Плотностные неоднородности верхней мантии, изостазия литосферы и геодинамика тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, доктор физико-математических наук Кабан, Михаил Константинович

• Кабан, Михаил Константинович
• доктор физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Кабан, Михаил Константинович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ГРАВИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМОГО МЕТОДА ИНТЕРПРЕТАЦИИ.

ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.

1. Гравитационное поле.

2. Исходная модель коры.

Осадочный чехол.

Консолидированная кора.

3. Томографические модели - основа комплексной интерпретации гравитационных аномалий.

ГЛАВА 3. ГЛОБАЛЬНАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЗЕМЛИ. СТРУКТУРА МАНТИИ ПОД ОКЕАНАМИ.

1. Остаточные (мантийные) аномалии силы тяжести и остаточная топография.

2. Предварительное сопоставление данных сейсмической томографии и мантийных аномалий.

3. Плотностные неоднородности мантии под океанами.

Современное состояние проблемы.

Метод.

Структура верхней мантии океанов по результатам подбора коэффициентов связи вариаций Vs и плотности.

Сопоставление "нормальной" и "аномальной" частей мирового океана.

Нелинейная инверсия для слоя на глубине 75-225 км.

Переходная зона и нижняя мантия.

Плотностная структура океанической мантии (обсуждение результатов).

ГЛАВА 4. ПЛОТНОСТНАЯ СТРУКТУРА МАНТИИ КОНТИНЕНТОВ.

1. Общие предпосылки.

2. Мантийные аномалии силы тяжести в областях глубинных корней континентов.

3. Плотность мантии и температура.

4. Аномалии плотности мантии континентов, связанные с изменениями состава.

ГЛАВА 5. ИЗОСТАТИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ И ГЛОБАЛЬНАЯ ИЗОСТАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛИТОСФЕРЫ.

1. Факторы, определяющие изостатические аномалии.

2. Исходные данные и их влияние на изостатические аномалии.

3. Расчет глобальной схемы изостатических аномалий.

ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ ГРАВИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ.

1. О соотношении приведенной топографии и глубин до подошвы коры.

2. Плотность консолидированной коры и ее гравитационный эффект.

3. Мантийные аномалии гравитационного поля на территории

Северной Евразии.

4. Изостатические аномалии и их производные.

ГЛАВА 7. АЛЬПИЙСКО-СРЕДИЗЕМНОМОРСКИЙ СКЛАДЧАТЫЙ ПОЯС И СОПРЕДЕЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ ЮГА БЫВШЕГО СССР.

1. Основные трансформации гравитационного поля.

2. Основные блоки литосферы по гравитационным данным.

3. Плотностные неоднородности литосферы отдельных структур.

Западный и Восточный Кавказ.

Копет-Даг.

Впадины Черного моря.

Каспийское море.

Тянь-Шань.

Малый Кавказ.

Восточно-Туркменская синеклиза.

4. Плотностная структура коры и верхней мантии и их связь с тектоническими режимами.

ГЛАВА 8. ПЛОТНОСТНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ЛИТОСФЕРЫ, НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И СЕЙСМИЧНОСТЬ.

1. Метод.

2. Результаты расчета напряжений для Северной Евразии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Плотностные неоднородности верхней мантии, изостазия литосферы и геодинамика»

Плотностные неоднородности верхней мантии, связанные с аномалиями поля температур и химического состава, являются одной из главных движущих сил как вертикальных, так и горизонтальных движений литосферных блоков. Таким образом, построение плотностной модели мантии имеет фундаментальное значение для всех задач, имеющих отношение к пониманию природы тектонических процессов и к геодинамике в целом. Можно например отметить широкоизвестные работы В.П. Трубицына (Trubitsyn, 2000, Trubitsyn and Rykov, 2000), в которых на основании численного моделирования мантийной конвекции анализируются основные закономерности истории Земли. В качестве исходной информации в этих работах используются данные о трехмерном распределении плотности и температуры в теле Земли.

До настоящего времени основным источником знаний о строении мантии Земли остаются данные сейсмической томографии. Однако, прямое использование данных о сейсмических скоростях для определения плотности мантии практически невозможно в силу того, что коэффициент связи этих параметров крайне нестабилен в условиях, характерных для верхней мантии, когда температура вещества близка к температуре плавления (e.g. Sato et al., 1989). Как будет показано ниже, для верхней мантии прямой пересчет аномалий скорости в аномалии температуры и плотности может приводить к катастрофическим ошибкам, так как вариации скорости в Т-Р условиях, характерных для данной оболочки, могут определяться совсем другими факторами, в частности содержанием воды. Для больших глубин отсутствуют надежные экспериментальные данные. Таким образом, использование данных о гравитационном поле просто необходимо для комплексного решения проблемы. 7

Гравитационное моделирование повсеместно используется для построения плотностных моделей разных уровней. Однако, наблюденное гравитационное поле отображает влияние практически всех неоднородностей Земли, в первую очередь структур коры, которая является самой неоднородной оболочкой силу высокой эффективной вязкости вещества, которая способствует накапливанию таких неоднородностей в процессе эволюции. Хорошо известно, что длинноволновая составляющая аномалий в свободном воздухе практически не кореллирована со структурами литосферы. В свою очередь, аномалии Буге фактически являются зеркальным отражением форм рельефа и невозможно a-priori определить, как они связаны со структурой осадочного чехла, консолидированной коры и верхней мантии. Многочисленные попытки в основном зарубежных исследователей построить глобальную плотностную модель мантии, основанные на анализе данных о наблюденном гравитационном поле и геоиде, дали крайне противоречивые и неоднозначные результаты (e.g. Hager and O'Connell, 1981; Ricard et al, 1984; Richards and Hager, 1984; Forte and Peltier, 1987; King and Masters, 1992; Corrieu et al, 1994 и многие другие). Таким образом, приходится констатировать, что проблема построения глобальной плотностной модели верхней мантии в настоящее время далека от своего решения.

Для выделения мантийной составляющей необходимо максимально очистить наблюденное гравитационное поле от посторонних влияний, в первую очередь определить и устранить эффект коры, который с одной стороны является наиболее значительным, а с другой, - может быть достаточно надежно определен независимо от гравитационного поля по априорным (в основном сейсмическим) данным. Остаточные аномалии силы тяжести, которые с точностью до надежности исходной модели коры можно назвать мантийными аномалиями, лучше всего подходят для 8 геодинамических построений и определения характера и интенсивности процессов, приводящих к эволюции литосферы и Земли в целом.

Таким образом, первой главной целью работы является построение плотностной модели коры и верхней мантии Земли и расчет мантийных аномалий силы тяжести. Эта модель должна быть многоуровенной, т.е. представлять синтез нескольких моделей разного масштаба. Анализ связи плотностных неоднородностей с другими параметрами, в первую очередь с распределением температуры и изменениями состава позволит установить наиболее общие закономерности строения и динамики верхних горизонтов Земли. Таким образом, на следующем этапе работы ставится задача определения возможных источников мантийных аномалий (изменений температуры и химического состава) и установление связи этих неоднородностей с глобальными процессами и спецификой тектонических режимов конкретных регионов.

Попытки расчета мантийных гравитационных аномалий производились уже на первых профилях ГСЗ (Гамбурцев, Вейцман, 1956), однако построение полноценных трехмерных моделей оказалось возможным только после накопления достаточного количества исходных данных о строении коры. В работе (Гравитационная модель ., 1980) осуществлена одна из наиболее удачных на настоящий момент попыток одновременной интерпретации данных с нескольких профилей ГСЗ, находящихся в южной части бывшего СССР, в результате чего были получены первые объективные данные о распределении плотностных неоднородностей верхней мантии в ограниченном районе. В работе (Романюк, Страхов, 1984) подобные построения производились для некоторых районов Сибири. В России и СССР значительный вклад в решение обозначенных проблем был внесен в работах Ю.Н. Авсюка, М.А. Алексидзе, Б.А. Андреева, В.И. Аронова, М.Е. Артемьева, 9

Е.В. Артюшков, А.А. Булычева, В.Б. Бурьянова, Ю.Я. Ващилова, А.Г. Гайнанова, В.Н. Глазнева, Г.Я. Голиздры, В.Г. Голланда, В.В. Гордиенко, В.М. Гордина, A.M. Городницкого, А.Ф. Грачева, Т.П. Егоровой, Ю.А. Зорина, Г.И. Каратаева, К.М. Картвелишвили, В.Г. Козленко, С.С. Красовского, В.А. Кучериненко, Л.И. Лобковского, В.Р. Мелихова, В.О. Михайлова, В.М. Новоселицкого, Н.И. Павленковой, Т.В. Романюк, О.Г. Сорохтина, В.И. Старостенко, В.Н. Страхова, П.А. Строева, Б.Б. Тальвирского, К.Ф. Тяпкина, С.А. Ушакова, Г.Ш. Шенгелая, А.В. Цирульского, Н.А. Чуйковой, Ю.В. Юнаковской и других.

