Ylävaipan sähkönjohtavuuden piirteitä Fennoskandian kilvellä

Transkriptio

1 Abstract Ylävaipan sähkönjohtavuuden piirteitä Fennoskandian kilvellä I. Lahti, T. Korja, P. Kaikkonen, K. Vaittinen ja BEAR Working Group Oulun yliopisto, Fysikaalisten tieteiden laitos, Geofysiikan osasto, Long period magnetotelluric (MT) and geomagnetic depth sounding data (GDS) have been acquired on the Fennoscandian Shield under the framework of the Baltic Electromagnetic Array Research (BEAR). The field campaign was carried out in the summer of 1998 when variations of the natural electromagnetic field were recorded simultaneously at 46 MT and 20 GDS stations. The key targets of the project are to investigate the electrical properties of the upper mantle and to determine the depth to the lithosphere asthenosphere boundary in the Fennoscandian craton. The decomposition analysis of the long period (T > 3000 s) MT impedance tensors yields a set of smoothly varying electrical conductivity strike directions. Yet strike angles vary significantly in the scale of the BEAR array and have abrupt regional changes in some areas. The spatial behaviour of strike angles cannot be connected with large scale crustal geological units. Moreover, strong variation of strike azimuths over the BEAR array convincingly shows that the strike angles cannot be associated with present day plate motion or mantle convection, because that would require a consistent strike azimuth over the whole array. Observed long period strike angles indicate mainly upper mantle 2 D and 3 D structures or frozen in anisotropy induced by several Palaeoproterozoic and Archaean events. The dimensionality analysis of the BEAR data shows that in the northeastern part of the array the regional conductivity structure is approximately one dimensional. One dimensional inversion of selected data from the western Lapland Kola Domain reveals a conducting layer in the middle crust. An increase of conductivity is required also at depths greater than 170 km providing a minimum estimate of the lithosphere thickness beneath the target area. Partial melts or dissolved water in olivine are most plausible sources for increased conductivity at such depths. 1. JOHDANTO Magnetotelluurisella luotauksella saadaan tietoa maan kuoren ja ylävaipan sähkönjohtavuusrakenteesta. Fennoskandian kilvellä suoritettiin 1998 laaja magnetotelluurinen verkkomittaus (BEAR = Baltic Electromagnetic Array Research, esim. Korja ja BEAR Working Group, 2000), jonka tarkoituksena on selvittää litosfäärin syvien osien sähkönjohtavuusrakennetta (Kuva 1). Mittaamalla homogeenisen sähkömagneettisen kentän horisontaalikomponentit maan pinnalla saadaan kvasistaattisessa tilanteessa komponenttien välille seuraavat taajuustason lineaariset yhteydet (Vozoff, 1991). 111

2 E ( ) Z x y xx E ( ) Z yx ( ) H x ( ) H ( ) Z x ( ) Z xy yy ( ) H y ( ), (1) ( ) H ( ) y missä esim. Z xx on kompleksinen siirtofunktio (impedanssi) mitatun E x :n ja H x :n välillä. Impedanssin arvo riippuu luotauspisteen alla olevasta sähkönjohtavuusrakenteesta mikäli indusoiva primäärikenttä on tasoaalto. Usein siirtofunktio ilmaistaan näennäisen ominaisvastuksen ja vaihekulman avulla, jotka ovat fysikaaliselta kannalta helpommin tulkittavissa olevia suureita. Kuva 1. BEAR verkko ja kuoren päälohkot Fennoskandian kilvellä. Kuoren lohkojen rajat ovat Gorbatschev ja Bogdanovan (1993) mukaan. Lyhenne TESZ on Trans European Suture Zone. 2. GEOSÄHKÖINEN SUUNTAUS JA SEN GEOLOGIS TEKTONINEN MERKITYS Kuvassa 2 on esitetty aineistosta laskettu ylävaipan geosähköinen suuntautuneisuus. Kuvan viivat on skaalattu impedanssin vaiheen arvoilla ja maksimivaiheen suunta on merkitty paksulla viivalla. Bahr ja Simpson (2002) tulkitsivat verkon keskiosan stabiilin N50 E suuntautuneisuuden ylävaipan oliviinin anisotropiaksi litosfäärin alapuolella n. 180 km syvyydellä. Heidän mukaansa anisotropia kuvaa joko litosfäärin alapuolen tämänhetkistä konvektiota tai viivästyneesti (viive > 10 7 vuotta) ylävaipan virtausta ennemmin kuin laatan nykyistä liikesuuntaa. Tämä tulos perustuu aikaisempiin seismisiin tulkintoihin litosfäärin paksuudesta (Suhadolc et al., 1990). 112

