|
|
Модели сейсмической томографии Арктического региона
Различные методы сейсмической томографии, в зависимости от наличия данных и типов сейсмических волн,
были разработаны для обнаружения неоднородности коры, литосферы, ядра и мантии.
В Арктике плотность и распределение источников волн (землетрясений) неравномерны, и большинство из них
расположено в Северо-Восточной Азии (на границе Евразийской и Северо-Америкнаской тектонических плит)
и вдоль северного сегмента Тихоокеанской зоны субдукции. Поэтому методы, основанные на инверсии объемных волн,
которые показывают лучшие результаты в областях с достаточно плотными путями лучей [Thurber, 2003],
в целом не подходят для исследований арктической литосферы. Однако для моделирования арктической литосферы
и верхней мантии наиболее применимы методы, основанные на инверсии поперечных (S-) волн (в основном основанные на поверхностных волнах).
Здесь мы описываем основные особенности нескольких моделей S-волновой томографии в их сегментах,
охватывающих Циркумполярную Арктику. Томографическая модель SL2013sv [Schaeffer, Lebedev, 2013],
основанная на совместной инверсии поверхностных и поперечных волн, имеет наилучшее разрешение до глубин 300-350 км,
поэтому охватывает всю литосферу. Также были проанализированы три альтернативы модели SL2013sv: модель SEMum2
[Lekic et al., 2011], S40RTS [Ritsema et al., 2011],
загруженная через веб-сервис SubMachine [Hosseini et al., 2018], и составная модель SMEAN2,
которая является компиляцией моделей S40RTS, GyPSuM [Simmons et al., 2010] и SAVANI [Auer et al., 2014].
Анализ моделей выполнен путем сравнения глубинных срезов аномалий скорости поперечных волн
(dV = dVS/VS, в %)
для всей арктической зоны (от 60° с.ш.). На рис. 1 представлены срезы на глубинах 50, 100, 150, 250, 400 и 650 км
(до средней глубины нижней границы верхней мантии) для моделей SEMum2, S40RTS и SMEAN2 в сравнении с моделью SL2013sv.
Рисунок 1.
Сравнение глубинных срезов верхней мантии по моделям SEMum2, S40RTS, SMEAN2 и SL2013sv
для глубин: 50 км (а), 100 км (b), 150 км (c), 250 км (d), 400 км (e) и 650 км (f).
(Нажатие на каждый рисунок дает возможность получить рисунок в хорошем разрешении)
Как видно, разрешение модели SL2013sv является лучшим из четырех моделей для выявления даже мелкомасштабных деталей
в верхней мантии, например, для бассейнов Сибири, Гренландии и Северного Ледовитого океана на глубине 100–250 км
(рис. 1b, c, d). Тем не менее, три остальные модели сходным образом отображают основные крупномасштабные особенности
строения литосферы.
Сходные аномалии скорости наблюдаются, например, для SEMum2 и S40RTS в континентальной и океанической литосфере
в зависимости от ее мощности и возраста: положительные значения dV в основном относятся к древним кратонам (например,
Северной Америки или Сибири), а отрицательные значения dV распространены в Северном Ледовитом океане, а также в зонах
Северо-Восточной Азии и Аляски.
Одно из основных отличий моделей заключается в глубинном строении Сибирского и
Восточно-Европейского кратонов: Евразийский сегмент SEMum2 демонстрирует две связанные с ними интенсивные скоростные аномалии,
тогда как соответствующие аномалии в модели S40RTS примерно в два раза меньше. Также SEMum2 дает относительно высокочастотные
аномалии dV для Северо-Американского кратона, в основном для территории Гренландии.
Другие глубинные срезы также демонстрируют
более четкие детали распределения скоростей для SEMum2, чем для S40RTS и SMEAN2.
Отрицательная аномалия dV (-0,5 … -1%) в Северной Евразии на глубине 250 км по SEMum2 может быть связана с соответствующим
поднятием литосферно-астеносферной границы от 200 до 60–80 км, наблюдаемым в модели LITHO1 [Pasyanos et al., 2014].
