Для реконструкции изображения мантии Земли используют различные сейсмотомографические технологии. Построена серия глобальных сейсмотомографических моделей, охватывающих мантию Земли от ее кровли и до подошвы (границы с внешним ядром Земли).
Приведем список наиболее представительных моделей, построенных в последнее десятилетие:
– PRI-P04, PRI-P05 [Dahlen et al., 2000,Montelli et al., 2004];
– SAW24B16 [Megnin and Romanowicz, 2000];
– S362D1 [Gu et al., 2001] (обе модели представлены на рисунках 4 и 5);
– S20RTS [Ritsema and van Heijst, 2000] (рис 4 и 6);
– S&G [Simmons et al. 2006] (рис. 4 и 6];
– SB4L18 [Masters et al., 2000] (фиг.4 и 7).
За исключением модели S&G, информация по всем перечисленным выше моделям была заимствована с вебсайта, посвященного Референтным моделям Земли (Reference Earth Model REM). О референтных моделях Земли(РЗМ) можно почитать здесь…. Модели SAW24B16, SB4L18, S362D1 и S20RTS были построены по данным о поверхностных волнах, собственным колебаниям (free-oscillation) и объемным волнам с целью обеспечения максимально надежного разрешения. Данные длиннопериодных поперечных волн включенные в модель SB4L18 послужили подмножеством данных, которые были использовали, для оценки модели PRI-S05. Модель S&G была получена путем обращения только годографов объёмных волн и является последней версией череды подобных моделей, создаваемых исследовательской группой под руководством др. Гранда [Grand et al., 1997; Grand, 2002]. Эта модель использует почти в два раза больше данных, по сравнению с предшествующими моделями, а также включает в себя восходящей фазы sS, sScS и т.д. Рисунок 7 показывает скоростную модель Р-волн PRI-P05, которая является обновлением модели Р-волн [Montelli et al, 2004] . Все построенные модели, были пересчитаны на сетку с размером ячеек 2о° х 2о°.
Конечно-частотная томография.
Последнее десятилетие успешно применяется конечно-частотная томография как на годографах Р-волн, так и на годографах S-волн.
Конечно-частотная томография исключает, в первом приближении, влияние эффектов дифракции, так как предполагает, что время распространения волны (годограф волны) зависит лишь от скорости среды в окрестности сейсмического луча.
Поперечный диаметр зоны Френеля оценивается как корень квадратный из произведения длины волны на длину пути от источника до этого сечения.
Для заданной частоты (одного доминирующего периода), область, к которой чувствительна S-волна примерно на 30% уже, чем для Р-волны, а сама чувствительность S-волны в этой более узкой области выше, чем у Р-волн (Рисунок).
Более узкая зона Френеля и более высокая чувствительность S волн к изменениям температуры частично компенсируют отсутствие большого количества данных по короткопериодным поперечным волнам.
Рисунок 1. Сечения ядра Фреше для годографа (а) Р-волны и (б) волны S на эпицентральном расстоянии 60 градусов, с преобладающим периодом 20 с. Цветовая гаммы для ядра S-волны вдоль сейсмического луча изменяется. Сплошные линии показывают изменение чувствительности ядра с глубиной на линии, проходящей через вершину луча.
Конечно-частотная томография и на годографах Р-волн с двумя различными доминирующими периодами (1 с. и 20 с.) и адаптивной, нерегулярной параметризацией модели применена для реконструкции глобальной модели мантии Земли [Dahlen et al., 2000,Montelli et al., 2004а,b ].
Глобальные модели мантии Земли, реконструированные с применением технологии конечно-частотной томографи на продольных волнах получили обозначение PRI-P04. На моделях PRI-P04 выявляются столбообразные аномалии низкой скорости с диаметром в несколько сотен километров, которые интерпретируются как нижнемантийные плюмы.