3 Kuva 2. Ylävaipan geosähköinen suuntaus Fennoskandian kilvellä periodilla 3444 s (Lahti et al., 2005). Periodi vastaa tutkimussyvyyttä km. Aineiston analysointi (Lahti et al., 2005) osoittaa että ylävaipan geosähköinen suuntautuneisuus/anisotropia vaihtelee paljon koko verkon alueella, joten havainnot eivät heijasta nykyistä tai viivästyneesti litosfäärilaatan liikettä tai ylävaipan virtausta. Me tulkitsemme tuloksen kuvaavan joko ylävaipan laajempaa kolmiulotteista makroskooppista rakennetta ja/tai ylävaipan mikro anisotropiaa, joka on syntynyt arkeeisella ja proterotsooisella ajalla. 3. YLÄVAIPAN SÄHKÖNJOHTAVUUSRAKENNE POHJOIS SUOMESSA JA MAHDOLLISET JOHTAVUUSMEKANISMIT Luotauspisteellä B42 impedanssin vaiheet osoittautuivat samansuuruisiksi kaikissa mittaussuunnissa lähes kaikilla mittausperiodeilla. Tämä tilanne syntyy kun sähkönjohtavuusrakenne on yksiulotteinen ja isotrooppinen (kerroksellinen). Kuvassa 3 on esitetty kaksi kerrosmallia. Vasemmalla oleva pehmeä malli on saatu ns. Occam inversiosta ja oikealla oleva viisikerrosmalli käyttämällä SVD hajotelmaan perustuvaa linearisoitua inversiota (Pirttijärvi, 2003). Kerrosmallien pääpiirteet ovat: (i) Johtava kerros, jonka ominaisvastus on 50 m ja paksuus 14 km (konduktanssi ~ 280 S) havaitaan kuoren 113

