было проведено много новых профилей, в результате чего появилась возможность представить строение коры с известной полнотой, особенно для территории между 35 и 39° с. ш., где Комитет по верхней мантии США рекомендовал сосредоточить работы по проведению Трансконтинентальной геофизической съемки. Примерно на 50 профилях Северной Америки были зарегистрированы вступления волн, связанные с верхней мантией, по которым можно было определить мощность коры. Около 20 профилей расположены в пределах сети ТГС. Блок-диаграммы на фиг. 1—4, которые были подготовлены для ТГС, иллюстрируют некоторые выводы относительно строения коры и верхней мантии.
Первые вступления преломленных волн, распространяющихся вдоль кровли собственно коры (под осадками), появляются на расстоянии примерно от 20 до 130 км от источника (пункта взрыва). Скорость этой фазы Pg почти одинакова на всем континенте, находясь в большинстве пунктов в пределах 5,9—6,2 км/с. Среднее по всем наблюдениям несколько больше 6,0 км/с. Статистический анализ наблюдений показывает, что стандартная погрешность определения скорости Pg составляет около 0,1 км/с; следовательно, большая часть разброса в опубликованных данных о скоростях имеет тот же порядок, что и точность измерений. Учитывая большое разнообразие скоростей волн, наблюдаемых в кристаллических породах на поверхности Земли, следует считать примечательным небольшие вариации в скорости волн Pg.
Скорость волн Рn, распространяющихся вдоль кровли мантии, колеблется от 7,8 до 8,3 км/с. Скорость фазы Рn изменяется поперек материка, составляя на западе США в среднем 7,8 км/с, а на востоке — 8,1 км/с. Стандартная погрешность измерений равна здесь примерно 0,1—0,15 км/с. Пекайзер и Штейнхарт [7], основываясь на изменениях скорости, высказали мысль о существовании двух подкоровых провинций в Северной Америке, которые разделены линией, идущей вдоль форланда Скалистых гор. Для западной провинции характерны высокие значения теплового потока, вулканизм и тектоническая активность в кайнозое. Восточная провинция тектонически стабильна и отличается умеренными и низкими значениями теплового потока.
Между верхней частью коры и кровлей мантии картина распределения скоростей гораздо разнообразнее. Фазы, преломленные более глубокими горизонтами, либо не являются первыми вступлениями, либо, будучи первыми вступлениями, появляются на несоразмерно близком расстоянии от источника. Существование промежуточных слоев часто устанавливается по вторым вступлениям, которые прослеживать труднее. Поэтому многие изменения, приписываемые особенностям нижней части коры, в действительности могут быть обусловлены трудностями интерпретации. Тем не менее региональные сопоставления позволяют установить некоторые сходные черты, а также различия. Почти на всех профилях ТГС в коре выявлен нижний слой, или зона, со скоростью волн Р 6,6—7,1 км/с. На некоторых профилях выделен также слой у самого основания коры со скоростью волн Р 7,1—7,4 км/с. Эти нижние слои коры обычно имеют большую мощность на востоке США, чем на западе. Слой со скоростью 7,1—7,4 км/с чаще выделяется на востоке, чем на западе.
Метод преломленных волн позволяет установить общую картину изменения скоростей в коре, однако ее детали менее ясны. Свойства граничной зоны между слоями с разной скоростью выявляются по характеру первых и последующих вступлений на сейсмограммах. В частности, у вступлений, отраженных от границы под углом, близким к критическому (его вычисляют, исходя из подходящей модели строения коры), амплитуды изменяются гораздо сильнее, чем у соответствующих вступлений преломленных волн. Если судить по таким изменениям амплитуд, то можно считать, что в одних районах граничная зона между слоями с разной скоростью выражена гораздо резче, чем в других. Например, в Провинции бассейнов и хребтов для отраженных фаз характерны большие амплитуды, а на профилях в области Великих равнин амплитуды отраженных фаз обычно малы. Конечно, на амплитуду отраженной волны могут влиять и другие факторы, кроме резкости границы, однако в некоторых районах картина амплитуд столь выразительна, что качественные выводы представляются правомерными.
