Поверхностные волны стали использовать при изучении строения коры лишь в последние двадцать лет. В результате работ Рэлея, Лэмба и Лява по теории поверхностных волн были выявлены природа и характер продольных вертикально поляризованных поверхностных волн (Рэлея) и поперечно поляризованных поверхностных волн (Лява), наблюдаемых на сейсмограммах. Выло установлено, что в слоистой среде возникает дисперсия поверхностных волн, т. е. существует зависимость между скоростью волн и частотой колебаний. Перед сейсмологами возникла задача объяснить наблюдаемую на сейсмограммах дисперсию исходя из некоторой модели слоистой Земли.
Начиная с пятидесятых годов анализ поверхностных волн вступил в стадию количественных расчетов и мог быть использован совместно с анализом преломленных волн для создания детальной картины строения коры. Были разработаны более совершенные методы измерения групповой и фазовой скорости поверхностных волн путем анализа их сейсмограмм или их спектров во временной или частотной области. Наблюдения были распространены на высшие и рассеивающиеся гармоники. Появление быстродействующих ЭВМ позволило точно рассчитывать теоретические дисперсионные кривые для сложных моделей строения коры, пользуясь матричным умножением. Это дало возможность реализовать методику подгонки теоретических дисперсионных кривых к наблюденным и подбора подходящей модели строения коры (обратная задача). За последние пятнадцать лет было опубликовано более ста работ, в которых дисперсия поверхностных волн использовалась для количественной оценки параметров коры и мантии.
Типы коры
Ниже будет дана характеристика основных типов коры, основанная на анализе поверхностных волн. Дисперсионные кривые будут сопоставлены с основными параметрами коры и мантии, а также с общей характеристикой соответствующих типов коры, полученных другими методами, а именно путем измерения теплового потока и гравитационных аномалий Буге. Самая первая и простая классификация коры состояла в подразделении ее на континентальный и океанический типы; такое подразделение сохраняет свое значение и в настоящее время. Доля земной поверхности, которую не 1ьзя с уверенностью отнести к континентальному или океаническому типу коры, очень мала.
Для более детальной классификации, чем простое подразделение коры на континентальную и океаническую, необходимо учитывать следующие параметры: мощность коры, скорость волн Рп в кровле мантии, характер тектоники, мощность осадочных отложений и глубину воды. Анализ этих параметров дает основание выделить следующие типы коры: щиты (А); платформы (Б); активизированные платформы (В); альпийские пояса (Г); большие островные дуги (Д); океанические впадины (Е); срединноокеанические хребты (Ж). Существуют еще два типа, которые не могут быть достоверно выделены на основании анализа поверхностных воли,— это континентальные плато и океанические желоба. Параметры выделенных типов коры приведены в табл. 1.
Ввиду возможности значительных вариаций перечисленных параметров в пределах данного типа коры, а также неточности измерения дисперсии приводимые ниже дисперсионные кривые следует рассматривать как приближенные. Они не могут служить строгим критерием, позволяющим определить тип коры, а являются лишь характерной для данного типа картиной.
Тип А: щиты. Щиты представляют собой тектонически устойчивые области континентов с крайне незначительными проявлениями вулканизма и сейсмичности. Денудация обнажила на их поверхности глубоко метаморфизованные и интрузивные породы; мощные осадочные отложения моложе докембрия здесь отсутствуют. Величина теплового потока мала и составляет около 0,7 мккал/(с·см2).
Для щитов типична мощность коры около 35 км и скорость волн Р, возрастающая с глубиной от 6,1 до примерно 6,8 км/с на глубине 30 км. У кровли мантии отмечается повышенная скорость волн Р (около 8,3 км/с и S (4,7—4,8 км/с).
Для дисперсионных кривых этого типа коры (фиг. 1) характерны сравнительно большие групповые и фазовые скорости волн с периодами около 60 с вследствие больших значений скорости в мантии, а также сравнительно большие групповые и фазовые скорости волн с периодами около 10 с из-за отсутствия осадочных отложений с низкой скоростью волн. Положение кривых, соответствующих высшим гармоникам, отражает прежде всего мощность коры.
