Статті

Тривимірна модель густини мантії під Українським щитом

Рейтинг користувача:  / 0
ГіршийКращий 

Authors:


Л.Шумлянська*, orcid.org/0000-0003-0234-7916, Інститут геофізики імені Субботіна НАН України, м. Київ, Україна; Дослідницька група глобальних змін, IMEDEA, CSIC-UIB, м. Еспорлес, Королівство Іспанія, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

П.Пігулевський, orcid.org/0000-0001-6163-4486,  Інститут геофізики імені Субботіна НАН України, м. Київ, Україна; Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна, e-mail: pigulev@ ukr.net

В.Віларраса, orcid.org/0000-0003-1169-4469, Дослідницька група глобальних змін, IMEDEA, CSIC-UIB, м. Еспорлес, Королівство Іспанія, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

* Автор-кореспондент e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


повний текст / full article



Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2024, (2): 012 - 018

https://doi.org/10.33271/nvngu/2024-2/012



Abstract:



Мета.
Розробка моделі густини мантії для розуміння фундаментальних геологічних і фізичних процесів, що відбуваються всередині Землі, і є важливим для нашого наукового та практичного розуміння будови планети.


Методика.
Поставлені завдання вирішувалися комплексним методом дослідження, що включає аналіз й узагальнення літературних і патентних джерел, проведення аналітичних, експериментальних досліджень із використанням методів комп’ютерного та математичного моделювання.



Результати.
Одновимірні моделі спрощують розподіл густини мантії, передбачаючи, що він є однорідним лише у вертикальному напрямку. Це обмеження не дозволяє враховувати горизонтальні варіації густини мантії, що можуть бути важливими на регіональному рівні. Тривимірні моделі більш складні та вимагають більше даних й обчислювальних ресурсів, тому їхнє використання може бути обмеженим. У цьому дослідженні ми презентуємо квазітривимірну модель густини мантії під Українським щитом. Ця 3D-модель отримана за допомогою базового набору одновимірних сейсмічних томографічних швидкісних моделей, розрахованих для 21 мантійного домену в діапазоні глибин від 50 до 2600 км. Процес перетворення моделі швидкості P-хвиль у модель густини включає такі етапи: 1) визначення сейсмічних границь у мантії на основі кривих швидкостей P-хвиль для кожного мантійного домену; 2) створення синтетичної моделі мантії під Українським щитом для кривих швидкостей Р,S-хвиль; 3) вирішення рівняння Адамса-Уільямсона для кожного домену, ураховуючи поліноміальні поправки для врахування неоднорідності; 4) аналіз існуючих моделей шляхом порівняння розрахованого гравітаційного потенціалу та поля, що спостерігається в центральній точці Українського щита в якості еталону для вибору однієї з 5 референтних моделей (ПРЕМ). У нашому дослідженні ми акцентували увагу на останніх етапах конструювання моделі густини мантії: 1) збалансування маси верхньої й нижньої мантії для кожного домену при визначенні густини за допомогою рівняння Адамса-Уільямсона та уведення поліноміальних поправок; 2) розрахунок густин для кожного з 21 мантійних доменів і їх 3D-інтеграція.


Наукова новизна.
Отримана модель густини мантії Українського щита добре відповідає поділу мантії на три основні шари: літосферу, верхню мантію й нижню мантію. Кожен структурний шар мантії має свій патерн представлення в неоднорідностях густини. Аномалії зменшеної густини в літосфері Українського щита корелюють із тепловими аномаліями, тоді як аномалії збільшеної густини відповідають шовним зонам, що їх розділяють.


Практична значимість.
Регіони зі збільшеним градієнтом густини пов’язані з мантійними аномаліями, які в деяких випадках можуть бути межею між різними петрологічними формаціями, та служити каналами для підняття магми до земної кори на певних етапах геологічного розвитку Українського щита, та привносити геохімічні елементи для утворення корисних копалин.


Ключові слова:
Український щит, мантія, рівняння Адамса-Уільямсона, густина, 3-вимірна модель

References.


1. Jeroen, R., & Lekic, V. (2020). Heterogeneity of Seismic Wave Velocity in Earth’s Mantle. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 48, 377-401. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-082119-065909.

