Нижняя мантия была первым слоем Земли, закартированным глобальной томографией в середине 80-х годов ХХ века [Dziewonski 1984]. Модели конца 90-х годов прошлого века достигли хорошей разрешенности [van der Hilst et al 1997, Grand 1994, Grand et al 1997, Bijwaard et al 1998]. На этих моделях обнаруживаются элементы, подтверждающие наличие плюмов под горячими точками [Bijwaard & Spakman 1999, Goes et al 1999].
Размер зоны Френеля для короткопериодных Р-волн на глубинах, соответствующих нижней мантии, имеет порядок 400 км, что определяет размеры объектов в нижней мантии, которые могут быть изучены с помощью объемных Р-волн волн. Низкоскоростные цилиндрические объекты в нижней мантии с предполагаемым размером около 400 км, каковыми являются плюмы, будут невидимыми для классической томографии на годографах. Это обусловлено тем, что волновой фронт “залечивается” быстро, после пересечения подобных объектов и, тем самым, значительно снижаются амплитуды во временах запаздывания [Wielandt 1987, Gudmundsson 1996, Allen et al 1999, Dahlen et al 2000, Hung et al 1999]. Поэтому плюмы, с предполагаемым размером около 400 км в нижней мантии, будут невидимыми для томографии на годографах объемных волн.
Для более детального изучения плюмов в нижней мантии Земли предложено две стратегии:
– Первая стратегия заключается в выборе региона, геометрии и данных таким образом, чтобы максимально снизить размер зоны Френеля. Пример применения подобной стратегии – изучение гипотетического нижнемантийного плюма под горячей точкой Боуи [Nataf & VanDecar 1993], для которой проведен детальный анализ Р-волн, пересекающих соответствующую область нижней мантии.
– Вторая стратегия заключается в том, чтобы выйти за границы томографии годографов и использовать более высокоразрешающие методы анализа волновых сигналов. Этот подход был использован [Ji & Nataf 1998] для изучения свойств длиннопериодных Р-волн, рассеиваемых плюмоподобными структурами, с последующим построением подходящего варианта дифракционной томографии и применением этого метода для визуализации Гавайского плюма.
Нижнемантийный плюм горячей точки Боуи.
Горячая точка Боуи расположена недалеко от западного побережья Канады и не относится к числу наиболее заметных горячих точек.
Рис. 1. Цепочка подводных гор Кодьяк – Боуи. Указан возраст подводных гор.
Подводная гора Боуи является последней в линейной цепочке вулканических подводных гор северо-западного простирания, которая характеризуется убедительной возрастной прогрессией [Turner et al 1980]. Отсутствие отчетливого топографического поднятия свидетельствует о небольшом всплывающем потоке (0.3 – 0.8 Mg s-1), более чем на порядок меньше того же значения для Гавайев. Выбор горячей точки Боуи обусловлен ее исключительным расположением. Она находится прямо между Аляскинской зоной субдукции (источник сейсмических волн) и Вашингтонской группой короткопериодных сейсмографов. Так как диапазон эпицентральных расстояний 25о – 30о, то сейсмические лучи пересекают потенциальный плюм в наиболее глубокой точке, ниже 660-км разрывной границей. При такой геометрии, для Р-волн с периодом в 1 секунду, ширина полупериода зоны Френеля примерно равна 250 км. Более того, так как станции располагаются только в 1000 км за предполагаемым плюмом, то “залечивание” волнового фронта не может окончательно “стереть” (удалить) задержки времени (вызванные низкоскоростным плюмом –ОЯ) [Nataf & VanDecar 1993].
Детальный анализ задержек времени Р-волн (с использованием многоканальной кросс-корреляции) обнаружил область задержек времени примерно на 0.15 секунд (т. е. область уменьшения скорости) для лучей, которые проходят примерно в 150 километрах северо-восточнее положения горячей точки. Это позволило предположить, что обнаружен мантийный плюм под Боуи на глубине около 700 км. Очень небольшая задержка времени соответствует превышению температуры примерно на 300К в плюме диаметром 150 км.
Вопреки предположениям, ширина зоны Френеля оказалась немного больше диаметря обнаруженного плюма. Поэтому, вероятно, лучевая интерпретация не достаточно корректна. Недавно была разработана теория [Dahlen et al 2000] для вычислений в терминах приближения Борна для однократного рассеяния, чувствительности или ядер Фреше для задержек времени, измеренных при помощи кросс-корреляции. Приложения к эффекту сферических аномалий задержек времени простой Гауссовой формы [Hung et al 2000] показали, что лучевая теория задержек времени колоколообразной формы заменяется малоамплитудными кривыми с двумя максимумами, когда размер объекта меньше по сравнению зоной Френеля.
Переинтерпретация с учетом вышеизложенной теории результатов по горячей точки Боуи, для которой получена колоколообразная кривая задержек времени, позволяет предположить, что плюм имеет больший диаметр (Ф = 300 км) с большим превышением температуры (ΔТ = 400К) и может быть расположен под центром горячей точки.
Нижняя мантия под Гавайской горячей точкой по данным дифракционной томографии.