4 keskiosissa. Kerroksen ylä ja alapinnan syvyydet ovat 20 km ja 34 km. (ii) Paksu ( 132 km) ja eristävä ylävaipan kerros ja (iii) sähkönjohtavuuden kasvu havaitaan syvyydellä 170 km. Ylävaipan mahdollisia johteita ovat grafiitti, osittain sula kiviaines tai kuivaan oliviiniin liuennut vety. Kuvassa 4 on esitetty lasketut sähkönjohtavuuden kerrosmallit sekä grafiittitimanttifaasin muutos, laboratoriossa määritetty kuivan oliviinin ominaisvastus sekä Fennoskandian kilvelle määritettyjä geotermejä. Kuvan 4 mukaan ylävaipan johdekerros havaitaan syvyyksillä, joilla grafiitti on muuttunut timantiksi, joka ei ole hyvin sähköä johtavaa materiaalia. Toisaalta viimeaikaiset seismiset (Sandoval et al., 2004) ja lämpövuotutkimukset (Kukkonen ja Peltonen, 1999) eivät tue osittain sulan materiaalin olemassaoloa Fennoskandian keskiosien alueella. Todennäköisimmäksi vaihtoehdoksi jää vesi (oliviiniin liuennut vety H + ). Havaitut ylävaipan ominaisvastuksen arvot syvyydellä 170 km edellyttäisivät että yli 1000 ppm vetyä olisi liuennut kuivaan oliviiniin (Karato, 1990). LÄHTEET Bahr, K. and Simpson, F., Electrical anisotropy below slow and fast moving plates: Paleoflow in the upper mantle? Science, 295, Gorbatschev, R. and Bogdanova, S., Frontiers in the Baltic Shield. Precambrian Res., 64, Kaikkonen, P., Moisio, K. and Heeremans, M., Thermomechanical lithospheric structure of the central Fennoscandian Shield. Phys. Earth planet. Inter, 119, Karato, S., The role of hydrogen in the electrical conductivity of the upper mantle. Nature, 347, Kennedy, C.S. and Kennedy, G.C., The equilibrium boundary between graphite and diamond. J. Geophys. Res., 81, Korja, T. and the BEAR Working Group, The structure of the crust and upper mantle in Fennoscandia as imaged by electromagnetic waves. Pp in L. Pesonen, A. Korja and S. E. Hjelt (Eds.) Lithosphere Program and extend abstracts. Institute of Seismology, University of Helsinki, Helsinki, Finland, Report S 41, 179 pp. Kukkonen, I. and Peltonen, P., Xenolith controlled geotherm for the central Fennoscandian Shield : implications for lithosphere astenosphere relations. Tectonophysics, 304, Lahti, I., Korja, T., Kaikkonen, P., Vaittinen, K. and BEAR Working Group, Decomposition analysis of the BEAR magnetotelluric data: Implications for the upper mantle conductivity in the Fennoscandian Shield. Geophys. J. Int. (accepted). Pirttijärvi, M., Numerical modelling and inversion of geophysical electromagnetic measurements using a thin plate model. Ph.D. thesis. Acta Univ. Oul., A403. Sandoval. S., Kissling, E., Ansorge, J. and the SVEKALAPKO seismic tomography working group, High resolution body wave tomography beneath the SVEKALAKO array II. Anomalous upper mantle structure beneath the central Baltic Shield. Geophys. J. Int., 157, Suhadolc, P., Panza, G.F. and Mueller, S., Physical properties of the lithosphereasthenosphere system in Europe, Tectonophysics, 176, Vozoff, K., The magnetotelluric method. In: Electromagnetic methods in applied geophysics. Nabighian, M.N. (ed). Volume 2. Part B. Society of Exploration Geophysicists, Xu, Y., Shankland, T.J., Duba, A.G., Pressure effect on electrical conductivity of mantle olivine. Phys. Earth planet. Inter., 118,

5 Kuva 3. Yksiulotteiset kerrosmallit luotauspisteen B42 alapuolelta (Lahti et al., 2005). Vasemmalla on esitetty pehmeä malli ja oikealla viisikerrosmalli 95% luottamusrajojen kanssa samasta aineistosta. Kuvan alaosassa on esitetty mittausaineiston mallin tuottaman aineiston sopivuus. RMS sovitusvirheet ovat ja pehmeälle ja viisikerrosmallille. 115

6 Kuva 4. Lasketut kerrosmallit ja mahdolliset sähkönjohtavuusmekanismit ylävaipassa (Lahti et al., 2005). Grafiitti timantti muutosvyöhyke on julkaisusta Kennedy ja Kennedy (1976). Laboratoriossa määritetyt kuivan oliviinin ominaisvastuksen arvot ylävaipassa ovat Xu et al. (2000) mukaan. Kuvassa on esitetty kuivan oliviinin ominaisvastus jos oletettu lämpötila vaihtelee 100 C. Geotermi 1 (Kaikkonen et al., 2000) on laskettu yksiulotteisesta geotermimallista luotauspisteen B42 lähettyville. Geotermi 2 (Kukkonen ja Peltonen, 1999) on laskettu kaksiulotteisesta mallista itäiselle Fennoskandian kilvelle (Keski Suomen alue). 116