Глубинное строение южной Камчатки по геофизическим данным

Глубинное строение Южной Камчатки по геофизическим данным

Ю.Ф.Мороз, Л.И.Гонтовая

Приводятся результаты геофизических исследований, выполненных на Южной Камчатке. Выявлены особенности глубинного строения земной коры и верхней мантии до глубины 90 км. Установлена четкая корреляция скоростных структур суши и акватории шельфовой зоны Тихого океана. Создана комплексная геолого-геофизическая модель Авачинского вулкана. Рассмотрены возможные геодинамические процессы, протекающие в земной коре в настоящее время. Даны рекомендации для бурения глубокой скважины в районе Авачинского грабена с целью поисков геотермального месторождения.

Представления о глубинном строении Камчатки последовательно развиваются по мере накопления геолого-геофизических данных. В последние годы в пределах Южной Камчатки выполнен значительный объем исследований методами сейсмологии и магнитотеллурического зондирования. Полученные данные дают возможность в значительной мере уточнить глубинное строение данного района в целом, а также Авачинско-Корякской группы вулканов в частности. Этой проблеме и посвящена настоящая статья.

Объемная скоростная модель

Несмотря на значительный объем сейсмической информации, в настоящее время практически отсутствует скоростная модель Камчатки, включающая области омывающих ее акваторий. Сейсмические наблюдения ГСЗ-КМПВ выполнены в наземной части полуострова с использованием методики кусочно-непрерывного профилирования с большими пропусками в наблюдениях [2,8,9 и др.]. Они были сосредоточены, в основном, в районах Авачинско-Корякской и Ключевской групп вулканов, т.е. территория Камчатки в целом слабо изучена этими методами. Кроме того, длина сейсмических профилей не позволила выполнить корректные оценки скоростных параметров по поверхности Мохоровичича (М). По этой причине остается открытым вопрос о мощности коры под Камчаткой и сейсмических характеристиках зоны перехода кора-мантия. Более длинные ветви годографов получены по наземно-морскому профилю, пересекающему Авачинский залив [8,27 и др.], однако полученные результаты по ряду причин (в основном, редкой сети наблюдений) также крайне противоречивы [1]. Кроме того, следует отметить большие сложности в выполнении сейсмических наблюдений за сигналами от взрывов и необходимость огромных финансовых вложений, что практически делает невозможным их осуществление в настоящее время. Вместе с тем на Камчатке существует детальная сеть сейсмологических станций, которые регистрируют тысячи землетрясений, просвечивающих земную кору и верхнюю мантию под полуостровом и прилегающими акваториями. Эти данные также мало использованы для оценок скоростных параметров. Это, безусловно, было связано со значительными ошибками в определении координат гипоцентров землетрясений и отсутствием вычислительного аппарата для решения обратной трехмерной задачи. Видимо, по этой причине существуют лишь единичные работы, благодаря которым получены первые схемы распределения скорости Vp под Камчаткой и акваториями, а также в области пересечения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг [3,22,28]. Эти работы продемонстрировали четкую корреляцию скоростных аномалий с глубинной тектоникой региона и подтвердили перспективность развития данного направления на Камчатке.  

Здесь приведены результаты томографического восстановления объемной скоростной модели земной коры и верхней мантии Камчатки в ее южной части. Для этого использовались времена вступлений P-волн от близких землетрясений, которые, в основном, сосредоточены в сейсмофокальном слое. Они взяты из инструментального каталога землетрясений Камчатки (в окончательной обработке) за период 1992-1998 гг., составленный Камчатской опытно-методической сейсмологической партией (КОМСП) ГС РАН. Количество зарегистрированных событий в каталоге ~ 13000, сейсмических лучей, просвечивающих кору и мантию от гипоцентров до станций, ~ 100000. Однако объем использованной информации был значительно ограничен точностью входных данных, которая в общем достаточно низкая. Причина и области ошибок детально проанализированы в [30]. Для расчетов были выбраны землетрясения, точность определения времени в очаге для которых не достигала 0,4 сек, точность определения координат эпицентров не превышала по горизонтали +20 км и по вертикали - +10 км. Также накладывались ограничения по энергетическому классу (К> 11), четкости вступления P и S волн, числу станций, участвующих в определении гипоцентров, Т₀ и др. В обработку принимались события с глубиной, не превышающей 45 км. В связи с этим глубина проникновения сейсмических лучей для выбранных событий не превышала 90 км. Эта цифра ограничивает скоростную модель по глубине. Исходя из перечисленных выше ограничений, из каталога было выбрано только 1400 землетрясений. На основе анализа осредненных наблюденных годографов для выбранных событий выполнена оценка средней мощности земной коры под Камчаткой и весь объем литосферы разбит на три слоя:

 0-20 км (верхняя кора), средняя скорость в слое 5,5 км/c;

 20-35 км (нижняя кора), средняя скорость в слое 7,0 км/с;

 35-90 км (слой верхней мантии), средняя скорость в слое 8,0 км/с.  