Тип Б: платформы. Платформы напоминают щиты, но отличаются несколько меньшей стабильностью: после докембрия там происходило осадконакопление и сводовые прогибания большого радиуса, особенно в краевой зоне континента. Отмечаются слабые проявления вулканизма и сейсмичности. Величина теплового потока составляет около 1.0 мккал/(с·см2). Типичная мощность коры примерно 38 км, скорость волн Р в кровле мантии около 8,2 км/с, волн S — 4,6 км/с.
Групповые и фазовые скорости поверхностных волн с периодами ~60 с несколько меньше, чем для щитов; это следствие прежде всего меньшей скорости волн в мантии (фиг. 2). Скорости волн с периодами ~10 с колеблются в зависимости от мощности осадочных отложений.
Тип В: активизированные платформы. Для этого типа коры характерны молодые подвижки по сбросам, вследствие чего кора разбивается на ряд котловин и хребтов. Подвижки сопровождаются многочисленными излияниями и землетрясениями. Тепловой поток очень велик — около 2 мккал/(с·см2). Средний уровень рельефа высокий и составляет около 1,3 км.
Активизированные платформы как особый тип коры были выделены совсем недавно. Скорости поверхностных волн в коре в области активизированных платформ существенно ниже, чем в платформенных областях и на щитах. Вначале считали, что это обусловлено просто утолщением коры. Однако детальное изучение преломленных волн в Провинции бассейнов и хребтов показало, что мощность коры здесь достигает всего 25—30 км, а волны Рn имеют низкую скорость (7,8 км/с). Резкой границы, которая отмечается скоростью около 8,0 км/с, обнаружено не было. Таким образом, анализ строения коры по данным поверхностных волн осложнился: даже при грубых сопоставлениях оказалось необходимым учитывать как изменения мощности коры, так и изменения скорости волн в верхах мантии.
Групповые скорости основной гармоники волн Рэлея и Лява с периодами ~40 с существенно ниже аналогичных значений для щитов, что связано с низким значением скорости волн в верхней мантии (фиг. 3). Скорости волн с периодами ~10 с также малы из-за большой мощности осадков.
Интерпретация сейсмических данных еще не вполне ясна, так как фазовые скорости волн Лява точно не измерены и так как нельзя с уверенностью сказать, что горизонт со скоростью волн Р 7,8 км/с соответствует (в строго геофизическом смысле) границе М в соседних районах.
Тип Г: альпийские пояса. Для этого типа коры характерны высокие горы, созданные быстрым поднятием. Формированию гор предшествует прогибание коры, накопление мощных осадочных толщ и внедрение батолитов. Поднятие может происходить в течение нескольких стадий, разделенных периодами покоя. В дальнейшем происходит денудация гор с образованием пологохолмистого рельефа. В настоящей работе кора относится к альпийскому типу, если описанный процесс находится на той стадии, когда горы еще сравнительно высоки и высота многих пиков превышает 3 км. Гравитационные аномалии Буге в альпийских поясах малы, следовательно, эти области изостатически скомпенсированы. Величина теплового потока довольно высока (1,7—2 мккал/(с·см2)) в молодых горах, например в Альпах и Скалистых горах, и мала (0,7—1,0 мккал/(с·см2)) в более древних горах, например в Сьерра-Неваде.
Мощность коры в альпийских поясах достигает 45—55 км; скорость волн Р изменяется от примерно 6,0 км/с близ поверхности до 7,0 км/с на глубине 40 км. Скорость фазы Рn составляет около 8,0 км/с. В Альпах в верхней мантии на глубине около 150 км был обнаружен слой-волновод с пониженной скоростью волн S около 4,3—4,4 км/с.
Групповая скорость основной гармоники волн Рэлея с периодами 40 с в альпийских поясах меньше, чем в коре любого другого типа, что обусловлено как мощностью коры, так и наличием значительного слоя-волновода с пониженной скоростью в верхней мантии.
