До 1960 г. сейсмологи довольно единодушно принимали для оценки скорости фазы Рn в США величину 8,1 ÷0,1 км/с [16]. Данные, опирающиеся на записи взрывов и противоречащие этой оценке, почти отсутствовали. Имелись измерения в Японии, указывавшие на величину скорости волн Pn около 7,5 км/с, и в Швеции, где скорости фазы Рn оказались высокими — 8,3 км/с; однако эти оценки опирались на записи землетрясений и считались менее надежными.
Все же некоторые данные, видимо, противоречили мнению об однородности верхней мантии под Северной Америкой. Тэйтел и Тьюв [18] показали, что мощность коры под Провинцией бассейнов и хребтов в штате Невада гораздо меньше, чем требуется для изостатического равновесия согласно механизму Эри—Хейсканена. Следовательно, изостатическое равновесие, фактически существующее в этом районе, должно было, хотя бы частично, поддерживаться за счет механизма Пратта—Хейфорда. Но тогда плотности, а значит, и скорости сейсмических волн в верхней мантии в этом районе должны были иметь меньшие значения, чем под равнинами центральной части США. Однако эти выводы, которые следовали из работы Тэйтела и Тьюва, как правило, игнорировались прежде всего потому, что еще не накопилось данных, которые бы убедили сейсмологов отказаться от гипотезы горизонтальной однородности верхней мантии.
Работы после 1960 г.
Берг и др. [2] при изучении записи взрыва в карьере получили аномально низкие скорости волн Рn в штате Юта. Так же как и Тэйтел и Тьюв, они пришли к выводу, что мощность коры здесь мала, а скорость фазы Рn составляет всего 7,6 км/с. Райалл [14], изучая времена пробега волн землетрясения 1959 г. в районе озера Хебген, штат Монтана, показал, что скорости изменяются в зависимости от азимута на эпицентр.
Подземный ядерный взрыв «Гном» в штате Нью-Мексико был зарегистрирован более 100 сейсмическими станциями в Северной Америке. Анализ полученных данных [8, 13] указал на существование заметных региональных вариаций скорости волн в верхней мантии, подстилающей Северную Америку. Вслед за этим открытием были проведены обширные работы по глубинному сейсмическому зондированию на всей территории США и Канады. Джеймс и Штейнхарт [9] опубликовали сводку недавно полученных результатов. Они привели ранее не публиковавшуюся карту Херрина и Таггарта, составленную по сводным данным о распределении скоростей фазы Рn в США, которую мы воспроизводим на фиг. 1. Хорошо видно, что скорость волн в кровле верхней мантии характеризуется сильными колебаниями, причем в горных западных штатах страны скорость заметно ниже, чем в северо-восточных и центральных (но не южных) штатах. Изолинии фиг. 1 точно отражают эти региональные различия; разумеется, по мере поступления новых данных детали карты подлежат пересмотру. Кольцо изолинии 8.3 в штате Оклахома, видимо, появилось на карте либо как следствие сложного рельефа границы M в этом районе, либо в результате того, что при расчете скоростей не учитывалась кривизна лучей волн; поэтому возможно, что истинная скорость фазы Рn составляет здесь 8,2. Спорны могут быть и детали изолиний в штате Юта, свидетельствующие о сильном горизонтальном градиенте скоростей. В настоящее время ведутся исследования с целью собрать больше данных о самой верхней части мантии под центральной и южной частями штата Юта.
В Канаде распределение скоростей волн Рn изучено хуже, но общая картина там сходна с наблюдающейся в США. Скорости во внутренних областях страны составляют около 8,2 км/с, а под горами на западе, как правило, они ниже 7,9 км/с.
Аномалии во временах пробега волн Р
Самое важное следствие изменения скоростей в верхней мантии в горизонтальном направлении связано с аномальными временами пробега волн Р на эпицентральных расстояниях менее 20°. При эпицентральных расстояниях, превышающих 30°, сейсмические лучи проникают на глубину более 750 км, т. е. ниже той области, в которой установлены региональные изменения скоростей. Для таких лучей задержка вступления фазы Р связана только с особенностями скоростного разреза на пути луча, пересекающего эту часть верхней мантии.