Исходя из точности входных данных, горизонтальный размер блоков, в которых определяется значение невязки скорости ( Vp), составляет 50х50 км. Методика решения томографической задачи изложена в [18]. Многократным перемещением рассчетной схемы значения Vp получены в ячейках, составляющих по горизонтали ~ 17х17 км. Расчеты выполнены совместно с сотрудниками ОИФЗ РАН И.А.Саниной и М.Ю.Степановой.

Рис. 4

 Фрагменты восстановленной трехмерной скоростной модели (для района Южной Камчатки) представлены на рис.4. Они иллюстрируют существенно новую информацию о распределении скоростных неоднородностей изученного объема среды. Поля невязок свидетельствуют о резкой скоростной дифференциации литосферы под Камчаткой, анизотропии упругих параметров, различии структурных планов скоростных аномалий земной коры и слоя верхней мантии. В целом поля невязок в слоях можно разбить на отдельные зоны (блоки), которые характеризуются различными скоростными свойствами. На рис. 4а нанесены примерные границы этих блоков, которые в пределах Южной Камчатки мы будем именовать согласно [33].  

В верхней коре (0-20км) значения скорости Vp изменяются от 5,2 до 6,0 км/с. Скоростные аномалии, имеющие изометрическую форму, вытянуты в цепочки, ориентированные вкрест простирания Камчатки (рис.4А). Они имеют продолжение в акватории. Северная из них, которая характеризуется наиболее высокой скоростью, располагается в районе мыса Шипунский. В южной части выделяется цепочка аномалий пониженной скорости. Она пересекает сушу и продолжается в шельфовой зоне в районе Мутновско-Вилючинского блока. В акватории (на продолжении Асачинского блока) она граничит с аномалией повышенных значений скорости.  

В нижней коре (20-35км) выделяется высокоскоростная аномалия в районе Шипунского блока (рис.4В). Здесь отмечены наиболее высокие значения скорости Vp (6,7км/с). Южнее Авачинского блока слой нижней коры является низкоскоростным, при этом низкие значения скорости характерны как для района Восточно- Камчатского вулканического пояса, так и Центральной депрессии и шельфовой зоны. Следует отметить корреляцию высокоградиентной скоростной зоны в южной части Авачинского залива по всей мощности коры. Она располагается примерно на продолжении Асачинского блока в океан. Последний, согласно [33], расположен на границе зоны перехода Южной Камчатки к структурам Центральной части полуострова. Согласно полученным данным она продолжается в акватории.

В слое верхней мантии (35-90км) выделяются две области (блоки), различные по скоростным свойствам (рис.4С). Граница между ними проходит ~ на уровне Вилючинско-Мутновской группы вулканов. Северный блок характеризуется пониженными значениями скорости. Здесь располагаются действующие вулканы (в частности, Авачинко-Корякской группы). Слой верхней мантии в южном блоке в целом более высокоскоростной. При этом самые высокие значения скорости отмечены в южной части акватории Авачинского залива и самой южной оконечности полуострова.

Рис. 5

 Анализируя поля невязок в целом по всей изученной мощности литосферы, можно сделать вывод, что высокоградиентную зону, разделяющую Южную Камчатку на суше и в акватории на две различные по упругим свойствам области, можно характеризовать как сквозькоровый глубинный разлом, имеющий продолжение в мантии. Обращают на себя внимание некоторые закономерности в распределении вулканических групп на скоростных схемах. Так в верхней коре они, как правило, приурочены к границам раздела контрастных скоростных неоднородностей и не обязательно связаны с низкоскоростными аномалиями. В связи с этим можно согласиться с выводами, сделанными в [34], что в соотношении вулканизма с тектоникой примат принадлежит последней. В поле невязок скорости верхней мантии тоже не наблюдается связи вулканов с определенными аномалиями. В северной части они связаны с низкоскоростной мантией (~7,3-7,5км/с), а в южной-нормальными значениями Vp (~8,0км/с).  

