Elastic-anisotropic properties of the upper mantle high-pressure xenoliths, the Spitsbergen island

Наиболее информативным методом исследования мантии и ядра Земли является сейсмический метод, основанный на регистрации скорости продольных и поперечных волн, распространяющихся при землетрясениях или возбуждаемых искусственным путем. Также о петрофизических свойствах пород, слагающих верхнюю мантию, можно получить сведения по изверженным материалам вулканов. Вулкан Сверрефьеллет (рис. 1) о. Шпицберген расположен непосредственно на берегу Боккфьорда и легко доступен для изучения со стороны моря. Шлаково-пирокластический материал и вулканические бомбы встречаются в современных пляжевых отложениях напротив вулкана и в конусе выноса ручья Вулканбекке. Основание вулканического конуса простирается в длину на расстояние около 3 км и в ширину на 2.5 км. Угол склона до вулканического рельефа составляет от 7 до 10° на северо-восток. Соответственно, основание вулкана вытянуто в северо-восточном направлении.

Первые исследования вулканов Шпицбергена были проведены А. Хулем и О. Холтедалем [7]. Была собрана весьма представительная коллекция образцов базальтов и глубинных включений в них.

В 1911 г. В. Гольдшмидтом был про веден химический и минералогический анализ лав Сверрефьеллет из этой коллекции. В 1963 г. Т. Гьелсвик описал структурное положение и состав вулканических пород, слагающих Сверрефьеллет. По данным этого анализа, отложения вулкана Сверрефьеллет содержат материал, который вынесен из верхней мантии.

В настоящее время в научной литературе содержится сравнительно мало данных о физических свойствах пород верхней мантии. Поэтому нами были исследованы образцы лав: шпинелевых перидотитов, пироксеновых оливинитов и др. с целью определения их упруго-анизотропных свойств.

Характеристика образцов

Нами проведено исследование 8 глубинных ксенолитов с о. Шпицберген и определен их минеральный состав (табл. 1). Фотографии шлифов пород представлены на рис. 2. Структура пород шпинелевых оливинитов и шпинелевых перидотитов, в основном, гипидиоморфнозернистая с массивной текстурой. В минеральном составе отобранных образцов преобладает оливин (Ol) (52—97 %) и ортопироксен (Opx) (4— 40 %).

Методика

На первом этапе методом Архимеда измерили объемную плотность образцов (табл. 2). Определения проводились на образцах в форме куба с гранями 25—31 мм. Маркировка осей куба в трех взаимно перпендикулярных плоскостях обозначена как 1-1’, 2-2’ и 3-3’ (рис. 3). Для определения упругоанизотропных свойств глубинных ксенолитов использовался акустополяризационный метод [4]. Он позволяет установить наличие и степень анизотропии пород, определить пространственную ориентировку и число элементов симметрии, а также величины скорости распространения колебаний в выделенных и иных направлениях, константы упругости и тип симметрии.

При измерениях образец помещали на поворотную платформу акустополярископа между излучателем и приемником поперечных линейно поляризованных колебаний [1]. Измерения амплитуды проходящих колебаний проводили через 1° в пределах полного угла поворота 360° [8]. Согласно методике, на первом этапе измерения выполняются при параллельных векторах поляризации (положение ВП) излучателя и приемника.

На втором этапе векторы поляризации преобразователей устанавливаются под прямым углом (положение ВС). Результатом определений являются акустополяриграммы ВП и ВС — круговые диаграммы изменения амплитуды огибающей импульса в пределах полного угла поворота поворотной платформы. По акустополяриграммам ВП определяется наличие и степень проявления эффекта линейной акустической анизотропии поглощения (ЛААП) D , рассчитываемого по формуле:

Рис. 1. План вулканической постройки Сверрефьеллет [7]

Fig. 1. Plan of volcanic buildup Sverrefellet [7]

A - A

D = A d A sd    ,     (1)

Ald + Asd где Ald — наибольший, Asd, — наименьший диаметры акустополя -риграммы ВП.

Акустополяриграммы, полу ченные в положении ВС, позволя ют определить число и направленность проекций элементов упругой симметрии анизотропного образца, выявить наличие явления деполяризации сдвиговых волн (ДСВ) [5]. По полученным акустополяриграммам выявлялась ориентировка элементов симметрии (рис. 4).