Вместе с тем, очевидно, что сопоставление результатов, полученных для удаленных структур, возможно только в том случае, когда для построения моделей использовался абсолютно такой же метод. В частности, полученные гравитационные модели не чувствительны к параметрам исходной горизонтально однородной модели, так как интерпретируются только относительные вариации гравитационного поля. Как правило, в разных исследованиях используются различные базовые модели. Этот же вывод применим и к некоторым другим параметрам, используемым при построении плотностных моделей, например к закону связи плотности и скорости. Таким образом, невозможно сопоставить плотностные модели, полученные различными исследователями. Следует также отметить, что во всех перечисленных работах анализировались двумерные модели, на основании которых делались некоторые выводы о пространственном распределении плотностных неоднородностей. Двумерные модели, полученные на сверхдлинных профилях ГСЗ, которые пересекают несколько крупных объектов, в какой-то мере справедливы для сравнительно небольших глубин, однако, уже в подкоровом слое Зх мерные эффекты имеют принципиальное значение.

10

Первая гравитационная модель литосферы для значительной части территории Северной Евразии была построена при непосредственном участии автора диссертации в работах (Артемьев и др. 1993, Artemjev et al., 1994), которые являются началом данного исследования, однако, на настоящий момент данные, использованные в этих работах, в значительной степени устарели. В частности, стали доступны сверх длинные профили ГСЗ общей протяженностью в несколько десятков тысяч километров, дающие новую уникальную информацию о строении коры и верхней мантии для значительной части Сибири и Восточно-Европейской платформы (Egorkin, 1998; Kostuchenko et al., 1999). Кроме того, в указанных выше работах не производился серьезный анализ плотностных неоднородностей консолидированной коры. Существует ряд работ, в которых рассчитаны мантийные аномалии для ряда ограниченных регионов Северной Евразии. В работе (Yegorova and Starostenko, 1999) анализируется плотностная модель литосферы для Восточно-Европейской платформы и Западной Европы. Она также в значительной степени основана на устаревших данных о строении коры, в частности в районе Балтийского Щита, кроме того, масштаб данного исследования позволяет проанализировать только отличие Западной и Восточной Европы.

Следующей главной целью настоящей работы является анализ изо статического состояния литосферы, расчет изостатических аномалий силы тяжести и определении связи этих нарушений (как и плотностных неоднородностей в целом) с напряженным состоянием литосферы.

Изостатическая концепция сыграла огромную роль в геофизике. Достаточно сказать, что современные исследования строения земной коры и верхней мантии начались именно с этой концепции. Первые свидетельства о том, что видимые формы рельефа имеют глубинные корни были получены в

11 середине 19 века в результате измерений отклонения маятника, которые были проведены Праттом в Индии (Pratt, 1871). Оказалось, что отклонение маятника от вертикали вблизи высоких гор составляет примерно 1/3 от того значения, которое было бы, если Тибет и Гималаи представляли собой просто возмущения дневной поверхности. Таким образом, был сделан вывод о том, что данные структуры должны иметь корни. Это было показано задолго до сейсмических исследований.

Тектонические процессы приводят к существенным изменениям приповерхностных структур и характерной концентрации плотностных неоднородностей, видимой формой которых являются неоднородности рельефа. Гравитационные аномалии (в первую очередь локальные изостатические аномалии) содержат информацию о скрытых неоднородностях, например, о неоднородно стях осадочного чехла и фундамента, а также о конфигурации разломных зон. Давно известно, что разломы земной коры проявляются, как правило, зонами повышенных значений горизонтальной составляющей градиентов аномалий силы тяжести. Во многих исследованиях подчеркивалось, что особенно отчетливая связь разрывных нарушений, к которым часто тяготеют очаговые зоны землетрясений, обнаруживается с аномалиями силы тяжести в изостатической редукции (Артемьев, 1975). В то время любые изостатические аномалии силы тяжести рассматривались как характеристика изостатического состояния земной коры. Последующие исследования показали, что аномалии силы тяжести в изостатической редукции не обязательно отображают нарушения изостазии. Уже в 1946 году Percy and Wilfred указывали, что изостатические аномалии могут содержать существенный эффект осадков (Percy and Wilfred, 1946). В свою очередь, Вуллард (Woolard, 1959) показал, что отличия реального поведения границы Мохоровичича от предсказанного в соответствие с простейшей схемой Эри порождают искуственные аномалии.

12

Систематический анализ факторов, определяющих изо статические аномалии, является одной из основных задач данной работы.

Развитие исследований в области изостазии в последние два десятилетия привело к пересмотру и уточнению многих устоявшихся представлений. Прежде всего, существенно усложнились модели, используемые для вычисления изостатических аномалий силы тяжести. В работе (Артемьев, Голланд, 1983) для района Тянь-Шаня была впервые рассчитана карта изостатических аномалий, основанная на изостатической модели, которая максимально приближена к реальному строению коры. Использование такой модели позволило существенно редуцировать изостатические аномалии по сравнению с рассчитанными в соответствии с идеализированной схемой Эри. Для большинства областей Земли сейчас имеются достаточно детальные данные о строении осадочного чехла и его физических характеристиках, что позволяет ввести в модель значительную часть плотностных неоднородностей верхней части геологического разреза. Для многих территорий получена информация, позволяющая пересмотреть представления о глубинах до раздела Мохоровичича, что существенно уточняет модели компенсации. Именно это определяет необходимость нового расчета изостатических аномалий силы тяжести, которые можно считать второй принципиальной "геодинамической" редукцией гравитационного поля. Таким образом, расчет изостатических аномалий должен стать заключительным этапом гравитационного моделирования литосферы.

Проблемы расчета изостатических аномалий и изостазии литосферы в целом имеют непосредственное отношение к проблеме оценки напряженного состояния литосферы. Известно достаточное количество работ (напр. Артемьев, 1975, Gelfand et al., 1983), в которых осуществлялись попытки связать различные производные гравитационного поля и топографии с

13 распределением сейсмичности. Большинство этих попыток были в целом неудачными, как представляется, вследствие того, что в них отсутствовала какая-либо система, а отсутствие физической основы подменялось чистой эмпирикой.

Напряженное состояние литосферы определяется комплексом факторов, которые можно разделить на две группы (Zoback, 1992). К первой группе относятся те из них, которые связаны с силами, действующими на краях литосферных плит, а также крупномасштабными движениями мантийного материала. Соответствующие напряжения, как правило, имеют близкие характеристики для достаточно крупных областей, поэтому обычно называются региональными. К другой группе относятся локальные напряжения, обусловленные неоднородностями строения и физического состояния коры и верхней мантии, в частности, нарушениями изостатического равновесия. До последнего времени основное внимание уделялось изучению региональных напряжений. Однако уже в работе (Artemjev et al., 1972) было теоретически показано, что амплитуда локальных напряжений, обусловленных плотностными неоднородностями, даже в изостатически скомпенсированной литосфере может быть того же порядка, что и максимальная амплитуда региональных напряжений. Кроме того, и в случае, когда локальные напряжения относительно невелики, они могут играть эффект триггера, определяя наиболее вероятные места разрушения горных пород. Это обусловливает важность изучения распределения поля локальных напряжений и их связи с сейсмичностью. Ранее решение этой задачи для реального трехмерного распределения плотности было связано с труднопреодолимыми вычислительными проблемами, которые в последнее время практически решены. В задачу данной работы входит расчет напряжений в верхней части коры, обусловленных распределением плотностных неоднородностей в коре и верхней мантии.

14

Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. В первой главе дается характеристика основных принципов гравитационного моделирования, которые используются в работе. Обосновываются план исследования и основные положения интерпретационных методов. Во второй главе дается подробная характеристика исходной информации, которая затем используется для построения плотностных моделей и расчета различных редукций гравитационных аномалий. В третьей главе определяются глобальные схемы мантийных аномалий силы тяжести и остаточной топографии, которые затем используются для построения моделей распределения плотностных неоднородностей верхней мантии в океанических районах. Четвертая глава посвящена анализу распределения плотности в континентальной литосфере. Характеристика плотностных свойств глубинных корней континентов является основным результатом данной главы. В пятой главе рассчитываются глобальные схемы изостатических аномалий силы тяжести и ундуляций поверхности геоида, дается их характеристика и производится анализ определяющих их факторов. В шестой главе продолжен анализ мантийных аномалий и последующих трансформаций гравитационного поля для территории Северной Евразии в пределах территории 30°СШ - 75°СШ, 14°ЗД - 195°ВД. Большая часть этой территории изучена значительно лучше других районов Земли, что позволяет проверить и уточнить выводы, сделанные на основании глобального анализа. В седьмой главе изучается соотношение детальной плотностной модели литосферы и характера тектонических процессов для территории, которая включает в себя часть Альпийского складчатого пояса на территории бывшего СССР и сопредельные тектонические структуры: от Черного моря до западных отрогов Тянь-Шаня. В восьмой главе оценивается вклад плотностных неоднородностей верхней мантии в общее напряженное

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Кабан, Михаил Константинович

Основные результаты работы опубликованы в следующих работах:

1. Артемьев М.Е., Кабан М.К., Чесноков Е.М. Плотностные неоднородности мантии Земли. Океанические районы // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1983.-N2.-С. 21-30.