Обратимся к сопоставлению полученных результатов с данными других геолого-геофизических исследований. Северо-западное простирание цепочек скоростных аномалий в верхней коре находит отражение на суше в виде Петропавловск-Малкинской зоны поперечных дислокаций [7]. На поперечное простирание третичных структур в свое время обратил внимание А.Н.Тихонов [7]. Этот вопрос широко дискутировался в научной литературе, и предполагается, что северо-западное простирание меловых и более древних структур не является доминирующим. Однако, из приведенных выше скоростных моделей видно, что в изученном блоке литосферы Южной Камчатки и прилегающей акватории развиты структуры северо-западного простирания, которые, возможно, имеют продолжение в Тихий океан. Следует отметить, что аномалиям пониженных скоростей в земной коре на юге Авачинского залива отвечают аномалии пониженных значений поля силы тяжести, обусловленных отрицательной структурой в рельефе океанического дна (рис.5) [21].

В нижней части земной коры сохраняются аномалии повышенных скоростей в районе Шипунского и Асачинского блоков. Аномалия в районе м.Шипунский также выражена повышенными электрическим сопротивлением и полем силы тяжести. На основании этого можно предполагать, что здесь земная кора по всей мощности насыщена более плотными породами, по-видимому, поступившими из верхней мантии.

В верхней мантии область пониженных скоростей в районе вулканов Авачинско-Корякской группы выражена также повышенной электропроводностью, что связывается с подъемом астеносферного слоя до глубины 50 км (см. рис.1). Аномальные свойства верхней мантии на глубинах 35-90 км могут быть обусловлены наличием магматических расплавов.

Список литературы

1. Балеста С.Т., Гонтовая Л.И. Сейсмическая модель земной коры Азиатско-Тихоокеанской зоны перехода в районе Камчатки//Вулканология и сейсмология. 1985, N4.С.83-90.

2. Балеста С.Т., Гонтовая Л.И., Гринь Н.Е., Сенюков С.Л., Гордиенко Л.Я. Возможности сейсмического метода изучения зон питания современных вулканов //Вулканология и сейсмология. 1989. N6. С.42-53.

3. Болдырев С.А. О схеме распределения скорости упругих волн в области смыкания Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг//Докл.АН СССР.1974.Т.215.N2.С.331-4.Болдырев С.А., Кац С.А. Трехмерная скоростная модель верхней мантии переходной зоны от Тихого океана к Азиатскому континенту//Вулканология и сейсмология.1982.N2.С.80-95.

5.Ваньян Л.Л. О моделях глубинной электропроводности // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1981. N5.С.57-66.

6.Ваньян Л.Л. Флюиды в верхней части консолидированной коры в свете данных геоэлектрики//Физика Земли. 1994. N6.С.89-96.

7. Геология СССР. Т.31. Камчатка, Курильские и Командорские острова. Геологическое описание. М.:Недра, 1964. 733 с.

8. Глубинное сейсмическое зондирование Камчатки. М.:Наука, 1978. 130 с.

9. Гонтовая Л.И., Сенюков С.Л. О сейсмической модели земной коры Авачинского вулкана на Камчатке//Вулканология и сейсмология. 2000. N3. С.57-62.

10. Горельчик В.И. Сейсмичность Южной Камчатки //Сейсмичность и сейсмологический прогноз, свойства верхней мантии и их связь с вулканизмом на Камчатке. Новосибирск: Наука, 1974. С.52-62.

11. Декин Г.П., Зубин М.И. Рельеф основных поверхностей раздела земной коры Камчатки //Геофизические поля северо-запада Тихоокеанского подвижного пояса. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1976. С.44-55.

12. Зубин М.И., Козырев А.И. Гравитационная модель строения Авачинского вулкана (Камчатка) //Вулканология и сейсмология. 1989. N 1. С.81-94.

13. Кобранова В.Н. Петрофизика. М.:Недра, 1986. 392 с.

14. Мороз Ю.Ф. Электропроводность земной коры и верхней мантии Камчатки. М:Наука, 1991. 181 с.

15. Мороз Ю.Ф., Гонтовая Л.И., Зубин М.И. Глубинное строение Камчатки по геофизическим данным //Физика Земли. 1996. С.92-99.

16. Мороз Ю.Ф., Нурмухамедов А.Г. Магнитотеллурическое зондирование Петропавловского геодинамического полигона на Камчатке //Вулканология и сейсмология. 1998. N 2. С.77-84.

17. Мороз Ю.Ф., Нурмухамедов А.Г., Лощинская Т.А. Магнитотеллурическое зондирование земной коры Южной Камчатки// Вулканология и сейсмология.1995. N4-5,с.127-139.

18. Николаев А.В., Санина И.А. Метод и результаты сейсмического просвечивания литосферы Тянь-Шаня и Памира//Докл.АН.СССР.1982.Т.264.N1.С.69-72.

