Month: July 2017

Рисунок 1. Расщепление (двойное лучепреломление) упругой волны в анизотропной среде.

Расщепление поперечной S-волны (сейсмическое двулучепреломление) – это явление, которое возникает, когда поляризованная S-волна сдвига проникает в анизотропную среду. Падающая S-волна распадается на две поляризованные сдвиговые волны (рис.1). Расщепление S-волны является надежным инструментом для выявления анизотропии изучаемой области.

Рисунок 2. Регистрация SKS-волн и S-волн.

Как правило, измерения расщепления сдвиговой (поперечной) волны выполняются на волнах SKS (Рис. 2), так как распространение через жидкое, внешнее ядро удаляет любое расщепление, полученное SKS фазой вблизи источника (в районе очага землетрясения). Это позволяет интерпретировать измеренные расщепления волны, обусловленные анизотропией (быстрых направлений и замедленных направлений) в строении вещества в непосредственной близости от приёмника (сейсмостанции). Регистрация SKS волны ограничена узким диапазоном эпицентральных расстояний и азимутами подхода к сейсмостанции.

Но при использовании прямых S-волн, их расщепление может быть обусловлено особенностями строения Земли и в области источника, и в области регистратора. Это не часто делается, потому что расщепление, измеренное на S-фазах, могло быть получено и вблизи источника. Но существуют технологии, позволяющие отделять при оценке расщепления S-фаз влияние источника и приемника за счет специального группирования очагов и приемных сейсмостанции.
В этих технологиях используется тот факт, что для станций внутри региональной группы лучевые пути довольно близки друг к другу и, поэтому, расщепление S-волны, обусловленное источником, если оно присутствует, идентично для всех станций группы и может быть исключено.

Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление или двулучепреломление — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие (Рис. 3). Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).
Впервые обнаружен датским учёным Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата в 1669 году.

Мантийный ветер – это условное и очень образное название движения больших масс мантийного вещества в результате глобальной конвекции. Плюм, подымающийся с границы ядро – мантия к поверхности Земли может «перехватываться» и искривляться мантийным ветром.

Рисунок. 1. Принципиальная модель взаимодействия наклонного суперплюма и литосферы. 1 – мантийный ветер; 2 – литосфера; 3 – астеносфера и мезосфера мантии; 4 – мантийный плюм; 5 – сейсмические (фазовые) границы в мезосфере.

Мантийный ветер на томограммах мантии.

Томографическая реконструкция глубинной структуры мантии Земли показывает, что действительно плюмы поднимаются от границы ядро – мантия как куполообразные структуры, медленно прокладывая себе путь к поверхности Земли. На вертикальном пути к поверхности Земли плюмы могут изгибаться, то есть отклоняться от вертикального направления под действием так называемого ”мантийного ветра”.

Плюмы Азоры, Канары, Кабо-Верде.

Подобное отклонение отчетливо проявляется для плюмов под Азорскими островами, Канарскими островами и для плюма Кабо-Верде. Эти плюмы изгибаются в западном направлении от общего для плюмов вертикального воздымания от границы ядро-мантия.

Рисунок 2. (а) Трехмерный вид мантийных плюмов под горячими точками Азорские острова (AZ), Канарские острова (CN), Кабо-Верде (CV) по данным томографии на P-волнах (слева) и S-волнах (справа). Площадь горизонтальных сечений 40° на 40°. Положение сечений выбрано так, чтобы в их центральной части располагались изучаемые плюмы. Пропорции вертикальной шкалы были преувеличена таким образом, чтобы избежать наложения изображений в сечениях.
(b) Те же сечения скоростной модели S-волн но представленные на горизонтальной плоскости.

Три соседние плюма (Азорские острова (Azores – AZ), Канарские острова (Canary – CR), Кабо-Верде (Cape Verde – CV) проявляются как изолированные аномалии пониженной скорости до глубины 1000 км. Глубже 1000 км три аномальные области сливаются и изгибаясь в восточном направлении, достигают основания мантии у берегов Африки под Канарами (Canary) на широте 20 – 25 ° N (рисунок 2, соединяясь с суперплюмом. Тест на разрешение показывает надежное разделение трех плюмов до глубины 1000 км, но не глубже.

Гавайский плюм и мантийный ветер.