2. Артемьев М.Е., Кабан М.К., Чесноков Е.М. Плотностные неоднородности мантии Земли по данным о глубинах до ее "свободной поверхности" // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1983. - N 5. - С. 3-11.

3. Кабан М.К. Модель изостатической компенсации Кавказа. - В кн.: Актуальные проблемы геофизики. М. Наука, 1985, с. 4-11.

4. Artemjev, М.Е. and Kaban, М.К. The free mantle surface - new possibilities to reveal subcrustal inhomogeneities from the structure of the Earth crust. // J. of Geodynamics. - 1986. v. 5, No 1, p. 25-44.

5. Артемьев M.E., Кабан М.К. Изостазия и кросс-спектральный метод ее изучения // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1987. - N 11. -С. 85-98.

Кабан М.К. Современные методы исследования изостазии. М. ВИЭМС, 1987, 47 с.

Кабан М.К., О.Н. Ромашова. Изостатическая компенсация Курильской котловины Охотского моря. // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1988.-№2. С. 61-68.

Кабан М.К. Изучение изостазии литосферы. Издание ОИФЗ РАН. М. Наука, 1988, 125 с.

Артемьев М.Е., Кучериненко В.А., Кабан М.К. Плотностные неоднородности подкорового слоя Северной Евразии // Докл. АН СССР. -1991. - Т. 317. - N 3. - С. 616-620.

Артемьев М.Е., Белов А.П., Кабан М.К., Караев А.И. Изостазия литосферы Туркмении // Геотектоника. 1992. № 1. С. 68 -83.

Артемьев М.Е., Кучериненко В.А., Кабан М.К., Бабаева Т.М., Войдецкий И.Е., Грушинский А.Н. Изостатическая модель литосферы северной Евразии // Физика Земли. 1992. №3. С. 3 - 14.

Артемьев М.Е., Демьянов Г.В., Кабан М.К., Кучериненко В.А. Гравитационное поле плотностных неоднородностей литосферы Северной Евразии. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1993, N 5, стр. 1222.

Artemjev, М.Е., Kaban, М.К., Kucherinenko, V.A., Demjanov, G.V., and Taranov, У.А. Subcrustal density inhomogeneities of Northern Eurasia as derived from the gravity data and isostatic models of the lithosphere. // Tectonophysics. 1994, v. 240, p. 249-280.

Artemjev, M.E. and Kaban, M.K. Density inhomogeneities, isostasy and flexural rigidity of the lithosphere in the Transcaspian region. Tectonophysics. 1994, v. 240, p. 281-297.

Gordin V.M. and Kaban M.K., Isostatic residual and decompensated gravity anomalies and gravity data on the upper crust heterogeneities (Central and southern parts of the East-European platform and the Caucasus). Final report. Mobil Oil and Zonenshain Centre for Russian Geology and Tectonic, Univ. of Texas, Arlington, 1995.

Kaban, M.K. and Artemjev, M.E. Active fault structure in the Southern part of the former Soviet Union derived from the gravity data. // In: European Seismological Commission. Seismology in Europe: Papers presented at the XXV General Assembly of ESC; Icelandic Meteorology Office, Ministry for the Environment, University of Iceland. Reykjavik, Iceland. 1994, p. 23-28.

Кабан M.K., M.E. Артемьев, А.И. Караев, А.П. Белов. Глубинное строение и геодинамика тектонических структур Туркменистана и прилегающих областей по гравитационным данным. // Геотектоника, 1998, N4, с. 81-91.

Doring, J., Gotze, H.-J. and Kaban, M. Preliminary study of the gravity field of the Southern Urals along the URSEIS'95 seismic profile. // Tectonophysics, 1997, v. 276, p. 49-62.

Milanovsky S., M.K. Kaban and A. Egorkin. The structure of the Anabar shield crust. Proceedings of the international conference "The Earth thermal field and related research methods". Moscow, Russia, May 19-21, 1998, p. 174-177.

Kaban M.K., P. Schwintzer and S.A. Tikhotsky : Global isostatic residual geoid and isostatic gravity anomalies. // Geophysical Journal International. V. 136, 1999, pp. 519-536.

Кабан M.K., C.JI. Юнга. К вопросу о влиянии плотностных неоднородностей на напряженное состояние и сейсмичность литосферы Байкала. // Докл. РАН, 2000, Т. 371, с. 527-531.

Кабан М.К. Плотностные неоднородности в литосфере и напряженное состояние литосферы (Гравитационная модель литосферы и геодинамика). - В кн.: "Новейшая тектоника, геодинамика и сейсмичность Северной Евразии" под ред. А.Ф. Грачева. Российская Академия наук, Министерство природных ресурсов России - М. Пробел.

2000, с. 267-290.

Кабан М. К. Гравитационная модель коры и верхней мантии Северной Евразии. 1. Мантийные и изостатические аномалии силы тяжести. // Российский журнал наук о Земле. 2001. Т. 3, No. 2., с. 143-163.

Kaban М.К. and W. Mooney. Density structure of the lithosphere in the southwestern United States and its tectonic significance. // J. Geophys. Res.,

2001, Vol. 106 , No. B1 , p. 721-740.

Kaban M.K. and P. Schwintzer, Oceanic upper mantle structure from experimental scaling of Vs and density at different depths. // Geophysical Journal International., 2001, 147,199-214.

Кабан М.К. Мантийные плюмы и гравитационное поле. В кн.: Мантийные плюмы и металлогения. Материалы Международного симпозиума. Петрозаводск-Москва, Изд-во Пробел-2000, 2002 с. 105106.

246

Заключение (основные результаты и выводы).

В работе построена модель коры и верхней мантии и проанализированы ее связи с особенностями современной тектоники. Главные результаты состоят в следующем:

1. В результате обобщения значительного количества данных (в некоторых ключевых регионах практически всех существующих на настоящий момент данных) была построена плотностная модель коры и определен ее гравитационный эффект относительно горизонтально однородной 'стандартной модели'. Модель коры включает: а). Вариации топографии; б). Мощность ледникового покрова; в). Вариации мощности и плотности осадочного чехла, включая изменение её с глубиной; г). Мощности и плотности слоев консолидированной коры вплоть до границы Мохо.

2. Построены и проанализированы модели разного масштаба. Основу составляет глобальная плотностная модель коры и мантии. Северная Евразия представляет модель следующего уровня. Далее, в пределах Северной Евразии детально изучена область, включающая Альпийско-Средиземноморский складчатый пояс и прилегающие к нему структуры, располагающиеся в южной части территории бывшего СССР.

3. После устранения влияния коры из наблюденного гравитационного поля получены мантийные аномалии силы тяжести, характеризующие интегральную плотностную структуру мантии, в основном ее верхней части.

234

4. По результатам интерпретации мантийных аномалий построена плотностная модель верхней мантии. Наиболее существенные отрицательные аномалии плотности, амплитуда которых достигает -0,15 г/см3, имеют место в областях Восточной Африки и Северной Атлантики вблизи Исландии. Оси срединно-океанических хребтов характеризуются несколько меньшими по амплитуде, но тем не менее, значительными отрицательными аномалиями средней плотности подкорового слоя (-0,1 г/смЗ). Такие же аномалии имеют место в Западной части США, юго-восточной части Тихого океана и в некоторых районах юго-восточной части Евразии от Байкала до Тихого океана (район существенно больший, чем тот, который подразумевается под традиционным термином Юго-Восточная Азия). Максимальные положительные аномалии примерно в 2 раза меньше по амплитуде, чем отрицательные (+0,08 г/см ).

5. Совместный анализ мантийных аномалий с данными сейсмической томографии, результатами интерпретации теплового потока и некоторыми другими данными позволил построить модели распределения мантийных плотностных неоднородностей и во многих случаях определить их природу, в частности, разделить эффект вариациий температуры и состава мантийного вещества на плотность.

6. Получена длинноволновая компонента изостатических аномалий силы тяжести и геоида, которая наилучшим образом отображает глубинные аномалии плотности и динамический эффект мантийной конвекции. Для территории Северной Евразии построены новые карты локальных изостатических аномалий, которые в значительно большей степени характеризуют нарушения изостатического равновесия, чем те, которые рассчитывались ранее с использованием одной топографии, скомпенсированной в соответствии со схемой Эри.

235

7. Оценены параметры напряженного состояния литосферы, которые связаны с распределением плотностных неоднородностей в ней.

На основании полученных результатов были сформулированы следующие основные выводы:

1. Свойства верхней мантии океанов существенно изменяются с глубиной. Установлено, что в слое, лежащем ниже границы G (Гутенберга), под океанами на глубинах 70-200 км происходит резкое уменьшение коэффициента, связывающего изменения скорости с изменениями плотности. Можно предположить, что выше границы G мантия состоит из обедненного "сухого" перидотита, подстилаемого мантийным веществом, насыщенным водой. Такая 'расслоенность' в основном определяет распределение вязкости верхней мантии под океанами, а горизонтальные изменения температуры оказывают эффект второго порядка.