Горячая точка Гавайи далеко отстоит от землетрясений и станций, для того чтобы успешно применить упомянутые выше технологии. Фактически, невозможно получить необходимое разрешение при применении глобальной томографии к исследованию нижней мантии под Гавайями вплоть до 2000 км[van der Hilst et al 1997]. Поэтому возникает необходимость в более подходящих технологиях. Были изучены свойства сейсмических волн, рассеянных плюмоподобными структурами [Ji & Nataf 1998]. Рассеянные Р-волны приходят после прямой Р-волны, и могут наблюдаться даже в случаях, когда прямые лучи не пересекают плюм. Для вертикального плюма рассеянная Р-волна является фазой Эйри, которая вбирает в себя рассеянную энергию со всех частей плюма, лежащих внутри зоны Френеля Р-волны, попавшей в плюм, если путь источник-плюм-станция был обнаружен. Моделирование показало, что амплитуда рассеянных Р-волн с периодом 20 секунд достигают лишь 2% амплитуды прямой Р-волны для плюма с правдоподобными геометрией и термальными свойствами (ΔТ = 600К, Ф = 300 км).
Рис. 2. Модель плюмоподобных неоднородностей в нижней мантии, рассеивающих длиннопериодные Р-волны в Гавайском регионе. Аномалии выражаются в терминах “плюм – единиц”, которые связаны с эффектом, расчитанным для стандартного референтного термального плюма. Отметим сильно рассеивающий медленный регион (красный) в северо – западной части Гаваев [Ji & Nataf 1998].
В принципе, использование рассеянных волн позволяет получить гораздо лучшее пространственное разрешение, чем разрешение, достижимое в томографии на задержках времени. Фактически, дифракционная томография опробует “бока” зоны Френеля, для которых заданное временное разделение Δt переводит в значительно меньшую дистанцию, чем в центре зоны Френеля, который соответствует минимуму времени в пути. В результате, заданное вступление может быть связано с рассеивателем, расположенным в любом месте эллипсоида, связанного с зоной Френеля. Так что положение рассеивателя может быть неопределенным. Однако, если использовать множество сигналов, можно восстановить реальные рассеиватели – что является сущностью дифракционной томографии [Devaney 1984, Revenaugh 1995, Lay & Young 1996]. В приложении к вертикальным плюмам, задача сводится к двумерной.
Несмотря на малые предсказанные амплитуды, дифракционная томография на рассеянных волнах была применена для визуализации региона под Гавайями [Ji & Nataf 1998], который оказался хорошо представленным (число попаданий в ячейки размером 10х10 находилось в интервале 50 – 200 ). Неожиданным оказался уровень рассеянной энергии (более 15%), которая, казалось поступает от области, расположенной к северо-западу от Гавайев (Рис 2). Такие амплитуды предполагают более чем 20% аномалии скорости Р-волн.
Учитывая глубинный интервал, представленный в этих исследованиях (нижние 1000 км нижней мантии), сильные аномалии могут быть созданы частичным плавлением в стволе плюма на этом глубинном интервале, так как ультра низкоскоростные зоны в самом низу мантии также требуют чрезвычайно низких скоростей (10% для Р-волн и, возможно, 30% для S-волн). Тем не менее, никто не может исключить возможность того, что наблюденное рассеяние имеет отличное происхождение, чем было заложено при моделировании.
Нижняя мантия Исландии по данным дифракционной томографии.
Дифракционная томография была применена в Исландии [Ji 1996]. Сильно рассеивающая область с пониженными значениями скорости обнаружена к северо-востоку от Исландии. Амплитуда рассеянных волн была значительно выше предсказанной для простого термального плюма.
Рис 3. Модель плюмоподобных неоднородностей в нижней мантии, рассеивающих длиннопериодные Р-волны для Исландии. Отметим сильное медленное рассеивание к северо – востоку Исландии [Ji 1996].
Глобальная томографическая модель на Р-волнах имеет свидетельства наличия низкоскоростной области, распространяющейся через всю мантию под Исландией (Рис. 4) [Bijwaard & Spakman 1999].
Рис 4. Плюм под Исландией на томографической модели Р-волн [Bijwaard et al 1998, Bijwaard & Spakman 1999].
Аномалия достигает 0.5% (что соответствует ΔТ = 150К). Аномалия протянулась через мантию (возможно влияние “мантийного ветра”) и имеет диаметр до 1000 км. Было высказано предположение [Goes et al 1999] о том, что достаточно широкое изображение плюма обусловлено двумя зонами пониженной скорости, на глубине между 1100 км и 1700 км. Эти зоны залегают под Канарскими островами и Центральной Европой. Последняя зона может быть связана с горячими точками в Эйфеле и в Центральном массиве.
Использование для визуализации плюмов в нижней мантии РсР, ScS, РКР и SKS волн.
При визуализации плюмов в нижней мантии используются сейсмические волны, распространяющиеся в мантии по близким к вертикальным путям (отраженные в ядре волны РсР и ScS, обменные в ядре волны РКР и SKS). Но эти попытки нельзя назвать успешными, так не было обнаружено аномалий РКР волн, записанных на станциях, расположенных в пределах горячих точек [Helffrich & Sacks 1992].
Фактически, сомнительно использование отраженных от ядра и преломленных в ядре волн для выявления плюмов в нижней мантии, так как явление залечивания волнового фронта, упомянутое выше, очень значительно в этой геометрии.