Сейсмотомографические исследования привели к значительному уточнению формы плюма в тектонотипическом районе Гавайского архипелага. 3-D изображение гавайского плюма по Vp и Vs скоростям подтверждает расплывание (расплющивание) головы плюма в неглубокой мантии на глубине < 200 км под литосферой. Выявляется асимметрия плюма непосредственно под активными вулканами – островами Гавайи и Мауи. На большой глубине, порядка 900 км, плюм смещается.
В целом это позволяет говорить, что конвекция и быстро движущаяся Тихоокеанская плита наклоняют канал плюма в нижней и верхней мантии. Плюм удлинен в направлении вулканической цепи и окружен высокоскоростным “воротником” – аномалией, имеющей параболическую форму в плане и интерпретируемой как следствие захвата плюмом холодной (доплюмовой) мантии во взаимном перемещении [2].

Рисунок. 3. Неоднородности скорости продольных Р-волн под Гавайским архипелагом.

Мантийный ветер и анизотропия сейсмических скоростей.
Плюмы взаимодействуют и с мантией, и конвектирующей астеносферой, и с движущейся литосферой. Деформации астеносферной и подастеносферной мантии, направление, в которых действуют деформирующие вещество мантии силы приводят к анизотропии скоростей, которая выявляется в результате сейсмологических наблюдений.
Детальное изучение анизотропии мантии вокруг плюма Реюнион в Индийском океане приводит к получению модели, с параболическим распределением элементов анизотропии вокруг этого плюма, ориентированным против направления мантийного потока [3]:

Рисунок. 4. Параболическое распределение элементов анизотропии вокруг плюма Реюнион.

Детальное изучение анизотропии мантии вокруг Эйфельского плюма так же приводит к модели с параболическим распределением элементов анизотропии вокруг этого плюма, ориентированным против направления мантийного потока [4].
Эти модели напоминают структуру водного потока, обтекающего препятствие (например, стебель тростника), и являются результатом взаимодействия субвертикального и горизонтального мантийных течений – плюмового и плейт-тектонического.

Рисунок. 5. Генерализованная модель формирования параболической структуры мантии, связанной с ее поляризацией при взаимодействии движущейся океанической плиты с плюмом. 1 – направление движения плиты; 2 – линии, ориентированные параллельно быстрым скоростям распространения волн; 3 – пунктир, ограничивающий область, в пределах которой поперечные волны поляризованы (за ее пределами находится так называемая зона стагнации); 4 – активный вулкан (“голова” плюма); 5 – цепочка вулканических островов с прогрессирующим изменением возраста (возраст уменьшается по направлению стрелки до нуля)

Подобные параболы наблюдались и при изучении двупреломления поляризованных поперечных волн, указывающего на ориентировку породообразующих минералов мантии.
Наблюдения над площадным распределением геохимических типов вулканизма позволяют построить модель верхней части плюма (до 400–600 км на глубину), наклонённого в сторону движения плиты и сильно изогнутого в его верхней части, подвергающейся деформации на контакте с литосферой [5].

Источники.

1. Montelli, R., G. Nolet, F. A. Dahlen, and G. Masters (2006), A catalogue of deep mantle plumes: New results from finite-frequency tomography, Geochem. Geophys. Geosyst., 7, Q11007, doi:10.1029/2006GC001248. 2.  Wolfe C.J., Solomon S.C., Laske G., Collins J.A., Detrick R.S., Bercovici D., Hauri E.H. Mantle P-wave velocity structure beneath the Hawaiian hotspot // EPSL. 2011.Vol. 303. P. 267–280.
3. Barruol G., Fontaine F.R. Mantle flow beneath La Re’union hotspot track from SKS splitting // EPSL.2013. 362. P. 108–121.
4. Walker K.T., Bokelmann G.H.R., Klemperer S.L., Bock G. Shear-wave splitting around the Eifel hotspot: evidence for a mantle upwelling // Geophys. J. Int. 2005.Vol. 163. P. 962–980.
5. Farnetani C.G., Hofmann A.W. Dynamics and internal structure of the Hawaiian plume // EPSL. 2010. Vol. 295. P. 231–240.
6. В. Н. Пучков. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПЛИТОТЕКТОНИЧЕСКИХ И ПЛЮМОВЫХ ПРОЦЕССОВ. ГЕОТЕКТОНИКА, 2016, № 4, с. 88–104.