2. Распределение плотности верхней мантии в 'нормальных' частях мирового океана хорошо соответствует модели остывающей литосферы. Значительные аномалии сейсмических скоростей, обнаруженные на глубинах 100-250 км, обусловлены незначительными изменениями температуры.

3. Средняя плотность верхней мантии в области древних корней континентов примерно соответствует средней плотности мантии древнего океана. При этом обнаружены существенные отличия между отдельными кратонами. Эти отличия связаны, в основном, с различиями теплового режима литосферы, однако, только 60% суммарных изменений температуры мантии под кратонами проявляются в поле мантийных аномалий. Этот вывод находится в противоречии с классической гипотезой Джордана о полном балансе

236 изменений плотности литосферы под кратонами, связанных с изменениями температуры и состава.

4. Максимальные изменения плотности верхней мантии под архейскими частями кратонов, которые обусловлены изменением состава, составляют -57- -90 кг/м (1.7-2.7%). Эти значения находятся в соответствии с некоторыми результатами петрологических исследований, при этом мощность химически измененного слоя примерно соответствует мощности "тепловой" литосферы.

5. В пределах Северной Евразии региональная компонента поля мантийных аномалий в первом приближении не скоррелирована со структурами коры и отображает крупномасштабные особенности строения литосферы Евразии, предположительно связанные с особенностями ее теплового режима. Для северной и центральной частей Евразии характерны интенсивные положительные аномалии, в то время, как для Западной Европы и Юго-Восточной части Азии -отрицательные.

6. В отличие от региональной компоненты, локальная составляющая поля мантийных аномалий с длинами волн менее 2000-2500 км имеет ясную привязку к конкретным тектоническим структурам. Для территории Северной Евразии наиболее выраженные положительные аномалии с амплитудами превышающими 100 мГал характерны для некоторых структур в пределах Восточно-Европейской платформы (Балтийский щит, Воронежский массив) и Восточной Сибири (Тунгусская синеклиза). К западу от линии Тессейра-Торнквиста четко прослеживается цепь отрицательных мантийных аномалий: Паннонская впадина - Рейнский грабен - Центральный Французский массив. В центральной Азии наиболее ярко выраженная зона отрицательных мантийных аномалий расположена к юго-западу от

237

Байкала, примерно в районе Хамар-Дабана. Интенсивные отрицательные мантийные аномалии имеют место вдоль восточной границы Евразии, они связанны с окраинными морями.

7. Анализ плотностных моделей в пределах Альпийско-Средиземноморского складчатого пояса и Тянь-Шаня свидетельствует, что свойства верхней мантии в значительной степени определяют характер тектонических процессов и типы структур даже в областях, где общая геодинамическая ситуация определяется горизонтальным сжатием литосферы в местах контакта плит.

8. Значения напряжений в верхней части коры, которые обусловлены плотностными неоднородностями литосферы, по порядку величины могут соответствовать максимальным амплитудам напряжений, определяемым сейсмическими методами. В области Байкальского рифта и прилегающих районах расчетные параметры, характеризующие напряженное состояние литосферы, хорошо соответствуют тем же параметрам, определенным на основании анализа записей землетрясений. Выявлены два критических значения одного из главных параметров поля напряжений: разности максимального и минимального главных значений рассчитанного тензора напряжений. Первое значение равно ~ 7 Мпа, оно оно соответствует появлению землетрясений с М>3. Это значение достигается даже в некоторыхчастях стабильных платформенных областей. При достижении 33-35 Мпа сейсмичность резко возрастает, причем в значительной степени за счет сильных землетрясений (М >

5).

238

Таким образом, основные защищаемые положения можно сформулировать следующим образом:

• На основании анализа фактических данных показано, что под океанами на глубине около 70 км, происходит резкое изменение свойств верхней мантии, в частности, изменение характера связи вариаций скорости и плотности. Можно предполагать, что выше этой границы мантия состоит из обедненного "сухого" перидотита, подстилаемого мантийным веществом, насыщенным водой.

• Распределение плотности верхней мантии в 'нормальных' частях мирового океана хорошо соответствует модели остывающей литосферы. Значительные аномалии сейсмических скоростей, обнаруженные в этих районах на глубинах 100-250 км, обусловлены незначительными изменениями плотности и температуры.

• Средняя плотность литосферы в областях глубинных континентальных корней примерно соответствует средней плотности мантии древнего океана. В то же время, обнаружены существенные различия плотности мантии под отдельными кратонами. Значительная часть этих отличий связана с изменениями теплового режима литосферы.

• Максимальные изменения плотности верхней мантии под архейскими частями кратонов, которые обусловлены изменением состава, составляют -0,06- -0,09 г/см3 (1.7-2.7%).

• В пределах Северной Евразии региональная компонента поля мантийных аномалий в первом приближении не скоррелирована со структурами коры и отображает крупномасштабные особенности строения литосферы. Мантийные аномалии с горизонтальными размерами 1000 км и менее имеют ясную привязку к конкретным структурам, а соответствующие

239 плотностные неоднородности верхней мантии определяют особенности их тектонического режима.

• Значения напряжений в верхней части коры, которые обусловлены плотностными неоднородностями литосферы, по порядку величины могут соответствовать максимальным амплитудам напряжений, определяемым сейсмическими методами. Существует связь этих напряжений с параметрами сейсмичности, в частности, с повторяемостью землетрясений, магнитуда которых также связана с амплитудой расчетных значений.

Практическая значимость работы была подтверждена в ряде исследований:

Рассчитанные автором мантийные гравитационные аномалии, а также полученные плотностные модели уже нашли применение в задачах, связанных с моделированием глобальной мантийной конвекции, движением и эволюцией континентов. Полученная расслоенная модель верхней мантии океанов имеет важное значение для определения ее параметров, в частности - вязкости, которые имеют критическое значение для понимания природы и характера процессов.

Плотностные модели верхней части коры Западной Сибири и части Восточно-Европейской платформы, полученные в рамках работы над совместными проектами, используются рядом производственных кампаний в качестве базовых моделей данных территорий.

Методика использования изостатических аномалий для выделения разломов и анализа напряженного состояния верхней части коры прошла апробацию в рамках серии работ, выполненных по заказу Центра геофизических и геоэкологических исследований (ГЕОН), посвященных

240 анализу сейсмоопасности территории Предкавказья. Рассчитанные автором карты изостатических аномалий и их горизонтальных градиентов были использованы при составлении карты сейсмического районирования России.

Методика расчета локальных напряжений литосферы по данным о плотностных неоднородностях в ней нашла применение в ряде практических задач. В частности, она была использована при анализе сейсмической опасности в районе Ростовской АС.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Кабан, Михаил Константинович, 2003 год

1. Авчан Г.М., Озерская M.JI. Петрофизическая характеристика осадочного чехла нефтегазоносных провинций СССР. М. Недра, 192 стр., 1985.

2. Артемьев М.Е. Изостазия территории СССР. М., Наука, 1975,215 с.

3. Артемьев М.Е., Голланд В.Э., 1985. Изостатическая компенсация Тянь-Шаня. Изостатические аномалии. Изв. АН СССР. Физика Земли, N 5,40-45.

4. Артемьев М.Е., Голланд В.Э. Изостатическая компенсация Тянь-Шаня. Выбор модели компенсации // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1983. - N 1. - С. 4352.

5. Артемьев М.Е., Голланд В.Э., Ниаури Г.А. Новые данные по изостазии Кавказа // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1985. - N 2. - С. 3-15.

6. Артемьев М.Е., Белов А.П., Кабан М.К., Караев А.И. Изостазия литосферы Туркмении // Геотектоника. 1992. - N 1. - С. 68-83.

7. Артемьев М.Е., Кучериненко В.А. О связи "внешней нагрузки" с толщиной земной коры // Изв. РАН. Физика Земли. 1993. - N 7. - С. 69- 73.

8. Артемьев М.Е., Демьянов Г.В., Кабан М.К., Кучериненко В.А. Гравитационное поле плотностных неоднородностей Северной Евразии // Изв. РАН. Физика Земли. 1993. - N 5. - С. 12-22.

9. Балакина JI.M., Захарова А.И., Москвина А.Г., Чепкунас JI.C. // Изв. РАН. Физика Земли. 1996. №3. С. 33-52.247

10. Белоусов В.В., Павленкова Н.И. Строение земной коры Европы по сейсмическим данным. // В кн.: Литосфера центральной и восточной Европы, под ред. Чекунова, Киев, Наук. Думка, 1993.

11. Бронгулеев В.В. (редактор), Карта поверхности дорифейского фундамента Восточно-Европейской платформы, Масшт. 1:5.000.000, Мингео СССР, 1986.

12. Булычев А.А., Гайнанов А.Г., Грызлов А.В. и др. Влияние изменений мощности земной коры на аномалии силы тяжести Дальневосточных окраинных морей // Бюлл. МОИП. Отд. геол. 1993. - Т. 68. - N 4. - С. 96104.

13. Булычев А.А., Гайнанов А.Г., Гилод Д.А., Мазо Е.Л. Гравитационные исследования литосферы Южной Атлантики // Вестн. МГУ. Сер. Геология. 1997. - N 2. - С. 38-50.

