ПОБУДОВА ТА ПЕРШІ РЕЗУЛЬТАТИ ІНТЕРПРЕТАЦІЇ ТРИВИМІРНОЇ МОДЕЛІ ЩІЛЬНОСТІ МАНТІЇ ПІД УКРАЇНСЬКИМ ЩИТОМ

Людмила ШУМЛЯНСЬКА; Петро ПІГУЛЕВСЬКИЙ

doi:10.17721/1728-2713.105.03

Автор(и)

Людмила ШУМЛЯНСЬКА Інститут геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, Київ, Україна
Петро ПІГУЛЕВСЬКИЙ Інститут геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.17721/1728-2713.105.03

Ключові слова:

густина, мантія, Український щит

Анотація

Вступ. Моделі густини мантії є ключовими інструментами для розуміння фундаментальних геологічних і фізичних процесів, які відбуваються всередині Землі. Багато параметрів, які використовуються в моделях густини мантії, залишаються недостатньо зрозумілими та невизначеними. Серед інших до них належать дані про склад та реологію мантії, які можуть значно варіюватися. Значний вплив на кінцевий результат має спосіб створення моделей щільності (густини).

Методи. Моделювання за допомогою одновимірних моделей спрощує процес обчислення, натомість узагальнює розподіл густини мантії, припускаючи, що він є однорідним у горизонтальному напрямку. Це обмеження не дозволяє враховувати латеральні варіації густини мантії, які можуть бути важливими на регіональному рівні. Тривимірні моделі є більш складними і вимагають великої кількості даних, які здебільшого "важко" доступні. Крім того, тривимірне моделювання вимагає великого об'єму обчислювальних ресурсів, тому їх використання може бути обмеженим.

Результати. У цьому дослідженні представлено квазітривимірну модель густини мантії під Українським щитом, отриману на основі набору одновимірних кривих густини, при розрахунках яких були внесені поліноміальні поправки за неоднорідність, які компенсують недоліки обрахунку одномірних моделей. Ця тривимірна модель отримана в результаті перерахунку одновимірних кривих швидкості, одержаних сейсмотомографічним методом по Р-хвилях, розрахованим для 21 мантійного домену в діапазоні глибин від 50 до 2600 км. Процес перетворення кривих швидкості P-хвиль у модель густини включає такі етапи: визначення сейсмічних меж у мантії як точок перегину першої похідної кривих швидкості P-хвиль для кожного мантійного домену; створення синтетичної моделі мантії S-хвиль під Українським щитом шляхом перерахунку кривих швидкості P-хвиль; вирішення рівняння Адамса–Уільямсона з використанням сейсмічних швидкостей (P,S) для кожного домену з подальшою поліноміальною корекцією для врахування гетерогенності; вибір еталонної моделі мантії, яка була б основою для перерахунку швидкісних кривих у густину, через порівняння гравітаційного потенціалу на поверхні Землі та розрахованих від існуючих референтних моделей мантії (PREM, PREMA, PREMC, IASP91 AK135). Як еталонну було вибрано модель AK135 за результатами порівняння обчисленого та спостереженого гравітаційного потенціалу в центральній точці Українського щита.

Висновки. У цьому дослідженні акцентується увага на заключних етапах конструювання моделі густини мантії, враховуючи: збалансування маси верхньої та нижньої мантії для кожного домену при визначенні густини з використанням рівняння Адамса–Уільямсона та введення поліноміальних корекцій відносно еталонної моделі АК135; розрахунок густин для кожного з 21 мантійного домену та їх тривимірна інтеграція. Отримана модель густини мантії Українського щита добре узгоджується з поділом мантії на три основні шари: літосферу, верхню мантію та нижню мантію. Кожен зі структурних шарів має свій візуальний патерн гетерогенності густини.

Посилання

Antsiferov, A. V., Sheremet, E. M., Esipchuk, K. Yu., & Antsiferov, V. A. (2009). Geological-geophysical model of the Nemirovska-Kocherivska suture zone of the Ukrainian shield. Weber [in Russian].

Antsiferov, A.V., Sheremet, E.M., Glevasskyi, E.B., Kulik, S.M., Esipchuk, K. Yu. (2008). Geological and geophysical model of the Golovaniv suture zone of the Ukrainian shield. Weber [in Russian].

Azarov, N. Ya., Antsiferov, A. V., Sheremet, E. M., & Glevasskyi, E. B. et al. (2005). Geological-geoelectric model of the Orichovo-Pavlograd suture zone of the Ukrainian shield. Naukova dumka [in Ukrainian].

Azarov, N. Ya., Antsiferov, A. V., Sheremet, E. M., & Glevasskyi, E. B. et al. (2006). Geological-geophysical model of the Kryvorizh-Kremenchug suture zone of the Ukrainian shield. Naukova dumka [in Russian].

Velikanov, V. Ya., Gurskyi, D. S., Gozhik, P. F. et al. (2006). Lithosphere of Ukraine: Atlas. "Geographyca" LLC [in Ukrainian].

Chuikova, N. A., & Maksimova, T. G. (2010). Density inhomogeneities of Earth's mantle and core. VMU. Series 3. Physics. Astronomy, 2, 67–74 [in Russian].

Dubovenko, Yu. I., Shumlianska, L. A., Pigulevskiy, P. I., & Svystun. V. K. (2021). Refined mantle velocitymodel at Ukrainian Shield adjusted after Karato. 20th International Conference Geoinformatics: Theoretical and Applied Aspects, May 11–14 2021, Kyiv, Ukraine.

Geyko, V. S. (2004). A general theory of the seismic travel-time tomography. Geophysical journal. 26(2), 3–32.