Рисунок 2. Годографы и лучи для основных сейсмических фаз для модели АК-135
Аналогичная техника томографической инверсии применена к годографам длиннопериодных поперечных S-волн, а также к годографам дифференциальных, поперечных SS-S и ScS-S волн с преобладающим периодом 20 с.
Изображения мантии, полученные по поперечным S-волнам и продольным Р-волнам (улучшенная версиия модели PRI-P04) близки. Улучшение модели PRI-P04 достигнуто за счет учета влияния земной коры и редуцирования стандартной ошибки определения задержек P-волн, которые приводятся в бюллетенях Международном Сейсмологического Центра (ISC).
Низкая точность определения времен вступления короткопериодных S-волн, приводимых в бюллетенях ISC, по сравнению с аналогичными параметрами для Р-волн не позволяет их применять для томографической реконструкции мантии Земли.
При недостаточной чувствительности S-волн на высоких частотах, становится чрезвычайно полезным определить ширину вертикального столба мантийного плюма по данным Р-волн.
Сопоставление S-модели с другими томографическими моделями.
Представляем глобальные сопоставление S-модели PRI-S05 с моделью PRI-P05 и несколько скоростными моделями, полученными по поверхностным волнам: SAW24B16, S362D1, S20RTS, S&G, SB4L18.
Рисунок 3. Горизонтальные сечения скоростных моделей S-волн на глубинных уровнях 350 км (левая колонка) и 600 км (правая колонка). Модели сверху вниз:
– Berkeley (Беркли): BK-SAW24B16;
– Caltech (Калифорнийский технологический институт): CT-S20RTS;
– Harvard (Гарвард): HRV-S362D1;
– Austin (Остин): S&G;
– Scripps (Скриппса): SB4L18;
– Princeton (Принстон): PRI-S05.
В нижнем ряду показана скоростную модель Р-волн для непосредственного сравнения P- и S-моделей.
Сопоставление моделей показывает хорошее их согласие для длиннопериодный аномальных структур. На всех моделях в наиболее глубоких горизонтах нижней мантии выявляются две очень крупные низкоскоростные аномалии “суперплюмы” под Африкой и под Тихим океаном. На всех моделях, кроме PRI-P05, непосредственно над границей ядро-мантия расположен Африканский суперплюм, который простирается от южной части Африки вдоль восточной части Атлантического океана на запад и вплоть до Кергелена в Индийском океане на восток. На модели SAW24B16 не обнаруживается простирание Африканского суперплюма в сторону, как на других моделях(в том числе и на модели PRI-P05), а на модели S20RTS это расширение проявляется очень слабо.
Рисунок 4. Сечения на разных глубинах (900, 1200, 1600, 2000, 2400, 2800 км) в нижней мантии
Скоростные модели S-волн: Berkeley, BK-SAW24B16; Harvard, HRV-S362D1; and Princeton, PRI-S05.
Африканский суперплюм воздымается вверх от самых низов нижней мантии до глубины 1500 км на всех трех моделях, и даже до 900 км на модели SAW24B16.
Тихоокеанский суперплюм также присутствует на всех трёх моделях.
Хотя модели различаются в некоторых деталях начертания важнейшей аномальной зоны, все они указывают на разделение Тихоокеанской аномалии на три области.Начиная с глубинного уровня 2800 км визуально различает обширные максимумы, расположенные под Соломоновыми островами/ Коралловым морем, под Самоа / Таити и под островом Пасхи
(Рис 3-6). Некоторые модели предполагают порождение плюмоподобных поднятий с кровли суперплюма. На моделях S20RTS, S&G а также моделях Принстона (PRI) подобные образования располагаются в нижних 1000 км мантии. Но несогласованность в упомянутых моделях возрастает с уменьшением радиуса плюмов – чем уже плюмы, тем выше несогласованность в моделях.
Рисунок 5. Сечения на глубинных уровнях 900, 1200, 1600, 2000, 2400, 2800 км в нижней мантии.
Скоростные модели S-волн: Caltech, CT-S20RTS; Austin, S&G; and Princeton, PRI-S05.