Тип Д: большие островные дуги. Этот тип коры представлен большими тектонически активными островами, такими, как Япония и Новая Зеландия. Эти области отличаются многочисленными сильными землетрясениями и частыми извержениями вулканов. Величина теплового потока местами очень высока, а местами очень низка; изостатические аномалии часто достигают большой величины.
Мощность коры на больших островных дугах примерно такая же, как нормальной коры на континентах, однако наблюдаются быстрые изменения мощности в горизонтальном направлении. Скорость в верхах мантии мала: около 7,6—7,8 км/с для волн Р и 4,3—4,5 км/с для волн S.
Форма дисперсионных кривых для островных дуг неясна вследствие очень быстрого изменения параметров коры; кроме того, зона дуги столь узка, что при измерениях трудно исключить влияние других районов. В пределах каждой данной островной дуги трудно найти такой путь волн, длина которого была бы достаточна для точного измерения групповой скорости. При измерениях же фазовой скорости часто приходится использовать волны, источник которых находится за пределами островной дуги; из-за этого возникает неопределенность, связанная с трансформацией гармоник на границе зоны.
Групповая и фазовая скорость основной гармоники волн Рэлея с периодами около 60 с гораздо меньше, чем в области щитов, что связано с низким значением скорости волн в верхней мантии (фиг. 5). Однако с таким выводом не согласуются данные измерений групповой и фазовой скорости основной гармоники волн Лява, свидетельствующие о сравнительно высоких скоростях в нижней части коры и верхней мантии. Это противоречие было истолковано как указание на сильную анизотропию в коре Японии.
Тип Е. океанические впадины. Океанические впадины представляют собой районы земной коры с почти не изменяющимся рельефом, покрытые слоем воды глубиной 4—б км. Среднее значение теплового потока составляет здесь около 1,3 мккал/(с·см2). Коренные породы впадин представлены в основном базальтами. Какие-либо признаки, свидетельствующие о том, что они подвергались деформациям, связанным с обычными орогеническими движениями, отсутствуют. Недавно здесь были открыты характерные линейные зоны магнитных аномалий, вытянутые параллельно срединноокеаническим хребтам. Это явление было истолковано как следствие раздвигания ложа океанов, происходящего в магнитном поле Земли, изменяющем свой знак. Такая гипотеза предполагает, что современное ложе океанов имеет сравнительно молодой возраст.
Наиболее правдоподобный механизм, предложенный для объяснения магнитных аномалий и раздвигания ложа океанов — конвективные течения (в общем смысле слова) в мантии; при этом восходящие потоки мантии определяют положение срединноокеанических хребтов.
Кора такого типа характеризуется примерно следующим строением: под 5-километровым слоем воды находится 0—1 км рыхлых осадков (скорость волн S 0,5—1,0 км/с), залегающих над толщей пород мощностью 5 км со скоростью волн Р 6,41 км/с. Граница М находится на глубине примерно 11 км и связана со скачкообразным увеличением скорости волн Р до 8,1 км/с и волн S до 4,7 км/с. В верхней мантии на глубине около 100 км находится слой-волновод с пониженной скоростью волн S (4,4—4,5 км/с).
Групповая скорость основной гармоники волн Рэлея с периодами между 15 и 25 с зависит в первую очередь от глубины воды и мощности рыхлых осадков. Из-за малой мощности коры групповая скорость волн Рэлея достигает больших значений (4,1 км/с) лишь при периодах 35 с. На волны Лява глубина воды пе влияет, и их групповая скорость резко возрастает при периодах 8—9 с, выполаживаясь при периодах около 15 с, когда она достигает значения 4,4—4,5 км/с. Однако крутая часть кривой дисперсии волн Лява в значительной степени зависит от мощности рыхлых осадков: когда их мало или они отсутствуют, резкое возрастание скорости приходится на периоды 5—7 с, а при большой мощности (~1,5 км) рыхлых осадков (скорость волн S 0,2—1,0 км/с) — уже на периоды 11—13 с, как, например, в Аргентинской котловине. Часть графика групповой скорости основной гармоники волн Рэлея, относящаяся к периодам 6—11 с, построена только по данным ядерных взрывов. При более высоких частотах эта скорость, как видно на графике фиг. 6, приближается к скорости фазы Т. Следует отметить, что наблюдаемые скорости волн Рэлея и Лява с периодами 30—60 с почти всегда ниже значений, приведенных на графике, так как на пути волн оказываются и подводная окраина материка, и подводные хребты и поднятия, и другие участки коры, где скорость волн меньше, чем под ложем океана.
