Расщепление SKS волны. Анизотропия.

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
Рисунок 3. 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

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.

 

Конвекция в нижней мантии.

Из-за высокой вязкости части нижней мантии первичные (и, возможно, вторичные) плюмы ведут себя как квазипассивные трассеры крупномасштабных движений, навязанных нижней мантии квадруполярной конвекцией. Наличие двух групп первичных горячих точек свидетельствуют о наличии двух отдельных резервуаров квадруполярной конвекции, расположенных под Тихоокеанским и Африканским суперапвеллингами. Эти резервуары конвекции медленно перемещались (со скоростью ~10 мм в год) относительно друг друга последние 40-50 млн лет. В предшествующие же десятки миллионов летно указанные резервуары перемещались со значительно более высокой относительной скоростью (~50 мм в год). Относитедьные движения продолжались и до старейших из сохранившихся следов Гавайской горячей точки (т. е. до 80 млн лет назад).
Обратимся к кривой движения полюса (TPW) для того, чтобы оценить, когда это движение началось.

Четыре кинематические, географическии или динамические индикаторы движения горячих точек.

Временные изменения (горизонтальная ось – время, шаг десять миллионов лет, от 0 до 100 млн лет) четырех важных кинематических, географических или динамических индикаторов движения горячих точек. На всех графиках наблюдается ступенчатое изменение скорости движения на времени 40 – 50 млн лет. Поведение скорости показано непрерывной красной линией или пунктирной черной линией, в зависимости от того, когда произошло изменение скорости – 40 млн лет назад (красная линия) или 50 млн лет назад (пунктирная черная линия). а – Расстояние между наблюденными и предсказанными позициями для Гавайской горячей точки. Прогноз позиций основан на предположении, что горячие точки Реюньон и Гавайские острова остались неподвижны относительно друг друга; датированный след горячей точеки Реюнион передается Тихоокеанской плите с кинематическими параметрами через глубоководный желоб Адар (Adare) между Восточной и Западной Антарктидой. в, с – широтные изменения горячих точек Реюнион и Гаваи. d – Скорость блуждания полюса вдоль следа горячей точки с интервалом 10 млн лет.

Следов горячих точек становится меньше и следы становятся более неуверенные когда они идут назад в прошлое, и к оценкам движения полюса ранее 100 млн лет следует относиться с осторожностью. Однако имеются индикаторы того, что основная фаза блуждания полюса началась ~130 млн лет назад. Что запустило этот процесс? Геометрия аномалий плотности, ассоциируемые с двумя апвеллингами (в частности с двумя суперподнятиями) не имеют большого влияния на главную ось инерции Земли и, следовательно, на блуждание полюса. С другой стороны, холодный субдуцируемый материал, аккумулируемый в основании зоны субдукции в транзитной зоне, вдоль огромной ветви квадрупольной конвекции в нижней мантии, мог бы запустить значительный обвал в нижней мантии. Подобный обвал мог бы начаться в транзитной зоне около 130 млн лет назад, и вполне мог отклонить Землю на серию блужданий полюса, продолжавшихся до ~40-50 млн лет назад. Альтернативной интерпретацией могло бы быть исчезновение основной зоны субдукции, после чего и тепловой поток и средняя температура значительно и быстро изменились бы.
Самое последнее событие, совершавшееся 40-50 млн лет назад могло быть связано с закрытием огромной зоны субдукции Тетиса, вслед за генерализацией Индийской коллизии, что предлагалось в течении длительного времени для объяснения Гавае – Императорского изгиба. Отклонения полюсов Земли могут быть результатом подобных (редких) событий, которые сменяются периодами устойчивости, продолжающиеся десятки миллионов лет. А первичные горячие точки могли бы быть основным источником информации об истории того времени, в котором они существовали, являясь пассивными маркерами перестройки в двухячеистой геометрии нижнемантийных резервуаров.

Источники:
Courtillot V.,Davaille A., Besse J., and J. Stock Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters 205 (2003) 295-308.

Два типа плюмов в нижней мантии и два типа горячих точек.

