gtcrustГеодинамика и тектонофизикаGeodynamics & Tectonophysics2078-502XInstitute of the Earth's crust of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch10.5800/GT-2022-13-1-0569gtcrust-1421Research ArticleСОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКАRECENT GEODYNAMICSНЕОДНОРОДНОЕ СТРОЕНИЕ ЛИТОСФЕРЫ ФЕННОСКАНДИНАВСКОГО ЩИТА ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ ДАННЫМHETEROGENEOUS LITHOSPHERIC STRUCTURE OF THE FENNOSCANDIAN SHIELD: SEISMIC DATAШаровН. В.SharovN. V.

185910, Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11

Nikolay V. Sharov

11 Pushkinskaya St, Petrozavodsk 185910

sharov@krc.karelia.ruЛебедевА. А.LebedevA. A.

185910, Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11

11 Pushkinskaya St, Petrozavodsk 185910

Институт геологии КарНЦ РАНРоссияInstitute of Geology of the Karelian Research Center, Russian Academy of SciencesRussian Federation202222032022131569569Copyright © Шаров Н.В., Лебедев А.А., 20222022Шаров Н.В., Лебедев А.А.Sharov N.V., Lebedev A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gt-crust.ru/jour/article/view/1421

По совокупности данных глубинных сейсмических исследований на длинных профилях ГСЗ (сейсмология взрывов), с привлечением материалов сейсмологии местных и удаленных землетрясений (сейсмология землетрясений), накопленных на территории Фенноскандинавского щита за последние сорок лет, сделаны обобщающие построения. Они позволили получить количественные сведения о горизонтальных и вертикальных неоднородностях литосферы. Впервые построены объемные сейсмологические модели для отдельных частей Фенноскандинавского щита, которые показывают, что структура кристаллической коры приобретает блочно-иерархическое фрактальное строение, внутри нее не обнаружено выдержанных сейсмических границ в пределах всего щита. В верхней части коры локально развиты как волноводы, так и высокоскоростные зоны, коррелирующиеся с геологическими телами. Отмечено несоответствие структурных планов изолиний скорости разных глубинных срезов. Доказано, что основные геотектонические провинции отличаются мощностью коры, а вулканогенные раннепротерозойские пояса характеризуются повышенной скоростью и мощностью земной коры. В верхней мантии Фенноскандинавского щита выделены слои с аномально высокой скоростью. Не обнаружен мощный волновод, с которым иногда связывают понятие литосферы.

A generalization has been obtained based on the data for deep seismic studies on longitudinal DSS profiles (explosion seismology) and seismological evidence found for local and distant earthquakes (earthquake seismology) in the Fennoscandian Shield over the past 40 years. This provided an opportunity to obtaine quantitative data on the horizontal and vertical heterogeneities of the lithosphere. 3D seismological models were first constructed for the individual parts of the Fennoscandian Shield which show that the crystalline crust structure acquires a block hierarchy pattern, with no persistent seismic boundaries found within the entire shield. The upper crust is characterized by the local occurrence of both waveguides and high-velocity zones correlated with geological bodies. The structural plans of the velocity isolines of various deep sections were found to be inconsistent. It has been proved that major geotectonic provinces have a thick crust and that the Early Proterozoic volcanogenic belts are characterized by elevated velocities and a large crustal thickness. In the upper mantle of the Fennoscandian Shield there were identified the layers with anomalously high velocities. No robust evidence was found for a waveguide, which is sometimes related to the concept of the lithosphere.