14. Винник Л.П. Сейсмические свойства мантийных плюмов // Вестн. ОГТГГН РАН. 1998. № 3(5). С. 194-201.

15. Вольвовский И.С., Вольвовский Б.С. Разрезы земной коры территории СССР по данным глубинного сейсмического зондирования. М. Советское Радио, 267 е., 1975.

16. Гайнанов А.Г. Гравитационное поле и плотностные неоднородности литосферы и астеносферы океанов // Океанология. 1993. -Т. 33. - N 6. -С. 904-914.

17. Гайнанов А.Г., Булычев А.А., Гилод Д.А. и др. Гравитационные аномалии и плотностные модели литосферы Индийского океана // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология. 1984. - N 4. - С. 74-81.248

18. Гамбурцев Г. А., Вейцман П.С. Сопоставление данных глубинного сейсмического зондирования о строении земной коры в районе Северного Тянь-Шаня с данными сейсмологии и гравиметрии // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1956. - N 9. - С. 1036-1043.

19. Гизе П., Павленкова Н.И. Структурные карты земной коры Европы. // Физика Земли. 1988. № 10, с. 3 14.

20. Глубинное строение территории СССР. М. Наука, 224 е., 1991.

21. Гравитационная модель коры и верхней мантии Земли, под ред. Чекунова, Киев, Наук. Думка, 248 е., 1979.

22. Грачев А.Ф., Кулаков Ю.Н., Литинский В.А. Выражение новейших структурных форм в гравитационном поле. // В кн.: Геоморфология и геофизика, под ред. А.Ф.Грачева и Ю.Н.Кулакова, Л., Наука, 1972, с. 5-32.

23. Егоркин А.В. Строение коры по данным сейсмических геотраверзов. В кн.: Глубинное строение территории СССР. М. Наука, с. 118-134, 1991.

24. Ермаков В.Б., Краснопевцева Г.В.,Семов В.Н.,Щукин Ю.К. Атлас карт глубинного строения земной коры и верхней мантии территории СССР. М., ВНИИГеофизика. 1989, 84 с.

25. Кабан М.К. Изучение изостазии литосферы. М., Наука. 1988, 125 с.

26. Кабан М.К., М.Е. Артемьев, А.И. Караев, А.П. Белов. Глубинное строение и геодинамика тектонических структур Туркменистана и прилегающих областей по гравитационным данным. // Геотектоника, 1998, N 4, с. 81-91.

27. Кабан М.К., С.Л. Юнга. К вопросу о влиянии плотностных неоднородностей на напряженное состояние и сейсмичность литосферы Байкала. Докл. РАН, 2000, Т. 371, с. 527-531.249

28. Красовский С.С. Гравитационное моделирование земной коры и изостазия. Киев, Наук. Думка, 262 е., 1989.

29. Кунин Н.Я., Шейх-Заде Э.Р., Семенова Г.И. 1992. Строение литосферы Евразии. Междуведомственный геофизический комитет РАН, Москва, 266 с.

30. Лопатина Н.П., Рябой В.З. Скоростные неоднородности верхней мантии и глубинные гравитационные аномалии территории СССР. В кн.: Физические свойства, состав и строение верхней мантии. М.: Наука, 1974, с. 75-85.

31. Лобковский Л. И. Геодинамика зон спрединга, субдукции и двухъярусная тектоника плит. М.: Наука, 1988. 251 с.

32. Лобковский Л. И. Эволюция мегаокеанов, глобальные трансгрессии и нелинейная геодинамика // Геология и минеральные ресурсы Мирового океана. СПб.: 1995. С. 125-140.0

33. Лобковский Л.И., Исмаил-заде А.Т., Наймарк Б.М., Никитин А.М„ Клутинг С. Механизм погруженияв земной коры и образования осадочных бассейнов //ДАН. 1993. Т. 330, № 2. С. 256-260.

34. Лобковский Л.И., Каракин А.В., Захаров В. С. Модель горообразования в рамках концепции двухъярусной тектоники плит // Гелогия и геофизика. 1991. №7. С. 3-8.

35. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д. Двухъярусная термохимическая модель конвекции в мантии и ее геодинамические следствия. // Проблемы глобальной геодинамики: Материалы теоретического семинара ОГТГГН РАН. 2000, С. 29-53.250

36. Неволин Н. В., Ковылин (редакторы). Геологическое и геофизическое моделирование нефтегазоносных провинций. М. Недра, 204 е., 1993.

37. Романюк Т.В., Страхов В.Н. Восстановление плотности земной коры и верхней мантии по данным ГСЗ и гравиметрии // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1984. - N 7. - С. 64-80.

38. Смирнов Я.Б. 1980. Карта тепловых потоков и глубинных температур территории СССР. Главное управление геодезии и картографии при СМ СССР.

39. Солоненко А.В., Солоненко Н.В., Мельникова В.И., Юнга CJI. Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии. М., 1996. В. 2/3. С. 363371.

40. Чедия O.K. Средняя Азия // В кн.: Новейшая тектоника Северной Евразии. М.: Геос, 1998. С. 52-57.

41. Юнга С.Л. Изв. РАН. Физика Земли. 1996. № 12. С. 37-58.

42. Arfken, G., 1968. Mathematical Methods for Physicists, Academic Press, New York, London.

43. Artemieva, I.M. and Mooney, W.D., 2001. Thermal thickness and evolution of Precambrian lithosphere: A global study. J. geophys. Res., 106, B, 16387-16414.

44. Artemjev, M.E., and M.K. Kaban, 1986. The free mantle surface new possibilities to reveal subcrustal inhomogeneities from the structure of the Earth crust, J. of Geodynamics, 5, 25-44.251

45. Artemjev, M.E., and М.К. Kaban, 1987. Isostasy and cross-spectral method of its study, Phys. Solid Earth, 23 (11), 935-945.

46. Artemjev, M.E., and M.K. Kaban, 1991. Isostatic processes and intracontinental orogenesis, J. of Geodynamics, 13, 77-86.

47. Artemjev, M.E., and M.K. Kaban, 1994. Density inhomogeneities, isostasy and flexural rigidity of the lithosphere in the Transcaspian region, Tectonophysics, 240, 281-297.

48. Artemjev, M.E., and M.K. Kaban, Isostasy and cross-spectral methods of its study, Physics of the Solid Earth, v. 23, p. 935-945, 1987.

49. Artemjev, M.E., and M.K. Kaban, Isostasy and intracontinental orogenesis, J. of Geodynamics, 13, 77-86,1991.

50. Artemjev, M.E., Demjanov, G.V., Kaban, M.K. and Kucherinenko, V.A., 1993: Gravity field of the lithosphere density inhomogeneities of Northern Eurasia. Physics of the solid Earth, No 5, p. 12-22.

51. Artemjev, M.E., Gordin V.M., Kaban M.K., Kunin N.Y., Mikhailov V.O. and Bowin C. West Siberian Basin basement tectonic segmentation. Final report. Woods Hole Oceanographic Institution, USA and Inst, of Physics of the Earth, Moscow, Russia, 19946.

52. Artemyev, M.E. and Golland, V.E., 1983. Isostatic compensation of Tien Shan; choice of compensation model. Physics of the Solid Earth, V 19, 1, 30-37.252

53. Artemyev, M.E., and Golland, V.E., Isostatic compensation of Tien Shan; choice of compensation model, Phys. Solid Earth, 19, 30-37,1983.

54. Artemyev, M.E., Belov, A.P., Kaban, M.K. and Karaev, A.I., Isostasy of the lithosphere of Turkmenia. Geotectonics, 26, No 1, 48-58, 1992.

55. Assameur D.M. and Mareshal J.-C. Stress induced by topography and crustal density heterogeneities: implication for seismicity of southeastern Canada. Tectonophysics, 1995, 241, 179-192.

56. Artemyev, M.E., V.E. Golland, and G.A. Niauri, New data on the isostasy of the Caucasus, Physics of the Solid Earth, 21; No 2, 85-93, 1985.

57. Balachandar, S., 1995. Signature of the transition zone in the tomographic results extracted through the eigenfimctions of the two-point correlation, Geophys. Res. Lett., 22, 1941-1944.

58. Bassin, C., Laske, G. and Masters, G., 2000. The Current Limits of Resolution for Surface Wave Tomography in North America. Eos Trans. AGU, 81, F897.

59. Beaumont, C., Ellis, S., Hamilton, J., and Fullsack, P., Mechanical model for subduction-collision tectonics of Alpine-type compressional orogens, Geology, 24/8, 675-678, 1996.

60. Bechtel, T. D., Forsyth, D. W; Sharpton, Y.L.; Grieve, R.A.F. Variations in effective elastic thickness of the North American lithosphere. Nature, 343(6259), p. 636-638, 1990.

61. Boyd, F.R. 1989. Compositional distinction between oceanic and cratonic lithosphere. Earth planet. Sci. Lett., 96,15-26.

62. Boyd, F.R. and McCallister, R.H., 1976. Densities of fertile and sterile garnet peridotites. Geophys. Res. Lett., 3, 509-512.