Характер регионального изменения амплитуд хорошо иллюстрируют участки сейсмограмм двух меридиональных профилей (фиг. 5 и 6) — одного в центральной части штата Колорадо, в зоне южных хребтов Скалистых гор [3], и другого на востоке штата Колорадо, в области Великих равнин [4].
На сейсмограммах профиля в Скалистых горах (фиг. 5), расположенных на графике с приведенною шкалой времен пробега фаз (т. е. такой шкалой, при которой коррелируются участки со вступлениями одинаковых фаз), на расстоянии от 120 до 200 км от пункта взрыва хорошо видны большие амплитуды двух фаз. Времена их вступлений соответствуют волнам, отраженным от кровли верхней мантии (РmР) и от кровли нижнего слоя коры (РIР) со скоростью 6,8 км/с. На таких же подобранных участках сейсмограмм на профиле через Великие равнины (фиг. 6) тоже выражены вступления на временах, соответствующих этим фазам отраженных волн, однако их амплитуда не выделяется среди других вступлений и. таким образом, они меньше отраженных фаз в Скалистых горах. Эти профили, которые расположены вблизи и по разные стороны идущей вдоль форланда Скалистых гор границы подкоровых провинций, отражают типичные различия многих (но, конечно, не всех) зондирований в восточных и западных штатах США.
Анализ следующих за первыми вступлений в дальнейшем может способствовать расчету более детального строения коры. В настоящее время можно считать, что налицо явные региональные различия в строении коры и что в тектонически активных областях внутренние подразделения коры, видимо, имеют более резкие границы.
Сходные данные о строении коры приводились и в более ранних работах; обширные сведения, появившиеся за последнее время, подкрепляют некоторые выводы первых исследователей. Значение последних работ заключается в возможности описывать строение коры на больших территориях с такой полнотой. которая позволяет устанавливать параметры, типичные для «средней» коры, обнаруживать аномальные районы и изучать небольшие изменения, характерные для отдельных геологических провинций.
Аномальное строение коры
На трех профилях, расположенных в далеко отстоящих районах Северной Америки (остров Ванкувер [15], равнина реки Снейк [2] и озеро Верхнее [10]) было выявлено аномальное строение коры. Разрезы коры в этих районах (фиг. 7) показывают, что скорость волн Р в верхней части коры существенно отличается от обычного значения 6,0 км/с. Скорость в нижней части коры составляет 6.8 км/с; этот слой имеет очень большую мощность, простираясь до границы М, которая находится на глубине 40—55 км. Во всех трех районах встречаются поверхностные выходы базальтовой лавы. Равнина реки Снейк была ареной интенсивного кайнозойского вулканизма; в южной части острова Ванкувер обнажены эоценовые базальты. Геологические структуры района озера Верхнего в значительной степени скрыты под водами озера, однако, судя по породам габбрового комплекса Дулут и сильным проявлениям докембрийского вулканизма (фаза Кивино), породы под ложем озера могут иметь базальтовый состав.
Представляется уместным привести некоторые соображения относительно строения этих аномальных областей. Верхняя часть описанного выше разреза коры обнаруживает известное сходство с океанической корой: здесь также отсутствует достаточно мощный слой со скоростью, характерной для гранитного слоя континентальной коры. Происхождение базальтов, обнажающихся в этих районах на поверхности, следует, вероятно, связывать с мощным слоем нижней части коры. Поскольку «гранитная» часть коры очень тонка или отсутствует, то весь разрез описываемых районов обусловлен, по-видимому, внедрением базальтов в рифтовую зону, возникшую в гранитном слое коры.