19. Попова О.Г., Санина И.А., Кудрина Я.И., Фремд А.Г. Скоростное строение районов Спитакского землетрясения по результатам обработки телесейсмических записей Р-волн способом сейсмической томографии//Вулканология и сейсмология.1993.N1. С.93-103.

20. Павленкова Н.И. Роль флюидов в формировании сейсмической расслоенности земной коры //Физика Земли. 1996. N 4. С.51-62.

21. Селиверстов Н.И. Строение дна прикамчатских акваторий и геодинамика зоны сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг.М.:Научный мир.1998.164с.

22. Славина Л.Б., Федотов С.А. Скорости продольных волн в верхней мантии под Камчаткой// Сейсмичность и сейсмический прогноз, свойства верхней мантии и их связь с вулканизмом на Камчатке.М.:Наука,1974.С.188-200.

23. Смирнов Ю.Б. Связь теплового поля со строением и развитием земной коры и мантии//Геотектоника.1968. N6.С. 3-25.

24. Смирнов Я.Б., Сугробов В.М. Тепловой поток, гидротермальная активность и динамика развития глубинных зон областей кайнозойского вулканизма // Геодинамика, магмообразование и вулканизм. Петропавловск-Камчатский, 1974. С.175-196.

25. Смирнов Я.Б.,Сугробов В.М. Земной тепловой поток в Курило-Камчатской и Алеутской провинциях//Вулканология и сейсмология.1980. N1. С.16-31.

26. Строение земной коры и верхней мантии в зоне перехода от Азиатского континента к Тихому океану. Новосибирск. Наука.1976.С.367.

27. Тулина Ю.В., Зверев С.М., Красильщикова Г.А. Земная кора и верхняя мантия в области фокальной зоны и Восточной Камчатки. В сб.: Сейсмичность и свойства границы Мохоровичича. М. Наука.1974. 88 с.

28. Федотов С.А., Славина Л.Б. Оценка скоростей продольных волн в верхней мантии под северо-западной частью Тихого океана и Камчаткой // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1968. N2. С.8-32.

29. Федотов С.А. Геофизические данные о глубинной магматической деятельности под Камчаткой и оценка сил, вызывающих подьем магмы к вулканам // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1976. N4. С.5-16.

30. Федотов С.А., Гусев А.А., Чернышева Г.В., Шумилина Л.С. Сейсмофокальная зона Камчатки (геометрия, размещение очагов землетрясений и их связь с вулканизмом)//Вулканология и сейсмология.1985. N4. С.91-108.

31. Федотов С.А., Фарберов А.И. Об экранировании поперечных сейсмических волн и магматическом очаге в верхней мантии в районе Авачинской группы вулканов//Вулканизм и глубинное строение Земли. М.:Наука, 1996.С.43-48.

32. Фарберов А.И. Магматические очаги вулканов Восточной Камчатки по сейсмологическим данным. М.:Наука.1974.88 с.

33. Шарапов В.Н.,Симбирев И.Б., Симбирева И.Г. Блоковая структура Южной Камчатки и связь с ней вулканизма верхненеоген-четвертичного возраста//Проблемы глубинного магматизма. М.: Наука.1979.С.155-180.

34. Шапиро М.Н., Ермаков В.А., Шанцер А.Е. и др. Очерки тектонического развития Камчатки. М.:Наука. 1987. 248 с.

36. Brace W.F.,Walsh I.B., Frangos W.T. Permeability of Granite under High pressure//J. Geophys. Res. 1968.V.73.N6. P.110-115.

Глубинное строение Южной Камчатки по геофизическим данным

Ю.Ф.Мороз, Л.И.Гонтовая

Приводятся результаты геофизических исследований, выполненных на Южной Камчатке. Выявлены особенности глубинного строения земной коры и верхней мантии до глубины 90 км. Установлена четкая корреляция скоростных структур суши и акватории шельфовой зоны Тихого океана. Создана комплексная геолого-геофизическая модель Авачинского вулкана. Рассмотрены возможные геодинамические процессы, протекающие в земной коре в настоящее время. Даны рекомендации для бурения глубокой скважины в районе Авачинского грабена с целью поисков геотермального месторождения.

Представления о глубинном строении Камчатки последовательно развиваются по мере накопления геолого-геофизических данных. В последние годы в пределах Южной Камчатки выполнен значительный объем исследований методами сейсмологии и магнитотеллурического зондирования. Полученные данные дают возможность в значительной мере уточнить глубинное строение данного района в целом, а также Авачинско-Корякской группы вулканов в частности. Этой проблеме и посвящена настоящая статья.