Если глобальные аномалии практически на всех томографических моделях просматриваются уверенно, то менее крупные скоростные аномалии на различных томографических моделях выявляются различным образом. Это, в первую очередь, касается тех моделей, для построения которых использованы относительно короткопериодные сейсмические волны: PRI-S05, PRI-P05 и S&G. Лишь на моделях PRI-S05 и PRI-P05 обнаруживаются в верхней мантии плюмоподобные аномалии скорости, которые имеют четко очерченные контуры и связаны своими корнями с низкоскоростными аномалиями в нижней мантии Земли.
Рисунок 6. Сейсмотомографические сечения на разных глубинах (900, 1200, 1600, 2000, 2400, 2800 км) в нижней мантии Земли
Скоростные модели S- и Р-волн: Scripps, SB4L18; Princeton, PRI-S05, and Princeton, PRI-P05
Плюмы, имеющие глубинные корни в нижней мантии, выявленные на модели PRI-S05, также выявлены на моделях S20RTS и S&G и, в меньшей степени, на моделях PRI-P05 и S362D1 (например, Канарские / Кабо-Верде, Восточный Соломона, Кергелен, Таити). На других моделях низкоскоростные аномалии часто являются частью более широких низкоскоростных аномальных зон, особенно в в верхней мантии Тихого океана, и теряют выразительность в средней части мантии.
За исключением плюма под Исландией, глубины распространения плюмов, определенные по моделям PRI-S05 и PRI-P05 близки по своим величинам. Но в некоторых случаях (например, Кергелен), на модели PRI-S05 плюмы в нижней мантии более четкие, чем на модели, построенной по Р-волнам.
Заметной особенностей моделей PRI-P05 и PRI-S05, по сравнению с моделями, построенными с помощью классических лучевых методов, является непрерывная с глубиной прослеживаемость региональный (не глобальных) низкоскоростных аномалий. Большинство из этих, сравнительно небольших аномалий, расположены поблизости от известных горячих точек, и можно предположить, что эти аномалии нижней мантии и являются плюмами, подпитывающими горячии точки.
Конфигурация узлов (нерегулярная), и выбор данных (который исключают объёмные волны из нижней мантии, лучи которых близки к вертикали) содействуют воспроизведению вертикальной непрерывности аномалий. Конечно-частотная инверсия использует такой объем ядра, который не отдает предпочтения явно выраженным линейным аномалиям. Регуляризация, примененная при инверсии, изотропна и не отдает предпочтения какому-либо конкретному направлению. Возможность выявления вертикальной непрерывности аномалий – это необходимое условие для подбора данных. При правильном подборе данных и правильной интерпретации с использованием конечно-частотных ядер, появляется возможность изучить изменчивость скорости в вертикальном направлении. Именно это – возможность изучения изменчивости скорости в вертикальном направлении – и есть важнейшая особенность, которая отличает модели PRI-P05 и PRI-S05 от других глобальных, томографических моделей.
Глобальные высокоскоростные аномалии.
Практически на всех моделях отчетливо выявляются глобальные высокоскоростные аномалии. Например, Тихоокеанское кольцо повсеместно подстилается высокоскростными аномалиями, которые отчетливо просматриваются на всех моделях в низах мантии, на уровне 2800 км глубиной. Этот эффект немного размыт на модели PRI-P05 за счет исключения из рассмотрения при ее построении сейсмических фаз зародившихся в ядре Земли.
Ниже 670 км на всех моделях выявляется аномалия Фараллон в форме узкой высокоскоростной полосы. Высокоскоростная аномалия расположена в области субдукции Тонга. На всех моделях отчетливо наблюдается перестройка общей структуры высокоскоростных аномалий на глубинном уровне 2000 км. В самых низах мантии обширные высокоскоростные аномалии, обрамляющие Тихоокеанский выявляются отчетливо на всех моделях и имеют высокую контрастность.
Источники.
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.