Существуют аномалии в строении коры и иного рода, которые обнаруживаются при сопоставлении гравитационного поля Земли с данными о плотностях слоев коры, полученными на основе сейсмических исследований. Если плотность в верхах мантии постоянна, а плотности пород в коре связаны со скоростью распространения в них волн установленным соотношением скорость — плотность, то изменения в строении коры должны порождать изменения гравитационного поля. Между тем известно несколько мест, где явные изменения в строении коры (т. е. ее скоростного разреза) не сопровождаются соразмерными изменениями гравитационного поля. Это явление наблюдалось в штате Миссисипи близ побережья Мексиканского залива [13]. в штате Колорадо у границы между Скалистыми горами и Великими равнинами, в штате Невада у границы между Провинцией бассейнов и хребтов и равниной реки Снейк [2] и в штате Аризона близ границы между плато Колорадо и Провинцией бассейнов и хребтов. Сопоставление модели коры [10] и гравитационного поля [14] в районе озера Верхнего наводит на мысль, что и там мы сталкиваемся с аналогичным явлением.
Особенно хорошо можно рассмотреть это явление на примере Аризоны, где достаточное количество сейсмических профилей позволяет установить строение коры с известной полнотой и где два профиля пересекаются под углом, близким к прямому, что дает возможность построить трехмерную модель. Один из этих профилей проходит от Провинции бассейнов и хребтов до плато Колорадо (фиг. 8). По данным сейсмического зондирования преломленными волнами на этом профиле рассчитывались аномалии Буге, которые сопоставлялись с фактически измеренными аномалиями Буге. Как видно на фиг. 9, где показаны также аномалии в свободном воздухе и абсолютные высоты рельефа на профиле, разница между вычисленными и измеренными аномалиями достигает 150 мгл. Изменения измеренных значений аномалий Буге недостаточно велики, чтобы обусловить (количественно) те изменения параметров коры, на которые указывают сейсмические данные. Разницу между измеренными и вычисленными по сейсмическим данным аномалиями Буге можно объяснить, предположив, что в верхней мантии происходят изменения плотности, которые трудно обнаружить, опираясь только на сейсмические данные. Одна из возможных моделей, позволяющих объяснить наблюдаемое поле тяжести, связана с допущением, что под верхним слоем мантии со скоростью волн Р= 7,85 км/с залегает более плотный слой с большей скоростью волн. Основываясь на этой модели, авторы построили сглаженную кривую разности между измеренными и вычисленными значениями аномалий Буге, а затем, пользуясь ею. рассчитали глубины, на которых должна находиться кровля предполагаемого более плотного слоя мантии, чтобы скомпенсировать эту разность (фиг. 10).
Анализ наблюдений в Аризоне показывает, что вполне допустимые изменения скоростей волн и плотностей в верхней мантии в совокупности с изменениями в строении коры позволяют объяснить наблюдаемые изменения гравитационного поля на поверхности.
Рассмотренный тип аномалий встречается в районах, где строение коры быстро изменяется, в том числе в пограничных зонах некоторых давно установленных геологических провинций. Видимо, значительные изменения в строении коры сопровождаются и изменениями в верхней мантии, направленными на то, чтобы привести районы аномального строения коры в состояние изостатического равновесия.
Эксперименты на озере Верхнем
Институт Карнеги организовал на международной основе крупный сейсмический эксперимент со взрывами на озере Верхнем [11]. Одна из неожиданностей. которыми сопровождались эти исследования, состояла в том. что сейсмическая энергия от заряда в 1 т была зарегистрирована на расстояниях более 2000 км. Эта необычная эффективность, видимо, обусловлена несколькими факторами, в том числе слоем воды глубиной 180 м. под которым находилось сравнительно твердое дно. Сразу стало ясно, что можно использовать взрывы на озере Верхнем для регистрации преломленных волн на очень длинных профилях. Первое зондирование с дальней записью взрывов было осуществлено Геологической службой США в 1964 г. [9]; его результаты побудили провести новое испытание в рамках проекта «Ранний восход». В озере было взорвано 38 зарядов по 5 т вдоль профилей, расходящихся по многим азимутам от озера Верхнего (фиг. 11); регистрация велась рядом групп, созданных американскими университетами и правительственными организациями. В настоящее время данные этого эксперимента изучаются. Предварительные результаты свидетельствуют о вступлениях волн с кажущейся скоростью 8,5 км/с, преломленных в слое, находящемся на глубине около 100 км. Расстояние от пункта взрыва, на котором эта фаза регистрируется как первое вступление, для разных профилей различно, что свидетельствует об изменениях глубины преломляющего слоя. Для профиля, идущего от озера Верхнего в Колорадо (фиг. 12), это расстояние составляет около 900 км. Об этом преломляющем слое сообщалось и в связи с зондированием, проведенным в 1964 г. [9], а также анализом сейсмограмм землетрясений [1].