Gintov, O. B., & Pashkevich, I. K. (2010). Tectonophysical analysis and geodynamic interpretation of the three-dimensional geophysical model of the Ukrainian Shield. Geophysical journal, 2(32), 6–27 [in Russian].

Kern, H., & Tubia Jose, M. (1993). Pressure and temperature dependence of P- and S-wave velocities. seismic anisotropy and density of sheared rocks from the Sierra Alpujata massif (Ronda peridotites. Southern Spain). Earth and Planetary Science Letters, 119(1–2),191–205.

Krasovsky, S. S. (1981). Reflection of the dynamics of the continental crust in the gravitational field (Gravitational modeling of the structures of the continental crust). Naukova dumka [in Russian].

Kurlov, M. S., Sheremet, E. M., Kozar, N. A., & Gursky, D. S. (2011). Kryvorizhsk ultra-deep well SG-8. Knowledge [in Ukrainian].

Litnarovich, R. M. (2007). Physics with bases of geophysics. IEGU [in Ukrainian].

Marchenko, A. N. (1999). Earth's radial profiles based on Legendre-Laplas law. Geodynamic, 1(2), 1–7.

Marchenko, A. N. (2000). Earth's radial densiy profiles based on causs'ard Roche's distibutions. Bolletina di Geodesia e Sienze Affini., LIX(3), 201–220.

Mooney, W. D., & Kaban, M. K. (2010). The North American upper mantle: Density. composition. and evolution. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 115(B12).

Pigulevskiy, P. I., Shumlianska, L. A., Dubovenko, Yu. I., & Svistun, V. K. (2019). The mantle disruptions by P-waves velocity gradients analysis under East of Ukrainian Shield. 18th International Conference Geoinformatics: Theoretical and Applied Aspects, May 13–16, 2019, Kyiv, Ukraine.

Pigulevskyi, P. I., & Svistun, V. K. (2014). Features of the deep structure of the Azov Geoblock of the Ukrainian Shield (Analysis. generalization of geological and geophysical studies. geodensity modeling). Knowledge [in Russian].

Ringwood, A. E. (1975). Composition and petrology of the Earth's mantle. McGraw-Hill.

Ritsema, J., Deuss, A., van Heijst, H.-J., & 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. Geophys. J. Int.,184, 1223–1236.

Semenov, B. G. (1983). Density-velocity dependence and calculation of thermodynamic conditions when building a density model of the Earth's crust and upper mantle. Geology and geophysics, 6, 90–99 [in Russian].

Semenova, S. G. (1978). Correlation of density and velocity of longitudinal waves for rocks of the earth's crust and upper mantle. Methodology and interpretation of geophysical research. Naukova dumka, р. 3–10 [in Ukrainian].

Shumlianska, L., Dubovenko, Yu., & Pigulevskiy, P. (2020). 2.5 dimensional model of mantle heterogeneities under the Ukrainian shield according to the gradients of the velocities of seismic waves. Journ. Geol. Geograph. Geoecology, 29(2), 431–441.

Shumlianska, L., Dubovenko, Yu., & Pigulevskyi, P. (2021). About the possibility of creating a synthetic S-speed model by recalculating the P-speed model. Visnyk of Taras Shevchenko National University of Kyiv. Geology, 4(95), 46–53 [in Ukrainian].

Shumlianska, L., & Pigulevskyi, P. (2022). Application of polynomial corrections to build an optimal one-dimensional model of mantle density. Visnyk of Taras Shevchenko National University of Kyiv. Geology, 2(97), 51–59 [in Ukrainian]

Shumlianska, L. O., Trypilskyi, O. O., & Tsvetkova, T. O. (2014). The influence of the velocity structure of the earth's crust on the results of seismic tomography of the Ukrainian shield. Geophysical Journal, 36(4), 95–117 [in Russian].

Sollogub, V. B. (1982). The lithosphere of Ukraine. Geophysical Journal. 4(4), 3–25 [In Ukrainian].

Sollogub, V. B., Chekunov, A. V., & Garetsky, R. G. (Eds.). (1989). Lithosphere of Central and Eastern Europe: Eastern European platform. Naukova dumka [in Russian].

Starostenko, V. I., & Manukyan, A. H. (1983). Solution of the direct problem of gravimetry on a spherical Earth. Physics of the Earth, 12, 34–50 [in Russian].

Svistun, V., & Pigulevskiy, P. (2021). Gravimetric survey and gravimetric database in Ukraine "Dniprogeofizika" during 2000–2011 carried out works on collection, analysis and formation of an electronic gravimetric data base (GDB) of the territory of Ukraine. Based on the results of the work car. 20th International Conference Geoinformatics: Theoretical and Applied Aspects, May 11–14, 2021, Kyiv, Ukraine.

Tolstoy, M. I., Hasanov, Yu. L., Kostenko, N. V., Gozhik, A. P., & Shabatura, O. V. (2003). Petrogeochemistry and petrophysics of granitoids of the Ukrainian shield and some aspects of their practical use. Kyiv University [in Ukrainian].

Trypilsky, O. O., Geiko, V. S., Livanova, L. P., Trypilska, I. P., & Tsvetkova, T. O. (1988). Seismic model of the earth's crust. Lithosphere of Central and Eastern Europe: Geotraverse IV. VI. VIII. Naukova dumka [in Russian].

Trypilsky, O. O., & Sharov, N. V. (2004). The lithosphere of the Precambrian shields of the Northern Hemisphere according to seismic data. Karelian Center of the Russian Academy of Sciences [in Russian].

Usenko, O. V. (2014). Formation of melts: geodynamic process and physical and chemical interactions. Naukova dumka [in Ukrainian].

Volarovych, M. P. (Ed.). (1977). Study of the physical properties of the Earth's mineral matter at high thermodynamic parameters. Naukova dumka [in Russian].