Следующим шагом было определение скоростей распространения продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн путем прозвучивания образцов в направлениях, ориентированных вдоль осей и плоскостей симме трии, выявленных при акустополя-рископии. Измерения проводились при помощи ультразвукового прибора УД2-12.

Значения скорости распространения продольных и поперечных колебаний представлены в форме ква зиматрицы скоростей Vj, табл. 2 [4]:

Гц ^12 Гц ^21 ^22 ^23 ’ (2) ^31 ^32 ^33 где Vi — скорость распространения продольных колебаний, измеренная в направлении i-i’, Vy — скорость распространения сдвиговых колебаний, измеренная в направлении i-i’ при ориентировке вектора поляризации излучателя в направлении i-j.

Коэффициент анизотропии по продольным волнам А р (табл. 2) рассчитан как среднее квадратичное отклонение величин V ii в квазиматрице (1) [4]:

ар =^^и7+<и7+<и/, (3) ’ср где Vcp = (V11 + V,2 + V33)/3 — средняя скорость распространения продольных волн в образце.

Величины показателя упругой анизотропии В (табл. 2) определены по величинам в квазиматрице (2) и следующих формул:

Рис. 2. Фото шлифов образцов: а — si-2161-7-9; b — si-2162-2; c — sv-1; d — sv-32; e — sv-35; f — sv-66; g — sv-2166-23; h — sv-2166-26

Fig. 2. Photos of thin sections of samples: a) — si-2161-7-9; b) — si-2162-2; c) — sv-1; d) — sv-32; e) — sv-35; f) — sv-66; g) — sv-2166-23; h) — sv-2166-26

В_$-\в_х^В_г , ₍₄)

где

в =Ж12-и13)

1    ^12+^13  ’

„  Ж21-П23)

D^ =------------- ,

K21 +K23

_{в =} ж₃₁-г₃₂)

^31 +^32

коэффициенты двулучепреломления по граням 1 , 2 и 3.

Описание результатов

Согласно полученным результатам, плотность образцов варьируется в пределах 2.94—3.15 г/см³. Практически на всех акустополя-риграммах ВС определяются минимумы амплитуд проходящих колебаний, что указывает на наличие элементов симметрии в строении образцов. В большинстве образцов проявляется эффект линейной акустической анизотропии поглощения (ЛААП), определяемый по характерной сплющенной форме диаграмм ВП. Его проявление наиболее выражено в образцах: si-2161-7-9, грань 3; si-2162-2, грани 1, 2, 3; sv-1, грани 1, 2; sv-35, грань 3; sv-66, грань 1; sv-2166-23, грань 2; sv-216626, грань 2.

Это обусловлено наличием плоскостей спайности минералов оливина и ортопироксена, их преимущественной ориентировкой. На некоторых диаграммах выявляется эффект деполяризации сдвиговых волн (ДСВ). В наибольшей степени он

Минеральный состав и структура ксенолитов о. Шпицберген (по Н. Е. Козловой)

Mineral composition and structure of xenoliths Spitzbergen island (N.E Kozlova)

T а б ё w ц a 1

T a b l e 1

Номер образца Наименование породы Минеральный состав матрицы Структура Текстура si-2161-7-9 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) O1-60, Opx-32, Cpx-1, Sp-5, Carb-2 (по трещ.) гипидиоморфнозернистая массивная si-2162-2 Шпинельсодержащий пироксеновый оливинит 01-91, Opx-4, Sp-3, Carb-2 панидиоморфнозернистая массивная sv-1 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 01-67, Opx-30, Sp-3 гипидиоморфнозернистая массивная sv-32 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 01-52, Opx-40, Sp-3, Serp-3, Carb-2 гипидиоморфнозернистая массивная sv-35 Шпинельсодержащий пироксеновый оливинит O1-87, Opx-10, Sp-3 панидиоморфнозернистая массивная sv-66 Шпинелевый пироксеновый оливинит O1-74, Opx-20, Sp-6 гипидиоморфнозернистая массивная sv-2166-23 Оливинит O1-97, Carb-3 (по трещ) панидиоморфнозернистая массивная sv-2166-26 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) O1-60, Opx-35, Cpx-1, Sp-4 гипидиоморфнозернистая слабополосчатая заметен в образце sv-32 (все три грани), в меньшей — в образцах sv-1, грань 3; sv-66, грань 2. Данный эффект характеризуется аномально увеличенными диаграммами ВС. Впервые этот эффект был выявлен на образцах Кольской сверхглубокой скважины [4]. Проявление эффекта ДСВ можно объяснить разориенти-ровкой кристаллоакустических осей оливина и пироксена в широком диапазоне углов.