63. Boyd, F.R., Pearson, D.G. and Mertzman, S.A., 1999. Spinel-facies peridotites from the Kaapvaal root. In: J.J.Gurney, J.L.Gurney, M.D.Pascoe, and S.H.Richardson (Eds.), Proc. VII Intern. Kimberlite Conf., v.l, 40-48.

64. Boyd, F.R., Pearson, D.G., Pokhilenko, N.P. and Mertzman, S.A., 1993. Cratonic mantle composition; evidence from Siberian xenoliths. Eos, Trans. AGU, 74, Suppl., 321.

65. Burov E.B. and Diament M. The effective elastic plate thickness (Те) of continental lithosphere: What does it really mean? J. Geoph. Res., 1995, 100, p. 3905-3927.

66. Carlson, R.L. & Herrick, C.N., 1990. Densities and porosities of the oceanic crust and their variations with depth and age, J. geophys. Res., 95, B, 9153-9170.

67. Cazenave, A., Dominh, K., Allegre, C.J. & Marsh, J.G., 1986. Global Relationship between oceanic geoid and topography, J. geophys. Res., 91, В, 11439-11450.

68. Cermak V., 1982, A geothermal model of the lithosphere and a map of the thickness of the lithosphere on the territory of the USSR. Physics of the Solid Earth, 18; 1,18-27.254

69. Chapman, M.E. & Bodine, J.H., 1979. Considerations of the indirect effect in the marine gravity modelling, J. geophys. Res., 84, B, 3889-3892.

70. Chase, C.G., and M.K. McNutt, 1982. The Geoid: effect of compensated topography and uncompensated oceanic trenches, Geophys. Res. Lett., 9, 29-32.

71. Christensen, N.I. & Mooney, W.D., 1995. Seismic velocity structure and composition of the continental crust: A global view, J. geophys. Res., 100, B, 9761-9788.

72. Colburn R.H. and Mooney W.D., Two-dimensional velocity structure along the synclinal axis of the Great Valley, California, Bull. Seis. Soc. Am., 76, 13051322., 1986.

73. Colin, P. and Fleitout, L., 1990. Topography of the ocean floor: Thermal evolution of the lithosphere and interaction of mantle heterogeneities with the lithosphere. Geophys. Res. Lett., 17, 1961-1964.

74. Cordell L, Zorin Yu. A., Keller G.R., The decompensative gravity anomaly and deep structure of the Rio Grande Rift. J. Geoph. Res., 96, p. 6557-6568., 1991.

75. Corrieu, V., Ricard, Y. & Froidevaux, C., 1994. Converting mantle tomography into mass anomalies to predict the Earth's radial viscosity, Phys. Earth planet. Inter., 84, 3-13.

76. Corrieu, V., Thoraval, C. & Ricard, Y., 1995. Mantle dynamics and geoid Green functions. Geophys. J. Int., 120, 516-523.

77. Cox, K.G., 1991. A superplume in the mantle, Nature, 352, 564-565.

78. Dahlen, F.A., 1981. Isostasy and the ambient state of stress in the oceanic lithosphere, J. Geophys. Res., 86, B, 7801-7807.255

79. Davis, E.E., and C.R.B. Lister, 1974. Fundamentals of ridge crest topography, Earth and Planet. Sci. Lett., 21, 405-413.

80. Djomani P., Y.H., O'Reilly, S.Y., Griffin, W.L. and Morgan, P., 2001. The density structure of subcontinental lithosphere through time. Earth Planet. Sci. Lett., 184, 605-621.

81. Djomani P., Y.H., O'Reilly, S.Y., Griffin, W.L. and Morgan, P., 2001. The density structure of subcontinental lithosphere through time. Earth Planet. Sci. Lett., 184, 605-621.

82. Dorman, L.M., and B.T.R. Lewis, Experimental isostasy. 1. Theory of determination of the Earth's isostatic response to a concentrated load, J. Geophys. Res., 75, 3357-3365, 1970.

83. Doser D.I. Faulting within the western Baikal rift as characterized by earthguake studies// Tectonophysics. 1991. V.196. No 1-2. P.87-107.

84. Dziewonski, A.M. & Anderson, D.L., 1981. Preliminary reference Earth model, Phys. Earth planet. Inter., 25, 297-356.

85. Egorkin A.V. Velocity structure, composition and discrimination of crustal provinces in the former Soviet Union. Tectonophysics, 298(4), 395-404, 1998.

86. Ekstrom G. & Dziewonski, A.M., 1998. The unique anisotropy of the Pacific upper mantle, Nature, 394,168-172.

87. Ekstrom, G., Tromp, J. and Larson, E.W.F., 1997. Measurements and global models of surface wave propagation. J. geophys. Res., 102, B, 8137-8157.

88. Exxon, Tectonic map of the World, Scale 1:10,000,000. Exxon Prod. Research Co., AAPGF, Tulsa, OK, USA, 1985.256

89. Feng, R., Gordin, V.M., Kaban, M.K. and Wang, Y. Gravity field and the mantle inhomogeneities in Central Asia. Abstracts 30th Intern. Geological Congr., Beijing, China, 1996, vol. 1, p. 152.

90. Forte, A. M. & Peltier, W.R., 1987. Plate tectonics and aspherical Earth structure: the importance of poloidal- toroidal coupling, J. geophys. Res., 92, B, 36453679.

91. Forte, A.M. & Perry, H.K.C., 2000. Geodynamic evidence for a chemically depleted continental tectonosphere, Science, 290, 1940-1944.

92. Forte, A.M., Dziewonski, A.M. & O'Connell, R.J., 1995. Thermal and chemical heterogeneity in the mantle: a seismic and geodynamic study of continental roots, Phys. Earth planet. Inter., 92, 45-55.

93. Forte, A.M., Peltier, W.R., Dziewonski, A.M. & Woodward, R.L., 1993. Dynamic surface topography: a new interpretation based upon mantle flow models derived from seismic tomography, Geophys. Res. Lett., 20, 225-228.

94. Frezon S.I., Finn T.M. and Lister J.H., Total thickness of sedimentary rocks in the conterminous United States. U.S. Geological Survey Open File Report, 83-920., 1983.

95. Gaherty, J.B., Jordan, Т.Н. & Gee, L.S., 1996. Seismic structure of the upper mantle in a central Pacific corridor, J. geophys. Res., 101, B, 22291-22309.257

96. Gaherty, J.B., Kato, M. & Jordan, Th.H., 1999. Seismological structure of the upper mantle; a regional comparison of seismic layering, Phys. Earth planet. Inter., 110,21-41.

97. Grachev A.F., 1998, The Khamar-Daban Ridge as a hotspot of the Baikal Rift from data of chemical geodynamics , Physics of the Solid Earth, V 34, 3, 175-200.

98. Grand, S.P., 1994. Mantle shear structure beneath the Americas and surrounding oceans. J. geophys. Res., 99, B, 11591-11621.

99. Grand, S.P., van der Hilst, R. D. & Widiyantoro. S., 1997. Global seismic tomography; A snapshot of convection in the Earth. Geol. Soc. Am. Today, 7, 17.

100. Hager, B.H. and O'Connel, R.J., 1981. A simple global model of plate dynamics and mantle convection. J. geophys. Res, 86, B, 4843-4867.

101. Hager, B.H., 1983. Global isostatic geoid anomalies for plate and boundary layer models of the lithosphere. Earth planet. Sci. Lett., 63, 97-109.

102. Hawkesworth, C.J., Kempton, P.D., Rogers, N.W., Ellam, R.M. and van Calsteren, P.W., 1990. Continental mantle lithosphere, and shallow level enrichment process in the Earth's mantle. Earth plan. Sci. Lett., 96, 256-268.

103. Haxby, W.F., and D.L. Turcotte, 1978. On isostatic geoid anomalies, J. Geophys. Res., 83, B, 5473-5478.

104. Heiskanen, W., and H. Moritz, 1967. Physical geodesy, W.H. Freeman, and Co., San Francisco.

105. Hirth, G., & Kohlstedt, D.L., 1996. Water in the oceanic upper mantle: implications for rheology, melt extraction and the evolution of the lithosphere. Earth planet. Sci. Lett., 144, 93-108.259

106. Hirth, G., Evans, R.L. and Chave, A.D., 2000. Comparison of continental and oceanic mantle electrical conductivity: Is the Archean lithosphere dry? G3: Geochem. Geophys. Geosyst., 1, 1-9.

107. Humphreys E.D. and K.G. Dueker, Physical state of the western U.S. upper mantle. J. Geoph. Res., 99, p. 9635-9650, 1994B.

108. Hurtig, E., V. Cermak, R. Haenel, and V. Zui, (eds.), 1992. Geothermal atlas of Europe. 1st ed., Hermann Haack Verlagsgesellschaft.

109. Jachens R.C. and Moring C., Maps of the thickness of Cenozoic deposits and the isostatic residual gravity over basement for Nevada. U.S. Geological Survey Open File Report, 90-404, 15 p., 1990.

110. Jachens R.C., Griscom A. and Roberts C.W., Regional extent of Great Valley basement west of the Great Valley, California: Implications for extensive tectonic wedging in the California Coast Ranges, J. Geophys. Res., 100, 1276912790, 1995.