Поставим вопрос о том, возможно ли происхождение двух типов апвеллингов, разного масштаба – “суперплюмов” и “первичных” плюмов из глубин на уровне подошвы нижней мантии? Последние эксперименты показали, что одновременная генерация суперплюмов и плюмов горячих точек действительно возникает естественным путем из термохимический конвекции в неоднородной мантии. Этот стиль зависит от показателя плавучести (отношение химической плотности аномалии к термальной плотности аномалии): для низкой плавучести (т. е. слабые аномалии плотности химического происхождения) генерируются большие купола или суперплюмы, в то время, как при высокой плавучести продуцируются долгоживущие термохимические плюмы. Аномалии плотности химического происхождения выявленные по сейсмическим данным и по данным физики минералов (по величие, возможно, меньшие, чем 2%) могут быть достаточными для продуцирования двух типов плюмов. В этих рамках, первичные плюмы могут быть термохимическими плюмами, продуцированными из неустойчивостей, вовлекших химические аномалии с большей плотностью. Более того, посколку термальный пограничный слой будет существовать на границе между суперплюмом и остальной мантией, от может генерировать вторичные термальные плюмы, тем более, если купол остановился в транзитной зоне, как это может быть в случае с Полинезией: множество горячих точек, которые произвели короткие линейные следы без покровных базальтов (т. е. Tahiti, Cook-Australs and Pitcairn), могут быть отнесены к вторичному типу плюмов. Отметим, что поверхностные движения этих вторичных плюмов будут также отражать ковекцию нижней мантии, следовательно будут согласовываться с плюмами, производными от первичных плюмов. Однако связанные с этими вторичными плюмами следы слишком короткие, для того чтобы отчетливо тестировать эти плюмы. В любом случае, короткие по длине и по времени следы и отсутствие покровных базальтов в начале этих горячих точек, позволяет отличать вторичные горячие точки от первичных.

Источники:
Courtillot V.,Davaille A., Besse J., and J. Stock Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters 205 (2003) 295-308.

Происхождение первичных плюмов.

Первичные горячие точки, прослеженные в верхней мантии под транзитной зоной, могут быть продуцированы плюмами, которые возникают из неусточивых областей пограничного термального слоя. Подобные слои вероятнее всего могут располагаться либо внутри транзитной зоны, либо на границе мантии и ядра. В настоящее время сейсмология не в состоянии выявить стволы отдельных плюмов в нижней мантии и, поэтому, не может ответить на вопрос о том, зародились ли первичные плюмы глубже транзитной зоны.
Геохимические данные свидетельствуют, что плюмы зарождаются в транзитной области. Существуют другие геохимические данные свидетелствуют в пользу нижнемантийного происхождения первичных плюмов –  базальтовые лавы океанических островов значительно обогащены Fe.
Продуцирование траппов в начальной стадии развития горячей точки, как расплава связанного с головной частью плюма, требует расплавления более, чем 108 км3 мантийного вещества, потенциально заполняющего верхнюю мантию. Не ясно, как такое большая нестабильность могла бы сформироваться в транзитной области. Лабораторные и численные эксперименты показывают, что такую нестабильность можно произвести в термальном слое на границе мантия – ядро.
Хвосты (стволы) первичных плюмов имеют возраст порядка 130 млн лет. Плюмы, зародившиеся как траппы в последние 100 млн лет (Ethiopia-Yemen/Afar, Greenland/Iceland, Deccan/Reunion) до настоящего времени достаточно активны, в то время, как те, что зародились между 100 и 140 млн лет могут быть пропущены (Ontong-Java/Louisville, Parana-Etendeka/Tristan), а плюмы, старше 150 млн лет не имеют активных следов (Karoo, CAMP, Siberia, Emeishan).
Анализ механики жидкости свидетелствуют, что существовующие в настоящее время очень большие головные части плюмов и маленькие, но длинные и прочные хвосты могут быть продуцированы только на глубинах, значительно превышающих глубину транзитной зоны.
Происхождение первичных плюмов из пограничной области, расположенной между мантией и ядром – актуальная задача, стоящая перед сейсмологическими и геохимическими исследованиями. В пользу зарождения первичных плюмов в пограничеой зоне между мантией и ядром свидетельствуют данные:
– изучения механики жидкости;
– наблюдения огромных объемов, которые должны быть выплавлены, чтобы продуцировать покровные базальты;
– о длительном существовании подводящих каналов, продуцирующих цепочки островов.