Рис. 3. Кубический образец с маркировкой его осей приемника колебаний (положение ВП)

Fig. 3. Cubic sample with axes of fluctuation receiver (parallel vectors)

Изломанные очертания акус-тополяриграмм ВП образцов sv-1, sv-32, sv-66 и др. свидетельствуют о значительном влиянии неоднородностей в минеральной структуре. Неоднородности минеральной структуры, формы зерен минералов, их размеры видны на фото шлифов образцов. Следует отметить, что по акустополяриграммам выявляются характерные особенности породных образцов, которые позволяют отличить их друг от друга. В то же время фото шлифов не позволяют с достоверностью отделить одну породу от другой.

Средние значения скоростных характеристик, полученные в ходе проведения измерений, составляют V P = 4.92 км/с по продольным и V S = 3.24 км/с по поперечным волнам. Следует заметить, что исследованные образцы состоят в основном из оливина и в меньшей степени из ортопироксена (табл. 1). По данным [2], средние скорости в оливине составляют V P = 8.40 км/с и V _S = 5.16 км/с, в ортопироксене — V P = 7.21 км/с и V S = 3.99 км/с. Такая большая разница между величинами скоростей в породе и в минералах обусловлена развитой микротрещиноватостью образцов, долгое время подвергавшихся процессам выветривания.

Рассчитанные по данным ма триц скоростей показатели упругой анизотропии изменяются в высоких пределах: AP = 6.3—41 %, ВS = 3.8— 24 % (табл. 2). Это позволяет сделать заключение о достаточно высокой степени анизотропии образцов.

Проведенные ранее исследования показали, что породы, вынесенные на поверхность с больших глубин, кроме процессов выветривания испытывают так называемый эффект разуплотнения с образованием разгрузочных микротрещин [6]. Чтобы компенсировать данный эффект и приблизить величины скорости к тем значениям, которыми порода обладала на глубине образования, мы рассчитали значения этих скоростей по минеральному составу. Расчеты выполнены по формуле [2]:

lnV_k =

S ln VP

£ P i

где V_t — средняя скорость волн в минерале, P i — доля минерала в породе. Получаемые величины скоростей довольно близки к тем, которые наблюдаются при глубинных РТ-условиях [3].

В таблице 3 приведены рассчитанные ( р _C ) и экспериментально измеренные ( p _R) значения плотности. Значения плотности, рассчитанные по минеральному составу, ва-