Тип Ж: срединноокеанические хребты. К этому типу коры относится часть Срединноатлантического хребта, примыкающая к Исландии, хребет острова Пасхи, Гавайские острова и другие крупные вулканические острова в океане. Поверхностные породы представлены здесь базальтовыми лавами, излившимися из современных действующих вулканов. Значения теплового потока часто очень велики; осадочных отложений очень мало; нередко происходят слабые землетрясения и извержения вулканов. Как уже упоминалось выше, современная интерпретация магнитных аномалий в океанических впадинах основана на гипотезе, согласно которой от осевой части срединно-океанических хребтов происходит разрастание ложа океана.
Типичный разрез такой коры имеет следующий вид: 0—3 км воды, которая подстилается лавовыми потоками неизвестной мощности. Неясна и глубина границы М. В нижележащей мантии отмечаются аномально низкие значения скорости волн Р (7,4—7,7 км/с) и S (4,2—4,4 км/с).
Типичные дисперсионные кривые основной гармоники волн Рэлея и Лява для этой зоны приведены на фиг. 7. Значения групповой скорости волн Лява близки к значениям, наблюдающимся в океанических впадинах, поскольку слой воды не влияет на дисперсию этих волн. Однако в связи с более низким значением скорости волн в мантии групповая скорость волн Лява с большими периодами (около 30 с) достигает всего 4,2—4,3 км/с. Крутая часть кривой дисперсии групповой скорости волн Рэлея при минимальных глубинах воды приходится на период 5—9 с; при возрастании глубины воды соответствующий интервал приходится на все более длинные периоды.
Неизученные типы строения коры: переходные и сложные зоны. Большинство участков поверхности Земли можно отнести к одному из семи типов строения коры, описанных выше. Однако известны и такие участки, которые можно охарактеризовать как особую тектоническую зону, хотя для них отсутствуют данные о поверхностных волнах. Таковы, например, океанические желоба и высокогорные плато континентов. Все остальные районы следует рассматривать либо как переходные зоны между какими-нибудь двумя из выделенных типов, либо как зоны сложного строения, которые из-за ограниченности их размеров невозможно охарактеризовать, опираясь на измерения поверхностных волн.
Сопоставление с кривыми Санто
Санто [20] разложил наблюдаемую основную гармонику групповой скорости волн Рэлея и Лява на непрерывную серию кривых, расположенных между экстремальными наблюдаемыми значениями скоростей (фиг. 8 и 9). Нельзя утверждать, что отдельные кривые соответствуют дисперсии в крупных или явно специфичных тектонических зонах; большая их часть характеризует распространение волн в переходных или сложных зонах. Однако некоторые кривые примерно согласуются с кривыми, приведенными здесь для выделенных нами типов коры. Так, кривые 0,1 (фиг. 8) и I (фиг. 9) примерно соответствуют нашим кривым для типа Е (океанические впадины), а кривые 7 (фиг. 8) и VIII (фиг. 9) — нашим кривым для типа Д (большие островные дуги).