Фенноскандинавский щитземная кораверхняя мантиясейсмическая модельграница Мохоровичичасверхглубокое бурениедокембрийский щитFennoscandian ShieldEarth’s crustupper mantleseismic modelM-discontinuitysuperdeep drillingPrecambrian shieldРабота выполнена в рамках государственного задания ИГ КарНЦ РАН по теме НИР AAAAA18-118020290086-1, частично профинансирована РФФИ в рамках научного проекта № 19-05-00481 «Строение и динамика литосферы Беломорья».The study was carried out as part of a state assignment of IG KarRC, RAS, under Project AAAA-A18-118020290086-1, and partly funded by the RFBR under Research Project 19-05-00481 "Lithospheric structure and dynamics of the White Sea Region".ReferencesBabel Working Group, 1993. Deep Seismic Reflection/Refraction Interpretation of Crustal Structure along Babel Profiles A and B in the Southern Baltic Sea. Geophysical Journal International 112 (3), 325–343. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1993.tb01173.x.Babel Working Group, 1993. Deep Seismic Reflection/Refraction Interpretation of Crustal Structure along Babel Profiles A and B in the Southern Baltic Sea. Geophysical Journal International 112 (3), 325–343. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1993.tb01173.x.Bank O.J., Bostock M.G., Ellis R.M., 1998. Lithospheric Mantle Structure beneath the Trans-Hudson Orogen and the Origin of Diamondiferous Kimberlites. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 103 (B5), 10103–10114. https://doi.org/10.1029/97JB03746.Bank O.J., Bostock M.G., Ellis R.M., 1998. Lithospheric Mantle Structure beneath the Trans-Hudson Orogen and the Origin of Diamondiferous Kimberlites. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 103 (B5), 10103–10114. https://doi.org/10.1029/97JB03746.Егоркин А.В. Строение верхней мантии под Далдыно-Алтайским кимберлитовым полем по сейсмограммам ядерных взрывов // Геология рудных месторождений. 2001. Т. 43. № 1. С. 24–37.Egorkin A.V., 2001. The Structure of the Upper Mantle under the Daldyn-Altai Kimberlite Field According to Seismograms of Nuclear Explosions. Geology of Ore Deposits 43 (1), 24–37 (in Russian)EUGENO-S Working Group, 1988. Crustal Structure and Tectonic Evolution of Transition between the Baltic Shield and the North Germen Caledonides (the EUGENO-S Project). Tectonophysics 150 (3), 253–348. https://doi.org/10.1016/0040-1951(88)90073-X.EUGENO-S Working Group, 1988. Crustal Structure and Tectonic Evolution of Transition between the Baltic Shield and the North Germen Caledonides (the EUGENO-S Project). Tectonophysics 150 (3), 253–348. https://doi.org/10.1016/0040-1951(88)90073-X.Gaal G., Gorbaschev R., 1987. An Outline of the Precambrian Evolution of the Baltic Shield. Precambrian Research 35, 15–52. https://doi.org/10.1016/0301-9268(87)90044-1.Gaal G., Gorbaschev R., 1987. An Outline of the Precambrian Evolution of the Baltic Shield. Precambrian Research 35, 15–52. https://doi.org/10.1016/0301-9268(87)90044-1.Гейко В. С. Общая теория сейсмической томографии времен пробега // Геофизический журнал. 2004. Т. 26. № 2. С. 3–32.Geyko V.S., 2004. A General Theory of the Seismic Travel–Time Tomography Geophysical Journal 26 (2), 3–32 (in Russian)Глебовицкий В.А. Тектоника и региональный метаморфизм раннего протерозоя в восточной части щита // Региональная геология и металлогения. 