Обсуждение
За последние пять лет глубинное сейсмическое зондирование существенно расширило наши представления о коре и верхней мантии Земли. Накопилось достаточное количество данных, что позволило начать широкое обсуждение вопросов об изменении структуры коры и мантии в пределах континентов. Некоторые из прежний разногласий в вопросе о строении коры были обусловлены тем, что разные авторы изучали различные регионы, полагая, что обнаруженные ими свойства коры распространяются на всю Землю. Обширные работы, проведенные ТГС, подтверждают различия в строении коры (фиг. 1—4). Накопленные при этом данные позволяют приступить к изучению районов с аномальным строением коры и попытаться найти связь между строением и процессами, происходящими в коре и верхней мантии.
Вероятно, самое важное из обнаруженных региональных изменении скорости фазы Рn — это различие между западной и восточной провинциями США. Изменение скоростей в верхней мантии должно иметь большое значение для тектоники. Сопоставление мощностей коры, высот рельефа и поля силы тяжести убеждает в том, что в изостатическое выравнивание должна быть вовлечена не только кора, но и верхняя мантия; поэтому неправомерно использовать наблюдаемые значения силы тяжести для вычислений мощности коры, как это неоднократно практиковалось в прошлом. Видимая связь тектонической активности и больших значений теплового потока с меньшей скоростью воли в верхней мантии также наводит на мысль, что наблюдаемые тектонические процессы затрагивают верхнюю мантию.
Весьма существенным представляется наличие областей коры, почти целиком сложенных ультраосновными породами. Эта особенность наряду с обнаружением того факта, что в областях современной тектонической активности могут встречаться резкие отражающие границы внутри коры, позволяет говорить о мобильности нижней части коры, возможно, существенно влияющей на тектонические процессы.
Нижняя часть коры может и терять мобильность, что видно на примере района озера Верхнего, где зона сильно повышенной плотности существует еще с докембрия. Ярким контрастом с районом озера Верхнего, где строение коры не изменялось в течение почти миллиарда лет, служат тектонические провинции запада США, где промежуточный слой отличался чрезвычайной мобильностью, о чем свидетельствуют разрезы острова Ванкувер и равнины реки Снейк. Очевидно, физические параметры коры Северной Америки сильно изменяются в широтном направлении; обнаруженные различия могут быть связаны с изменениями температуры коры. Когда температура становится выше некоторого критического значения, кора может приобретать мобильность; если же температура не достигает критической, то зоны аномальной плотности могут существовать длительное время.
Сейсмические наблюдения показали, что модели, в которых принцип изостатического равновесия распространяется только на кору, неприменимы для всех регионов. Тем самым возникает вопрос: с каким уровнем связывать изостатическое равновесие? Если кора мобильна, то изостатическое равновесие осуществимо в пределах коры; по в областях, где кора стабильна, достижение изостатического равновесия должно происходить относительно уровня, находящегося на некоторой глубине в мантии. Перенос вещества мантии вязким течением мог бы объяснить ту степень изостатического равновесия, которая наблюдается на поверхности, однако этот механизм не объясняет поднятий и погружений крупных блоков коры, происходивших в ходе геологической истории. Нужно привлечь какие-то активно действующие силы, которые обеспечивали бы вертикальные изменения уровня в региональном масштабе. Таким механизмом мог бы, например, служить слой в мантии на глубине около 100 км, вещество которого находилось бы в состоянии, чувствительном к изменениям температуры и давления. В этом отношении весьма примечательно открытие переходного слоя в мантии на глубине около 100 км, а также сама возможность вести на континентах сейсмическое зондирование преломленными волнами на профилях большой длины. Характер этого слоя, а также его связь с зоной пониженных скоростей в верхней мантии могут иметь решающее значение при поисках механизма тектонических движений.