2. Pigulevsky, P. I., & Svistun, V. K. (2014). Geological and geophysical model of the Azov megablock of the Ukrainian shield (analysis, modeling, results). Donetsk: Knowledge (Donetsk branch).

3. Kern, H., & Tubia, J. 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. https://doi.org/10.1016/0012-821X(93)90016-3.

4. Shumlianska, L., Dubovenko, Y., & Pigulevskiy, P. (2021). On the possibility of creating a synthetic S-velocity model by recalculating the P-velocity model. Bulletin of Tarasa Shevchenko National University of Kyiv, 4(95), 46-53. https://doi.org/10.17721/1728-2713.95.06.

5. Nathan, A. S., Alessandro, M. F., Lapo, B., & Stephen, P. G. (2010). GyPSuM: A joint tomographic model of mantle density and seismic wave speeds. Journal of Geophysics Research, Solid Earth, 115(B12), B12310. https://doi.org/10.1029/2010JB007631.

6. Shumlianska, L. O., Tripol`sky, О. A., & Tsvetkova, T. О. (2014). Influence of crustal velocity structure on the results of seismic tomography of the Ukrainian Shield. Geophysical Journal, 36(4), 95-117. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v36i4.2014.116030.

7. 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. Journal of Geology, Geography and Geoecology, 29(2), 431-441. https://doi.org/10.15421/112039.

8. Shumlianska, L., & Pigulevskiy, P. (2022). Using polynomial corrections to produce an optimal one-dimensional model of the mantle density. Bulletin of Tarasa Shevchenko National University of Kyiv, 2(97), 51-59. https://doi.org/10.17721/1728-2713.97.07.

9. Data Services Products: EMC-Reference Models (n.d.). Retrieved from https://ds.iris.edu/ds/products/emc-referencemodels/.

10. Svistun, V., & Pigulevskiy, P. (2021). Gravimetric survey and gravimetric database in Ukraine “Dniepr-geophysics” 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. 20 th International Conference Geoinformatics – Theoretical and Applied Aspectshis, 11–13 May, 2021, Kyiv, Ukraine, 1-7. https://doi.org/10.3997/2214-4609.20215521132.

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

12. Zhang, J., & McMechan, A. (1995). Estimation of resolution and covariance for large matrix inversion. Geophysical Journal International, 121, 409-426. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1996.tb01548.x.

13. Kurlov, N. S., Sheremet, E. M., Kozar, N. A., Gurskii, D. S., Gei­chen­ko, M. V., Shcherbak, N. P., …, & Foshchii, N. V. (2011). Kryvyy Rih super-deep well SG-8. Donetsk: Noulidge.

14. Azarov, N. Y., Antsiferov, A. V., Sheremet, E. M., & Glevassky, E. B. (2005). Geological and geoelectric model of the Orihiv-Pavlohrad suture zone of the Ukrainian Shield. Kyiv: Naukova Dumka.

15. Azarov, N. Y., Antsiferov, A. V., Sheremet, E. M., & Glevass­ky, E. B. (2006). Geological and geophysical model of the Krivyy Rih-Kremenchuh suture zone of the Ukrainian Shield. Kiev: Naukova Dumka.

16. Antsiferov, A. V., Sheremet, E. M., Esipchuk, K. E., & Antsife­rov, V. A. (2009). Geological and geophysical model of the Nemirovsko-Kocherovska suture zone of the Ukrainian Shield. Donetsk: Weber.

17. Antsiferov, A. V., Sheremet, E. M., Glevassky, E. B., Kulik, S. N., & Esipchuk, K. E. (2008). Geological and geophysical model of the Holovanev suture zone of the Ukrainian Shield. Donetsk: Weber 32.

18. 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. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v32i2.2010.117553.

19. Baisarovich, M. M., Velikanov, V. Y., Gursky, D. S., Gozhik, P. F., Yatsipchuk, K. Y., …, & Ryabenko, V. A. (2005). Lithosphere of Ukraine. Atlas. Kyiv: UkrDGRI.

20. Gordienko, V., Gordienko, I. V., Zavgorodnyaya, O. V., Kovachi­ko­va, S., Logvinov, I. M., Peck, J., …, & Usenko, O. V. (2006). Dnieper-Donetsk depression (geophysics, depth processes). Kyiv: Korvin Press.