Разрезы скоростей поперечных волн
На фиг. 10 сопоставлены последние модели изменения скорости поперечных волн с глубиной применительно к разным типам коры. Разрез скоростей для Канадского щита построен Брюном и Дорманом [4]. Разрез, характеризующий центральную часть США (платформенный тип коры) [13], на фиг. 10 не приведен, поскольку он близок к модели Канадского щита, отличаясь лишь несколько большей мощностью коры и несколько меньшей скоростью волн у кровли мантии. Однако модель можно несколько лучше согласовать с данными наблюдений, если исходить из предположения о наличии некоторой анизотропии в самых верхах мантии (скорость компоненты SH на 8% больше, чем компоненты SV); тогда скорость волн SV в самых верхах мантии несколько уменьшится. Активизированная платформа представлена на фиг. 10 моделью Смита [22] для Провинции бассейнов и хребтов. Скорость в самых верхах мантии здесь так же низка, как и в зоне срединноокеанических хребтов. Модель разреза скоростей для Альпийского пояса построена Кноповом с сотрудниками [12]. Следует, однако, отметить, что мощность коры в районе, по данным изучения которого построена эта модель, меньше, чем в районе, которому соответствуют дисперсионные кривые фиг. 4. Кроме того, в работе Кнопова и др. [12] не учитывались скорости волн Лява. Скоростной разрез для Японии (тип больших островных дуг) построен Аки [1]. В этой модели учитывались фазовые скорости волн Рэлея, однако она согласуется с данными о фазовых скоростях волн Лява только в том случае, если допустить, что для верхов мантии характерна анизотропия ~7% [10]. Модель для океанических впадин (Тихий океан) построена Сайто и Такеути [18]. От предыдущих моделей она отличается несколько более высокими значениями скоростей в верхней мантии. Очевидно, это связано с тем, что большая часть путей распространения волн, рассматривавшихся в прежних работах, проходила через районы с пониженной скоростью волн в мантии (срединноокеанические хребты, вулканические острова, подводная окраина материка), что искажало результаты. Для Исландии (зона срединноокеанического хребта) разрез скоростей построен Трюгвасоном [26]; полученные им низкие значения скорости в верхней мантии согласуются с данными Тальвани и др. [25].
Кроме параметров, приведенных в табл. 1 и характеризующих выделенные здесь типы строения коры, большой интерес представляют соответствующие данные о средней скорости волн S в коре и верхах мантии в соответствии с теоретическими моделями, представленными на фиг. 10. Этой цели служит табл. 2, где приведены данные о средней скорости волн S в коре, в мантии до глубины 125 км и в коре и мантии до глубины 125 км для всех указанных моделей. Под щитами и океаническими впадинами (если исключить слой воды) средняя скорость волн S сравнительно велика, тогда как под активизированными платформами и островными дугами она сравнительно мала. В альпийском поясе среднее значение скорости волн S в коре сравнительно велико, а в верхней мантии сравнительно мало.
Типы коры и ее эволюция
Большую часть земной поверхности можно с уверенностью отнести либо к континентальному (типы А, Б, В, Г, Д), либо к океаническому (типы Е, Ж) типу коры. Строение океанической и континентальной коры различно, на что указывает, например, сопоставление дисперсионных кривых основной гармоники групповой скорости поверхностных волн (фиг. 8 и 9).
Параметры, приведенные в табл. 1, позволяют четко выделить два основных типа коры и два типа мантии. Основные типы коры можно назвать континентальным и океаническим, а основные типы верхней мантии — стабильным и нестабильным. Различие между типами коры связано с ее мощностью: у континентальной она больше 25 км, а у океанической меньше 15 км. Различие же мантии по стабильности связано с низкими значениями скорости фазы Рn или с наличием явно выраженного в верхах мантии слоя-волновода у нестабильной мантии. Стабильная мантия характеризуется высокими значениями скорости фазы Рn и менее отчетливо выраженным слоем-волноводом.
Согласно этой классификации, различные области земной поверхности характеризуются следующим распределением: 1) континентальная кора над стабильной мантией, т. е. щиты и платформы (типы А и Б); 2) континентальная кора над нестабильной мантией, т. е. активизированные платформы, альпийские пояса и большие островные дуги (типы В, Г и Д); 3) океаническая кора над стабильной мантией, т. е. океанические впадины (тип Е); 4) океаническая кора над нестабильной мантией, т. е. срединноокеанические хребты (тип Ж) и океанические желоба.