Упругие и неупругие характеристики образцов ксенолитов о. Шпицберген

Elastic and non-elastic characteristics of xenoliths Spitzbergenisland

T а б л и ц a 2

T a b l e 2

Номер образца Наименование породы Плотность Р, г/см3 Квазиматрица скоростей Vjj, км/с Коэффициент анизотропии AP, % Показатель анизотропии BS, % si-2161-7-9 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 3.15 5.61 3.68 3.62 3.55 6.10 3.43 3.07 3.15 3.37 41 5 si-2162-2 Шпинельсодержащий пироксеновый оливинит 2.97 4.89 3.31 3.00 3.28 5.34 3.26 3.56 3.57 6.20 17 10 sv-1 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 3.06 4.38 2.85 2.79 2.45 3.81 2.39 2.78 2.87 2.66 34 5 sv-32 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 3.03 2.94 2.72 2.79 2.88 4.54 2.94 2.79 2.93 4.62 33 6 sv-35 Шпинельсодержащий пироксеновый оливинит 2.94 5.94 3.65 3.71 3.70 6.17 3.76 3.37 3.47 5.63 6.5 4 sv-66 Шпинелевый пироксеновый оливинит 3.08 6.96 3.53 4.43 3.11 6.56 3.39 2.96 2.93 7.17 6 24 sv-2166-23 Оливинит 3.04 5.26 3.31 3.28 3.46 5.77 3.51 3.14 2.62 5.13 9 18 sv-2166-26 Шпинелевый перидотит (гарцбургит) 3.09 5.46 2.94 2.88 3.35 5.42 3.61 3.74 3.82 5.93 7 8 рьируются в пределах: pC = 3.23— 3.30 г/см3, pR = 2.94—3.15 г/см3. Скорости продольных и поперечных волн, рассчитанные по минеральному составу изменяются в пределах VPC = 7.92—8.36 км/с и VSC = 4.67—5.04 км/с соответственно. Измеренные экспериментально скорости: VPR = 3.62—6.90 км/с и VSR = = 2.69—3.61 км/с (табл. 3). Перечисленные параметры вычислены как средние величин скорости продольных волн (см. формулу (3). Средние скорости поперечных волн вычисляли по формуле: VSR = (Vl2 + Vl3 + V21 +

+ V ₂₃+ V 31+ V ₃₂)/6, используя данные квазиматриц V j. Вычисленные коэффициенты К _р = ( V _PC — V _PR)/ V _PC, К _S = = ( V _SC — V _SR)/ V _SC позволяют оценить, насколько микротрещиноватость снижает скорости продольных и поперечных волн соответственно в образцах, отобранных с земной поверхности.

Заключение

Оливинитовые и ортопироксеновые ксенолиты представляют породы верхней мантии. Они должны отличаться от пород, составляющих земную кору, более высокими значениями плотности и скорости распространения волн. Средние расчетные величины плотности (pC = 3.28 г/см3), скорости распространения продольных (VPC = 8.2 км/с) и поперечных (VSC = 4.92 км/с) волн подтверждают данный вывод. Для образцов пород, отобранных с поверхности, диапазон изменений этих величин гораздо шире. Экспериментальные значения плотности в среднем ниже расчетных на 7.1 %. Экспериментальные скорости продольных волн ниже расчетных на 36.1 %, поперечных —

Рис. 4. Примеры акустополяриграмм образцов ксенолитов с преимущественным содержанием оливина и ортопироксена. Синяя линия — векторы поляризации параллельны (ВП), красная — скрещены (ВС)

Fig. 4. Examples of acustopolarigrams of xenoliths with predominant olivine and orthopyroxene. Blue line — polarization vectors are parallel, red line — crossed

Расчетные и измеренные параметры образцов ксенолитов (о. Шпицберген)

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Calculated and measured parameters of xenoliths (Spitzbergenisland)

Номер образца Рс(с), г/см3 Р r(R), г/см3 VPC, км/с VSC, км/с Vpr, км/с Vsr, км/с К„ % ÊS, % Р, % si-2161-7-9 3.29 3.15 8.09 4.81 5.02 3.42 38 29 4 si-2162-2 3.26 2.97 8.25 5.04 5.47 3.33 34 34 9 sv-1 3.30 3.06 8.25 4.91 3.62 2.69 56 45 7 sv-32 3.26 3.03 7.92 4.67 4.03 2.84 49 39 7 sv-35 3.30 2.94 8.36 5.04 5.91 3.61 29 28 11 sv-66 3.30 3.08 8.32 5.00 6.90 3.39 17 32 7 sv-2166-23 3.23 3.04 8.17 5.03 5.38 3.22 34 36 6 sv-2166-26 3.29 3.09 8.21 4.87 5.60 3.39 32 30 6 Среднее 3.28 3.05 8.20 4.92 5.24 3.24 36.1 34.1 7.1 на 34.1 %. Такая разница между экспериментальными и расчетными показателями объясняется тем, что вынесенные на поверхность с больших глубин породы кроме процессов выветривания испытывают так называемый эффект разуплотнения с образованием разгрузочных микро -трещин. Образцы показали достаточно высокую степень упругой ани- зотропии с проявлением эффектов линейной акустической анизотропии поглощения и деполяризации сдвиговых волн. Полученные данные, по нашему мнению, будут полезны при интерпретации результатов глубинной сейсморазведки.