21. Gordienko, V. V., Gordienko, I. V., Zavgorodnyaya, O. V., Kovachikova, S., Logvinov, I. M., Tarasov, V. M., & Usenko, O. V. (2005). Ukrainian Shield (geophysics, deep processes). Кyiv: Corvinus Press.

22. Krasovsky, S. S., Kuprienko, P. Ya., & Krasovsky, A. S. (2001). Power diagrams of the layers of the consolidated crust of the Ukrainian Shield, DVV and Donbass. Theory and practice of geological interpretation of gravitational, magnetic, and electric fields. OIFZ RAS, 52-54.

23. Marchenko, A. N. (2000). Earth’s radial density profiled based on Gauss’ and Roche’s distributions. Bolletino di Geodesia e Scienze Affini, Anno LIX, 3, 201-220.

24. Marchenko, A. N., & Zayats, O. (2011). Estimation of the gravitational potential energy of the earth based on different density models. Studia Geophysica et Geodaetica55(1), 35-54. https://doi.org/10.1007/s11200-011-0003-8.

25. Karato, S. I. (1993). Importance of anelasticity in the interpretation of seismic tomography. Geophysical Research Letters, 20, 1623-1626. https://doi.org/10.1029/93GL0176.

26. 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 and Applied Geophysics, 153, 239-256. https://doi.org/10.1007/s000240050195.

27. Gassmoller, R., Dannberg, J., Bangerth, W., Heister, T., & Myhill, R. (2020). On formulations of compressible mantle convection. Geophysical Journal International, 221, 1264-1280. https://doi.org/10.1093/gji/ggaa078.

28. ASPECT: Advanced Solver for Planetary Evolution, Convection, and Tectonics (n.d.). Retrieved from http://aspect.geodynamics.org.

29. Shcherbak, M. P., Gurskyi, D. S., & Glevasskyi, E. B. (2000). Precambrian geology and magmatism of the Ukrainian shield: collection of science works. Editorial board: Institute of Geochemistry, Mineralogy and Ore Formation of the National Academy of Sciences of Ukraine, Department of Geology and Subsoil Use of the MEPR of Ukraine.

30. Claesson, S., Artemenko, G., Bogdanova, S., & Shumlyanskyy, L. (2019). Archean crustal evolution in the Ukrainian shield. In: Earth’s oldest rocks, second edition. van Kranendonk, M. J., Bennett, V., Hoffmann, E. (Eds.), pp. 837-854. Elsevier.

31. Shumlyanskyy, L., Tsymbal, S., Kusiak, M., Wilde, S. A., Nemchin, A. A., Tarasko, I., Shumlianska, L., & Hofmann, M. (2021). U-Pb age and Hf isotope systematics of zircon from eclogite xenoliths in Devonian kimberlites: Preliminary data on the Archaean roots in the junction zone between the Sarmatian and Fennoscandian segments of the East European Platform. Geosciences, 11, 487. https://doi.org/10.3390/geosciences11120487.

32. Gordienko, V. V., Gordienko, I. V., Zavgorodnyaya, O. V., Logvinov, I. M., & Usenko, O. V. (2004). Geothermal Atlas of Ukraine. Kyiv.

33. Kruglov, S.S., & Gursky, D.S. (2007). Tectonic Map of the Ukraine. Retrieved from https://www.geokniga.org › maps.

34. Starostenko, V., Janik, T., Lysynchuk, D., …, & Tolkunov, A. (2013). Mesozoic (?) lithosphere-scale buckling of the East European Craton in southern Ukraine: DOBRE-4 deep seismic profile. Geophysical Journal International, 195(2), 740-766. https://doi.org/10.1093/gji/ggt292.

 

Наступні статті з поточного розділу:

Відвідувачі

6655714
Сьогодні
За місяць
Всього
9446
159902
6655714

Гостьова книга

Якщо у вас є питання, побажання або пропозиції, ви можете написати їх у нашій «Гостьовій книзі»

Реєстраційні дані

ISSN (print) 2071-2227,
ISSN (online) 2223-2362.
Журнал зареєстровано у Міністерстві юстиції України.
Реєстраційний номер КВ № 17742-6592ПР від 27.04.2011.

Контакти

49005, м. Дніпро, пр. Д. Яворницького, 19, корп. 3, к. 24 а
Тел.: +38 (056) 746 32 79.
e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
Ви тут: Головна