На глубинах 400–650 км (рис. 1e, f) конкретные распределения скоростей для всех четырех моделей выявить сложно,
так как амплитуды скоростей уменьшаются. На этих глубинах основным отличием SL2013sv от трех других моделей является сильная
отрицательная аномалия скорости, связанная с Исландским плюмом, которая затухает с глубиной в моделях SL2013sv и SEMum2.
Напротив, соответствующая аномалия сохраняется на всех срезах S40RTS и SMEAN2.
Сравнение также показывает, что на глубинах примерно 0–400 км SEMum2 демонстрирует лучшее пространственное разрешение,
чем модели S40RTS и SMEAN2, а также лучше согласуется с данными о глубине литосферно-астеносферной границы (LITHO1).
Поэтому данная модель является лучшей из рассмотренных моделей, альтернативных SL2013sv, для исследований Арктической зоны России.
Набор данных включает текстовые файлы данных
для циркумполярной арктической области. Данные взяты из открытых источников и находятся в
свободном доступе.
Район исследования простирается от 60° до 90° северной широты, охватывая всю Арктику.
Значения данных представляют собой аномалии скорости в %.
Модели SL2013sv, S40RTS и SEMum2 имеют шаг по широте 0,5° и шаг по долготе 0,5°,
а модель SMEAN2 — шаг 1/12° (5') по широте и шаг по долготе 0,5°.
Данные имеют следующие обозначения:
S40RTS_Arctic.zip – глубинные срезы модели сейсмотомографии S40RTS (0–650 км с шагом 50 км);
SEMum2_Arctic.zip – глубинные срезы модели сейсмотомографии SEMum2 (0–650 км с шагом 50 км);
SL2013sv_Arctic.zip – глубинные срезы модели сейсмотомографии SL2013sv (50–650 км с шагом 50 км);
SMEAN2_Arctic.zip – глубинные срезы модели сейсмотомографии SMEAN2 (0–650 км с шагом 50 км);
tomogr_format.ru.pdf - описания форматов данных.
Список литературы
Auer, L., Boschi , L., Becker, T. W., Nissen-Meyer, T. and Giardini, D. (2014).
Savani: a variable-resolution whole-mantle model of anisotropic shear-velocity variations based on multiple datasets.
Journal of Geophysical Research, 119(4), 3006-3034.
Hosseini, K., Matthews, K. J., Sigloch, K., Shephard, G. E., Domeier, M. and Tsekhmistrenko, M. (2018).
SubMachine: Web-Based tools for exploring seismic tomography and other models of Earth's deep interior.
Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 19. doi:10.1029/2018GC007431
Lekic, V., and Romanowicz, B. (2011). Inferring upper-mantle structure by full
waveform tomography with the spectral element method.
Geophysical Journal International., 185(2), 799–831.
Pasyanos, M. E., Masters, T. G., Laske, G. and Ma, Z. (2014).
LITHO1.0: An updated crust and lithospheric model of the Earth.
Journal of Geophysical Research, 119(3), 2153–2173.
Ritsema, J., Deuss, A. A., Van Heijst, H. J., and Woodhouse, J. H. (2011).
S40RTS: a degree-40 shear-velocity model for the mantle from new Rayleigh wave dispersion,
teleseismic traveltime and normal-mode splitting function measurements.
Geophysical Journal International, 184(3), 1223–1236.
Schaeffer, A. J., and Lebedev, S. (2013).
Global shear speed structure of the upper mantle and transition zone.
Geophysical Journal International, 194(1), 417–449.
Simmons, N. A., Forte, A. M., Bosch, L., Grand, S. P. (2010).
GyPSuM: A joint tomographic model of mantle density and seismic wave speeds.
Journal of Geophysical Research, 115(B12), B12310.
Thurber, C. (2003). Seismic tomography of the lithosphere with body waves.
Pure and Applied Geophysics, 160(3), 717–737.
|
|
|
|