То обстоятельство, что большая часть Земли четко подразделяется на океанические и континентальные области, позволяет сделать следующие предположения:
- 1. Два главных типа коры сформировались как различные структуры еще на ранней стадии развития Земли и либо оставались обособленными в ходе геологической истории, либо претерпевали лишь крайне медленные изменения.
- 2. Если существует механизм активного превращения одной структуры в другую, то время такого превращения для каждой данной территории в геологическом масштабе весьма мало, так что в каждую геологическую эпоху существовали крупные территории, не затронутые процессом превращения.
- 3. Глыбы континентов остаются обособленными структурами, но перемещаются относительно друг друга или относительно океанических впадин. Третья возможность согласуется с недавно выдвинутыми гипотезами дрейфа континентов и раздвигания ложа океанов, которые предполагают, что в зоне срединноокеанических хребтов по мере раздвигания некогда смежных континентов создается новая океаническая кора.
Открытие линейных магнитных аномалий в океанах обещает вызвать подлинный переворот в наших представлениях о тектонических процессах и эволюции земной коры. Многие вытекающие из этого открытия следствия нам еще предстоит постигнуть. Поэтому окончательные выводы о природе земной коры сейчас преждевременны.
Важнейшие задачи предстоящих исследований
Завершение построения дисперсионных кривых. До сих пор отсутствуют надежные измерения фазовой скорости волн Лява для океанических котловин, активизированных платформ и альпийских поясов. Мы не располагаем данными о фазовой скорости высших гармоник поверхностных волн для большинства типов земной коры.
Высшие гармоники, каналовые и объемные волны. В слоистой среде земной коры совокупность высших гармоник поверхностных волн образуется различными фазами преломленных и многократно отраженных волн, фазовые скорости которых меньше критической скорости, при которой возникает преломленная волна в нижележащем слое. Эти преломленные и многократно отраженные фазы могут появляться на сейсмограммах в форме импульсов. При надежной интерпретации высших гармоник волн, диспергирующих в коре, можно получить надежные сведения о наличии в коре слоев с повышенным градиентом скорости, или волноводов. Однако это, вероятно, потребует более совершенной методики анализа, например фильтрации фазовых скоростей. Геологические данные, а также учет влияния температуры и давления на скорость волн позволят прийти к вполне обоснованным выводам о существовании локальных волноводов в коре.
Анизотропия. Роль анизотропии (различной величины вертикальной и горизонтальной компонент скорости поперечных волн SV и SH на заданной глубине) в коре и верхней мантии все еще не выяснена, несмотря на большой объем имеющихся данных по преломленным и поверхностным волнам. Это связано с отсутствием исчерпывающих исследований, которые позволили бы исключить все иные возможные причины аномальной дисперсии поверхностных волн, обнаруженной в определенном районе. В некоторых районах (например, в Японии и центральной части США) наблюдаемые фазовые скорости волн Лява аномально велики по сравнению с фазовыми скоростям волн Рэлея, что наводит на мысль о существующей там анизотропии. С другой стороны, в районах щитов наблюдаемые фазовые скорости волн Лява и Рэлея, по-видимому, согласуются и без допущения о наличии анизотропии. Для большинства областей мы не располагаем полноценными данными о фазовых скоростях, которые позволили бы проверить наличие анизотропии. В некоторых районах, возможно, существует также анизотропия, связанная с зависимостью скорости волн Р и S от азимута их распространения.
Волны PL, рассеивающиеся гармоники. Волны, многократно отраженные в коре под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения, могут обладать дисперсией, похожей на дисперсию собственно поверхностных волн. Наблюдаемые параметры дисперсии и рассеивания энергии также можно использовать для построения модели коры. Пока известны лишь единичные попытки использовать количественные данные о рассеивающихся гармониках для определения разреза скоростей в коре. Эти данные представляются перспективными в том смысле, что они позволят наложить дополнительные ограничения на параметры коры, согласующиеся с наблюдениями особенно при построении разреза скоростей волн Р.