Источники:
Courtillot V.,Davaille A., Besse J., and J. Stock Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters 205 (2003) 295-308. 

Плюмы и суперплюмы.

Кинематические особенности первичных горячих точек (Afar, Easter, Hawaii, Iceland, Louisville, Reunion, Tristan) дают возможность сделать вывод о том, что они принадлежат двум отдельным полушариям. Эти два полушария простираются от транзитной зоны до границы с ядром, что было обнаружено на сейсмических изображениях нижней мантии, разрешающая способность которых непрерывно возрастала последние 30 лет  (Рис. 1).

Томографические модели скоростей поперечных волн (VS) для глубин 500 км и 2850 км.

Рисунок 1. Распределение 49 горячих точек (черные кружки), наложенное на томографические модели скоростей поперечных волн (VS) для глубин 500 км и 2850 км. Цветом обозначены значения изменения скорости от -2% (красный цвет) до +2% (синий цвет). Семь “первичных” горячих точек, обозначены на схемах красными кружками и первыми буквами имени соответствующей горячей точки (A – Afar, Е – Easter, H – Hawaii, I – Iceland, L – Louisville, R – Reunion, Т – Tristan).

Два полушария так же увязываются с преобладающими 2-х градусными особенностями геоида. В настоящее время конвекция в нижней мантии, как представляется, доминирует в квадрупольной моде, в которой холодный, более плотный материал субдуцирует и погружается в мантию, охватывая две большие области с центрами, расположенными приблизительно с противоположных сторон экваториальной области, под Африкой и центральной частью Тихого океана, где горячее, менее плотное и низкоскоростное вещество (два суперплюма) поднимается вверх. Много горячих точек располагаются выше этих “горячих” регионов (Рис. 1). При более детальном рассмотрении, картина в горячих полусферах может оказаться более сложной. Два массивных плюма, отвечающих за суперподнятия под западной Африкой и Французской Полинезией не столько горячее, сколько химически неоднороднее вмещающего вещества. Несмотря на то, что суперплюмы располагаются примерно в центральной части горячих областей, шесть из семи первичных горячих точек находятся в пограниных районах этих областей. Лишь Исландский плюм довольно далеко расположен от этих горячих областей. Однако следует отметить, что динамические поднятия ассоциируют с суперплюмами и, по крайней мере, пять первичных горячих точек (Louisville, Hawaii, Tristan, Reunion and Iceland) не пересекаются) (Рис. 2).

Первичные плюмы и суперподнятия

Рисунок 2. Первичные плюмы и суперподнятия показанные на томографической схеме поперечных волн для глубины 2850 км. Положительные (повышенные скорости, холодные) аномалии показаны синими тонами. Отрицательные (пониженной скорости, разогретые) аномальные области показаны белым цветом. Положение Тихоокеанского и Африканского суперподнятий представлены большими розовыми точками. Семь первичных горячих точек (Afar, Easter, Hawaii, Iceland, Louisville, Reunion, Tristan)показаны маленькими красными точками. Три горячие точки, которые могут быть включены в группу первичных горячих точек (Marquesas, Galapagos и Kerguelen), показаны зелеными точками с красными краями. Первичные горячии точки имеют тенденцию к развитию над разогретыми регионами, но вне пределов обоих суперподнятий и холодных (связанных с субдукцией) поясов.

Следовательно, хотя первичные горячие точки и кажутся связанными с конвекцией в нижней мантией, они могут происходить не из суперплюмов.

Источники:
Courtillot V.,Davaille A., Besse J., and J. Stock Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters 205 (2003) 295-308.