HWE97 3D модель Земли.

(van der Hilst, R.D., Widiyantoro, S., Engdahl, E.R. 1997. Evidence of deep mantle circulation from global tomography, Nature, 386, 578–584, 1997.)

При построении модели использована сейсмическая томография на объемных Р и рР – волнах от землетрясений с уточненными координатами очагов за 1964 – 1995 годы. Отклонения времени, взятые из бюллетеней МСЦ, обращены в скоростные неоднородности в примерно 300 000 постоянных блоках (модель параметризована блоками, размером 20 x 20 х 200 км в радиальном пространстве). Имеются неопределенные области, где покрытие лучами недостаточное. Выявлены длинные, узкие структуры в нижней мантии, которые, по мнению авторов, могут быть продолжением в мантии современных структур конвергенции плит, наблюдаемых на поверхности Земли. Выявляется смена структурного плана при переходе к низам нижней мантии. Структуры субдукционного типа в средней части мантии сменяются длинноволновыми неоднородными областями над границей ядро – мантия. Природа этого перехода авторами не интерпретируется. Авторы считают, что построенная ими мантийная модель дает дополнительные свидетельства конвективным потокам, охватывающим всю мантию.
  
3D модель HWE97: срезы на глубинах 600, 900, 1300, 2000, и 2750 km. Для реконструкции использовано 3500 станций, зарегистрировавших 7.3 млн. Р – фаз и 0.3 млн. рР фаз от 80 тыс. землетрясений (а). Для подавления шума и уменьшения неравномерности в пространственном покрытии данных, данные были сгруппированы по источникам и станциям в "суммарные" лучи. Эта операция уменьшила общее число данных с 7.3 млн. до 0.5 млн. В качестве референтной модели использована модель АК135. Результаты реконструкции представлены на сферических срезах, на глубинах 600км (b), 900 км (c), 1300 км (d), 2000 км (e) и 2750 км (f), а также вдоль мантийного разрез по большому кругу (a). Данные не сглажены. Размер блоков изменяется от 10х10 до 20х20.
Амплитуда аномалий плохо ограничена (большой разброс в значениях). Вычисленные значения могут недооценивать реальные значения по следующим причинам:
- влияние эффекта регуляризации (damping) обращения;
- влияние ошибок в определении местоположения землетрясений. Ошибка в определении гипоцентра может, в принципе, поглотить основной сигнал. На практике, влияние этой неопределенности ограничивается эффективным контролем фокальной глубины с помощью глубинной фазы.
- недоучет кривизны лучей.
Применяемая регуляризация – это комбинация нормирования и градиентного сглаживания. В отсутствии сильных ограничений на данные, которые были получены ранее, группирование отклонений времени относительно референтной модели (которая является относительным нулем) и последующая минимизация различий в амплитудах между соседними блоками позволяет сгладить модель.
Предварительная обработка исходных данных снижает разброс на 15%. Формирование суммарных лучей, снижает разброс данных на ~50%.
Результаты реконструкции Верхней мантии Земли не представлены. Но утверждается, что результаты неплохо согласуются с данными, полученными по поверхностным волнам. А именно: - области с пониженными значениями скорости приурочены к краевым бассейнам и тектонически-активным континентальным регионам. Повышенные скорости характерны для стабильных континентальных кратонов. - Выявляется большое количество высокоскоростных аномалий в переходной зоне Верхней мантии в пределах Тихоокеанского кольца, которые согласуются выводами, полученными при изучении собственных колебаний Земли.
Центрированные относительно Африканского континента схемы скоростных неоднородностей в Mollweide проекции на уровне 1350 км от поверхности Земли. В верхней половине нижней мантии выделена высокоскоростная структура длиной более 10 тыс. километров, шириной 500 – 1000 км, которая протягивается с перерывами под Американским континентом и южной границей Евразии (с, d). Эти структуры коррелируют с аномалиями в моделях, построенных на основе спектральных технологий.
В средней части мантии выделены, но значительно менее надежно из-за недостаточного количества данных, изолированные, изометричные аномалии пониженной скорости. Эти аномалии просматриваются под юго-западной частью Тихого океана (Society island) и под южной и центральной Африкой. С глубины порядка 1700 км от поверхности Земли характер неоднородностей меняется. Линейные структуры превращаются в разрозненные, меньшего размера структуры (е). В нижней части Нижней мантии (от примерно 2300 км и до границы с ядром) вновь преобладают длинноволновые структуры (f), но очертания неоднородных областей коренным образом отличается от крупных линейных аномалий в верхних этажах Нижней мантии (d, f).
На схеме представлены центрированные относительно Африканского континента схемы скоростных неоднородностей в Mollweide проекции на уровне 1350 км от поверхности Земли. Сопоставляются HWE97 модель (а) с Grand моделью (b) рассчитанной по данным о поперечных (прямых и многократно отраженных) волнах. Обе модели выявляют высокоскоростные аномалии в средней части мантии, схожие и по своей конфигурации, и по амплитуде.
Опираясь на согласие двух моделей, авторы приходят к заключению о том, что выделенные линейные аномалии отражают реально существующие в мантии высокоскоростные неоднородные области.
Особый акцент при геологической интерпретации полученных результатов авторы делают на зонах субдукции.
Вертикальный разрез по линии, располагающейся в крест конвергентной границе Центральной Америки от поверхности Земли до границы с ядром. Вертикальный разрез по линии, располагающейся в крест конвергентной границе Центральной Америки от поверхности Земли до границы с ядром. Высокоскоростная аномалия, залегающая наклонно и простирающаяся от Центрально Американского глубоководного желоба до границы с ядром, интерпретируется как литосферная плинта, погрузившаяся в нижнюю мантию в зоне субдукции. Эта аномалия была одной из первых аномалий, интерпретируемых как литосферная плита, погрузившаяся в нижнюю мантию. [Jordan, T.H., Lynn, W.S. 1974.]
Обзор этой и других субдукционных структур приведен в работе [Lay, T. 1994. ]
В работе представляются мантийные разрезы вдоль большого круга до глубины 1300 км (a) и 2750 км (b).
Мантийные разрезы вдоль большого круга до глубины 1300 км (a) и 2750 км (b). В центре кругового вертикального сечения размещается латеральный срез в мантии на соответствующем уровне. На рисунках видны две погружающиеся в мантию зоны повышенных скоростей, соответствующие Эгейской плите (а) и Японской плите (b). Если Эгейская плита погружена в мантию до глубины не более 1500 км, то высокоскоростная область, соответствующая Японской плите прослеживается до границы с ядром Земли.
Все три плиты – Центрально – Американская, Эгейская, Японская, погружаясь в мантию, пересекают переходную 660 – километровую границу, отделяющую Верхнюю мантию от Нижней мантии. По мнению авторов, эти результаты входят в противоречие с представлениями о глобальной стратификации мантии Земли.

Литература.
Jordan, T.H., Lynn, W.S. 1974. A velocity anomaly in the lower mantle. J. Geophys. Res. 79, 2679-2685 (1974)
Lay, T. 1994. The fate of descending slabs. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 22,33-61 (1994).

3D Earth's Models Player