111. Jaupart, C. and Mareschal, J.C., 1999. The thermal structure and thickness of continental roots. Lithos, 48, 93-114.

112. Jaupart, C. and Mareschal, J.C., Guillou-Frottier L. and Davaille A, 1998. Heat flow and thickness of the lithosphere in the Canadian Shield. . J. geophys. Res., 103,15269-15286.260

113. Jordan, Т.Н., 1978. Composition and development of the continental tectosphere. Nature, 274, 544-548.

114. Jordan, Т.Н., 1981. Continents as a chemical boundary layer, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A, 301, 359-373.

115. Jordan, Т.Н., 1981. Continents as a chemical boundary layer. Phil. Trans. Roy. Soc. London, Ser. A: Math. Phys. Sciences; 301, 359-373.

116. Jordan, Т.Н., 1988. Structure and formation of the continental tectosphere. J. Petrology, 29,11-37.

117. Jordan, Т.Н., 1997. Petrological controls on the density and seismic velocities of the cratonic upper mantle. Eos Trans. AGU, 78, F746.

118. Kaban M.K. & Mooney, W.D., 2001. Density structure of the lithosphere in the South-Western U.S. and its tectonic significance, J. geophys. Res., 106 ,721-740.

119. Kaban M.K. A gravity model of the North Eurasia crust and upper mantle: 1. Mantle and isostatic residual gravity anomalies. Russian Journal of Earth Sciences, 3, No. 2, 125-144, 2001.

120. Kaban M.K. and P. Schwintzer, 2000. Fitting seismic tomography to ocean gravity and implications for models of the Earth's mantle. Scientific technical report STR00/01, GeoForschungsZentrum, Potsdam, 41 p.

121. Kaban M.K., Schwintzer, P. & Tikhotsky, S.A., 1999. Global isostatic gravity model of the Earth. Geophys. J. Int., 136, 519-536.

122. Kaban, M., 2001. A Gravity Model of the North Eurasia Crust and Upper Mantle: 1. Mantle and Isostatic Residual Gravity Anomalies. Russian Journal of Earth Sciences, 3, 143-163.261

123. Kaban, М.К, Artemjev, M.E., Karaev, A.I. and Belov, A.P., 1998, The deep structure and geodynamics of the tectonic features in Turkmenistan and adjacent areas; gravity evidence. Geotectonics, 32; 4, 323-332.

124. Kaban, M.K. and Artemjev, M.E., The Density Lithosphere structure of the Eastern Europe and Its Relation to Tectonics, Terra nova, Abstr. suppl. (EUG VII, Strassburg), 5, No. 1, p. 54,1993.

125. Kaban, M.K. and Mooney, W., 2001. Density structure of the lithosphere in the southwestern United States and its tectonic significance. J. geophys. Res., 106, B, 721-740.

126. Kaban, M.K. and Schwintzer, P., 2001. Oceanic upper mantle structure from experimental scaling of Vs and density at different depths. Geoph. J. Int., 147, 199-214.

127. Kaban, M.K., 2000. Gravity model of the lithosphere and geodynamics. In: Neotectonics, Geodynamics and Seismicity of Northern Eurasia. Editor A.F.Grachev. Moscow, Probel, 267-290, (in Russian).

128. Kaban, M.K., Schwintzer, P. and Tikhotsky, S.A., 1999. Global isostatic gravity model of the Earth. Geophys. J. Int., 136, 519-536.

129. Kaban M.K., Flovenz O.G., Palmason G., Nature of the crust-mantle transition zone and the thermal state of the upper mantle beneath Iceland from gravity modelling. Geophysical Journal International. 2002, 149, 281-299.

130. Kaban M.K., Uglov B.D., A model for the isostatic compensation of the lithosphere and isostatic anomalies in the southern equatorial zone of the Atlantic and Indian oceans. Oceanology, 2002, 42; 2, 279-290.262

131. Karato, S.I. and Jung, H., 1998. Water, partial melting and the origin of the seismic low velocity and high attenuation zone in the upper mantle. Earth planet. Sci. Lett., 157, 193-207.

132. Karato, S.I., 1993. Importance of anelasticity in the interpretation of seismic tomography, Geophys. Res. Lett., 20, 1623-1626.

133. Karato, S.-I., 1998. A dislocation model of seismic wave attenuation and micro-creep in the Earth: Harold Jeffreys and the rheology of the solid Earth. Pure Appl. Geoph., 153, 239-256.

134. Kawakatsu, H., & Niu, F., 1994. Seismic evidence for a 920-km discontinuity in the mantle. Nature, 371, 301-305.

135. Khain, V.E, and Koronovsky, N.V., Caucasus, In: Encyclopedia of European and Asian regional geology. Collection: Encyclopedia of Earth sciences series, Fairbridge-Rhodes-W (editor), 127-136, 1997.

136. King, S.D. & Masters, G., 1992. An inversion for radial viscosity structure using seismic tomography, Geophys. Res. Lett., 19, 1551-1554.263

137. Kopylova, M.G., Russell, J.K. and Cookenboo, H., 1999. Petrology of peridotite and pyroxenite xenoliths from the Jericho kimberlite: implications for the thermal state of the mantle beneath the Slave Craton, Northern Canada. J. Petrology, 40, 79-104.

138. Koronovsky, N., Collision processes in Caucasus; physical modeling, In: European Union of Geosciences conference abstracts, J. of Conf Abstr., 4, No.l, 72-73, 1999.

139. Kosarev, G.L., Petersen, N.V., Vinnik, L.P., and Roecker S.W., Receiver functions for the Tien Shan analog broadband network: contrasts in the evolution of structures across the Talasso- Fergana Fault, J. Geoph. Res., 98, 4437-4448, 1993.

140. Kostyuchenko S.L., Egorkin A.V. and Solodilov L.N. Structure and genetic mechanisms of the Precambrian rifts of the East-European Platform in Russian by integrated study of seismic, gravity, and magnetic data. Tectonophysics, 313(1-2), 9-28, 1999.

141. Kuang J., Long L.T., Mareshal J.C. Intraplate seismicity and stress in the southeastern United States. // Tectonophysics, 1989, V. 170, P. 29-42.

142. McCulloh Т.Н., Mass properties of sedimentary rocks and gravimetric effects of petroleum and natural-gas reservoirs. U.S. Geological survey professional paper, 528-A,50p., 1967.

143. McKenzie, D.P, 1967. Some remarks on heat flow and gravity anomalies, J. Geophys. Res., 72, 6261-6273.

144. McNutt M., Compensation of oceanic topography: an application of the responce function technique to the Surveyor area. J. geoph. Res., 84, p. 7589-7598., 1979.

145. McNutt, M.K., 1998. Superswells. Rev. Geophys., 36, 211-244.

146. Megnin C. and Romanowicz В., 2000. The three-dimensional shear velocity structure of the mantle from the inversion of body, surface and higher-mode waveforms. Geophys. J. Int., 143,709-728.

147. Mikhailov, V.O., Timoshkina, E.P., and Polino, R., Foredeep basins; the main features and model of formation, Tectonophysics, 307, 345-359,1999.

148. Milne, G.A., Mitrovica, J.X. & Forte, A.M., 1998. The sensitivity of glacial isostatic adjustment predictions to a low-viscosity layer at the base of the upper mantle, Earth planet. Sci. Lett., 154, 265-278.

149. Mitrovica, J.X., & Forte, A.M., 1997. Radial profile of mantle viscosity: results from the joint inversion of convection and postglacial rebound observables, J. geophys. Res., 102, B, 2751-2769.

150. Montagner, J.P. & Tanimoto, Т., 1991. Global upper mantle tomography of seismic velocities and anisotropics, J. geophys. Res., 96, B, 20337-20351.

151. Mooney, W.D., Laske, G. and Masters, T.G., 1998. CRUST 5.1: A global crustal model at 5°x5°, J. geophys. Res., 103, B, 727-747.

152. Morelli, A., and A.M. Dziewonski, 1987. Topography of the core-mantle boundary and lateral homogeneity of the liquid core, Nature, 325,678-683.

153. Muller, R.D., Roest, W.R., Royer, J.-Y., Gahagan, L.M. and Sclater, J.G., 1993. A digital age map of the ocean floor. Scripps Inst, of Oceanography, SIO Reference Series No. 93-30, Univ. of California, San Diego.

154. Murase T. & Fukuyama, H., 1980. Shear wave velocity in partially molten peridotite at high pressures, Year book Carnegie Inst. Washington, 79, 307-310.

155. Nisbet, E.G., 1984. The continental and oceanic crust and lithosphere in the Archean:isostatic, thermal and tectonic models. Can. J. Earth Sci., 21, 14261441.

156. Ockendon, J.R., and D.L.Turcotte, 1977. On the gravitational anomalies due to thin mass layers, Geophys. J. R. Astr. Soc., 48, 479-492.

157. Panasyuk, S.V. and Hager, B.H., 2000. Models of isostatic and dynamic topography, geoid anomalies, and their uncertainties. J. geoph. Res., 105,2819928209.