На фиг. 2 приведены данные об аномальных временах пробега, опирающиеся на анализ землетрясений, проведенный Херрином и Таггартом [8]. В аномалии введена поправка на азимутальные эффекты такого рода, которые описаны Клери и Хейлсом [5], Херрином [6], Оцука [11] и Болтом и Наттли [3]. Региональная картина аномалий на фиг. 2 в целом похожа на распределение скоростей фазы Рn на фиг. 1. Для территорий, где скорость волн в верхней мантии мала, таких, как Провинция бассейнов и хребтов в Неваде и Аризоне, характерны и положительные аномалии времен пробега (вступления запаздывают); в то же время в центральных штатах США, где установлены повышенные значения скорости фазы Рn, вступления от удаленных толчков, видимо, приходят с некоторым опережением. Таким образом, обе карты, опирающиеся на независимый анализ данных разного типа, дают в целом согласующиеся результаты.
Амплитуды объемных волн
Ядерные взрывы очень удобно использовать для анализа изменения амплитуд объемных волн, так как при взрыве энергия излучается гораздо равномернее, чем при землятрясении. Как и ожидалось, для районов, где установлены сильные региональные изменения времен пробега, характерны и очень сильные изменения амплитуд [8, 13]. Там, где вступления фазы Рn приходят с опережением, в основном регистрируются большие значения амплитуд. При некоторых ядерных взрывах, например взрыве «Лосось», удалось с достаточной точностью предсказать амплитуды вступающих волн [15]. Однако на большей части территории США отмечались значительные и, как правило, неожиданные изменения амплитуд. Новые данные, полученные в результате большого количества взрывов, позволили составить для некоторых районов карты изолиний амплитуд [17, 10].
Выводы
За последнее десятилетие сейсмологи установили, что скорости волн в верхней мантии под Северной Америкой явно изменяются и в горизонтальном направлении. Влияние этой неоднородности проявляется в региональных изменениях скорости фазы Рn, а также в распределении аномальных времен пробега волн Р от удаленных источников. Эти изменения согласуются друг с другом и, как правило, с крупными региональными изменениями рельефа и геологического строения.
Низкие значения скоростей в верхней мантии указывают на аномально низкую плотность. Таким образом, следует ожидать, что под горными районами западной части Северной Америки вещество мантии имеет меньшую плотность. Изучение коры на этой территории показало [12], что ее мощность составляет всего 30—40 км вместо 50—60 км, которые нужны для изостатической компенсации согласно механизму Эри—Хейсканена. Поэтому Буллард пришел к выводу [19], что при наблюдаемой изостатической компенсации необходим и механизм Пратта—Хейфорда, т. е. в верхней мантии должно существовать вещество со сравнительно небольшой плотностью. Таким образом, следует считать, что для пород, слагающих кровлю мантии в горных областях США, характе2эны меньшие значения плотности и скорости сейсмических волн. Этот вывод, вероятно, относится и к западной части всего континента Северной Америки.
Измерения многих исследователей недавно показали, что значения теплового потока в штатах Невада и Юта примерно вдвое выше, чем на северо-востоке США. Такое повышение величины теплового потока означает, что температура самых верхних горизонтов мантии под западными штатами США на несколько сотен градусов выше, чем под восточными. Увеличение температуры должно было вызвать некоторое снижение скорости воли и плотности в верхней мантии, хотя пока еще не доказано, что величина предполагаемого изменения температуры достаточна, чтобы объяснить наблюдаемые различия в скорости волн. Вероятно, в верхней мантии, подстилающей Северную Америку, происходят и региональные изменения состава пород.
Геофизики, изучающие мантию в любых районах Земли, должны иметь в виду ее горизонтальную неоднородность, особенно различия при переходе из одного крупного геологического региона в другой. Сейчас уже имеется возможность обнаружить горизонтальную неоднородность и в низах мантии [4]. Александер и Финни [1] выдвинули гипотезу горизонтальных изменений в мантии близ границы ядро — мантия. Таким образом, вероятно, вся мантия должна быть изучена с целью обнаружения горизонтальных неоднородностей крупного масштаба.
Ряд подробных статей о строении коры опубликован в трудах Американского геофизического союза, выпуск 10. В статье Джеймса и Штейпхарта [9] содержится обширная библиография. Еще более подробный список работ, относящихся к временам пробега волн Р в Северной Америке, приведен у Херрина [7].