158. Panasyuk, S.V., Hager, B.H. and Forte, A.M., 1996. Understanding the effects of mantle compressibility on geoid kernels. Geophys. J. Int., 124, 121-133.

159. Pari, G. & Peltier, W.R., 1998. Global surface heat flux anomalies from seismic tomography-based models of mantle flow: implications for mantle convection. J. geophys. Res., 103, B, 23,743-23,780.267

160. Pari, G. and Peltier W.R., 2000. Subcontinental mantle dynamics: A further analysis based on the joint constraints of dynamic surface topography and free-air gravity. J. geoph. Res., 105, 5635-5662.

161. Pari, G. and Peltier, W.R., 1996. The free-air gravity constraint on subcontinental mantle dynamics. J. geoph. Res., 101, 28115-28132.

162. Pari, G., 2001. Crust 5.1-based inference of the Earth's dynamics surface topography: Geodynamic implications. Geoph. J. Int., 144, 501-516.

163. Parsons, B. and J.G. Sclater, 1977. An analysis of the variation of ocean floor with age, J. Geophys. Res., 82, B, 803-82.

164. Pasquale V., Yerdoya M. and Chiozzi P., 1991. Lithospheric thermal structure in the Baltic Shield. Geoph. J. Int., 106, 611-620.

165. Pavlis, N.K., and R.H. Rapp, 1990. The development of an isostatic gravitational model to degree 360 and its use in global gravity modelling, Geophys. J. Int., 100, 369-378.

166. Pearson, D. G., Carlson, R.W., Shirey, S. В., Boyd, F. R. and Nixon, P. H. 1995. Stabilisation of Archaean lithospheric mantle; a Re-Os isotope study of peridotite xenoliths from the Kaapvaal Craton. Earth planet. Sci. Lett., 134, 341357.

167. Percy, Wilfred, 1946. Geological factors in gravity interpretation illustrated by evidence from India and Burma. Quarterly Journal of the Geological Society of London. 407; 102, P. 3, 211-249.

168. Pinet C., Jaupart C., Mareschal J.C., Gariepy C., Bienfait G. and Lapointe,-R., 1991. Heat flow and structure of the lithosphere in the eastern Canadian Shield. J. Geoph. Res., 96,19941-19963.

169. Polet, J. and Anderson, D.L., 1995. Depth extent of cratons as inferred from tomographic studies. Geology, 23, 205-208.

170. Pollack, H.N. and Chapman, D.S., 1977. On the regional variation of heat flow, geotherms and lithospheric thickness. Tectonophys., 38, 279-296.

171. Proceedings of the Oceanic Drilling Program, Initial Reports, 1994. Vol. 146, part 2, Santa Barbara Basin, Site 893, p. 45., 1994.1. Pratt, 1981

172. Ranalli G., Murphy D.C. Rheological stratification of the lithosphere // Tectonophysics, 1987, V. 132, P. 281 295.

173. Quinlan, G., Beaumont, C., and Hall, J., Tectonic model for crustal seismic reflectivity patterns in compressional orogens, Geology, 21, 663-666, 1993.

174. Ricard, Y., Fleitout, L. & Froidevaux, C, 1984. Geoid heights and lithospheric stresses for a dynamic Earth. Annates Geophysicae, 2, 267-286.

175. Ricard, Y., Richard, M., Lithgow-Bertelloni, C. and Le Stunff, Y., 1993. A geodynamic model of mantle density heterogeneity, J. geophys. Res., 98, B, 21895-21909.

176. Richards, M.A. & Hager, B.H., 1984. Geoid anomalies in a dynamic earth, J. geophys. Res., 89, B, 5987-6002.

177. Ritsema, J. and van Heijst, H., 2000. New seismic model of the upper mantle beneath Africa. Geology, 28, 63-66.

178. Ritzwoller M.H. and Levshin A.L. Eurasian surface wave tomography; group velocities. J. Geoph. Res., 1998,103, p/ 4839-4878.

179. Ritzwoller, M. & Lavely, E.M., 1995. Three-dimensional seismic models of the Earth's mantle. Rev. Geophys., 33(1), 1-66.

180. Ritzwoller, M.H., Levshin, A.L., Ratnikova, L.I. and Egorkin, A.A., 1998. Intermediate-period group-velocity maps across Central Asia, western China and parts of the Middle East. Geoph. J. Int., 134, 315-328.

181. Roecker, S.W., Sabitova, T.M., Vinnik, L.P., Burmakov, Y.A., Golvanov, M.I., Mamatkanova, R., and Munirova, L., J. Geoph. Res., 98, 15779-15795, 1993.

182. Rohm, A.H.E., Snieder, R., Goes, S. and Trampert, J., 2000. Thermal structure of continental upper mantle inferred from S-wave velocity and surface heat flow. Earth planet. Sci. Lett, 181, 395-407.

183. Ryaboy, V.Z., Structure of the Earth's crust and upper mantle in the central regions of Turkmenia according to deep seismic sounding data (DSS)., In: European Seismological Commission, 8th Assembly, Proc. Akad.Kiado., 216-221, 1968.270

184. Sclater, J.G. and J. Francheteau, 1970. The implications of terrestrial heat flow observations on current tectonic and geochemical models of the crust and upper mantle of the Earth, Geophys. J. R. Astr. Soc., 20, 509-542.

185. Shapiro, S.S., Hager, B.H. and Jordan Т.Н., 1999. The continental tectosphere and Earth's long-wavelength gravity field. Lithos, 48, 135-152.

186. Shearer, P.M., 1993. Global mapping of upper mantle reflectors from long-period SS precursors, Geophys. J. Int., 115, 878-904.

187. Sheffels B. and McNutt M., Role of subsurface loads and regional compensation in the isostatic balance of the Transverse Ranges, CA: evidence for intracontinental subduction. J. Geoph. Res., v. 91, p. 6419-6431., 1986.

188. Simpson R.W., Jachens R.C., Blakely R.J. and Saltus R.W., A new isostatic residual gravity map of the conterminous United States with a discussion on the significance of isostatic residual anomalies: J. Geoph. Res., 91, p. 8348-8372, 1986.

189. Sobolev, S., Zeyen, H., Stoll, G., Werling, F., Altherr, R. and Fuchs, K., 1996. Upper mantle temperatures from teleseismic tomography of French Massif271

190. Central including effects of composition, mineral reactions, anharmonicity, anelasticity and partial melt, Earth planet. Sci. Lett., 139, 147-163.

191. Thoraval, C. and Richards, M.A., 1997. The geoid constraint in global geodynamics: viscosity structure, mantle heteoregeneity models and boundary conditions, Geophys. J. Int., 131,1-8.

192. Trubitsyn, V.P., 2000. Principles of the tectonics of floating continents, Izvestiya, Physics of the Solid Earth, V. 36, P. 708-741.

193. Trubitsyn, V.P., V.V. Rykov, 2000. A 3-D spherical model of mantle convection with floating continents, U.S. Geological Survey, Open File Report, 00-218, pp.2-44.

194. Turcotte, D.L., and E.R. Oxburgh, 1967. Finite amplitude convective cells and continental drift, J. Fluid Mech., 28, 29-42.

195. Ulomov, V.I., Focal zones of earthquakes modeled in terms of the lattice regularization, Physics of the Solid Earth, 34, No. 9, 717-733, 1998.

196. Ulomov, V.I., Polyakova, T.P., and Medvedeva, N.S., Seismogeodynamics of the Caspian Sea region, Physics of the Solid Earth, 35, No.12, 1036-1042, 1999.

197. Van der Lee, S. and Nolet G., 1997. Upper mantle S velocity structure of North America. J. Geophys. Res., 102, 22815-22838.

198. Vening Meinesz, F.A., 1946. The indirect isostatic or Bowie reduction and the equilibrium figure of the Earth. Bull. Geod., 1, 33-107.

199. Vinnik L.P., and Lukk, A.A., Horizontal inhomogeneities of the upper mantle in Central Asian regions of platform activation, Physics of the Solid Earth, 11/7, 411-418,1976.

200. Wen, L. & Anderson, D.L., 1995. The fate of the slabs inferred from 130 Ma subduction and seismic tomography, Earth planet. Sci. Lett., 133, 185-198.

201. Wen, L. & Anderson, D.L., 1997a. Layered mantle convection: a model for geoid and topography, Earth planet. Sci. Lett., 146, 367-377.

202. Wen, L. & Anderson, D.L., 1997b. Slabs, hotspots, cratons and mantle convection revealed from residual seismic tomography in the upper mantle, Phys. Earth and Planet. Int., 99, 131-143.

203. White, R.S., McKenzie, D & O'Nions, R.K., 1992. Oceanic crustal thickness from seismic measurements and rare Earth element inversion, J. geophys. Res., 97, B, 19683-19715.

204. Woollard G.P., 1959. Crustal structure from gravity and seismic measurements. Journal of Geophysical Research. 64; 10, Pages 1521-1544.

205. Yegorkin A.V. and Mikhaltsev A.V. The results of seismic investigations along geotraverses. In: K. Fuchs, Ye.A. Kozlovsky, A.I. Rrivtzov and M.D. Zoback