1993. № 1. С. 7–24.Glebovitsky V.A., 1993. Tectonics and Regional Metamorphism of the Early Proterozoic in the Eastern Part of the Shield. Regional Geology and Metallogeny 1, 7–24 (in Russian)Grad M., Luosto U., 1993. Seismic Models of the Crust of the Baltic Shield along the SVEKA Profile in Finland. Acta Geophysica Polonica 41, 177–195.Grad M., Luosto U., 1993. Seismic Models of the Crust of the Baltic Shield along the SVEKA Profile in Finland. Acta Geophysica Polonica 41, 177–195.Guggisberg B., Kaminski W., Prodehl C., 1991. Crustal Structure of the Fennoscandian Shield: A Traveltime Interpretation of the Long-Range FENNOLORA Seismic Refraction Profile. Tectonophysics 195 (2–4), 105–137. https://doi.org/10.1016/0040-1951(91)90208-A.Guggisberg B., Kaminski W., Prodehl C., 1991. Crustal Structure of the Fennoscandian Shield: A Traveltime Interpretation of the Long-Range FENNOLORA Seismic Refraction Profile. Tectonophysics 195 (2–4), 105–137. https://doi.org/10.1016/0040-1951(91)90208-A.Хаин В.Е. Эволюция геологических обстановок в истории Земли // Эволюция геологических процессов в истории Земли: Труды совещания, проведенного в Москве 23–24 апреля 1991 года / Ред. Н.П. Лаверов. М.: Наука, 1993. С. 29–38.Khain V.E., 1993. Evolution of Geological Settings in the History of the Earth. In: N.P. Laverov (Ed.), Evolution of Geological Processes in the History of the Earth. Proceedings of the April 23–24, 1991 Moscow Conference. Nauka, Moscow, p. 29–37 (in Russian)Koistinen T., Stephens M.B., Bogatchev V., Nordgulen O., Wennerström M., Korhonen J., 2001. Geological Map of the Fennoscandian Shield. Scale 1:2000000. Geological Surveys of Finland, Norway and Sweden and the North-West Department of Natural Resources of Russia.Koistinen T., Stephens M.B., Bogatchev V., Nordgulen O., Wennerström M., Korhonen J., 2001. Geological Map of the Fennoscandian Shield. Scale 1:2000000. Geological Surveys of Finland, Norway and Sweden and the North-West Department of Natural Resources of Russia.Korhonen J.V., Aaro S., All T., Elo S., Haller L.Ä., Kääriäinen J., Kulinich A., Skilbrei J.R., Solheim D., Säävuori H., Vaher R., Zhdanova L., Koistinen T., 2002а. Bouguer Anomaly Map of the Fennoscandian Shield 1:2000000. Geological Surveys of Finland, Norway and Sweden and Ministry of Natural Resources of Russian Federation.Korhonen J.V., Aaro S., All T., Elo S., Haller L.Ä., Kääriäinen J., Kulinich A., Skilbrei J.R., Solheim D., Säävuori H., Vaher R., Zhdanova L., Koistinen T., 2002а. Bouguer Anomaly Map of the Fennoscandian Shield 1:2000000. Geological Surveys of Finland, Norway and Sweden and Ministry of Natural Resources of Russian Federation.Korhonen J.V., Aaro S., All T., Nevanlinnce H., Skilbrei J.R., Säävuori H., Vaher R., Zhdanova L., Koistinen T., 2002b. Magnetic Anomaly Map of the Fennoscandian Shield. Scale 1:2000000. Geological Surveys of Finland, Norway and Sweden and Ministry of Natural Resources of Russian Federation.Korhonen J.V., Aaro S., All T., Nevanlinnce H., Skilbrei J.R., Säävuori H., Vaher R., Zhdanova L., Koistinen T., 2002b. Magnetic Anomaly Map of the Fennoscandian Shield. Scale 1:2000000. Geological Surveys of Finland, Norway and Sweden and Ministry of Natural Resources of Russian Federation.Luosto U., Flueh E.R., Lund C.-E., Working Group, 1989. The Crustal Structure along the POLAR Profile from Seismic Refraction Investigations. Tectonophysics 162 (1–2), 51–85. https://doi.org/10.1016/0040-1951(89)90356-9.Luosto U., Flueh E.R., Lund C.-E., Working Group, 1989. The Crustal Structure along the POLAR Profile from Seismic Refraction Investigations. Tectonophysics 162 (1–2), 51–85. https://doi.org/10.1016/0040-1951(89)90356-9.Сейсмологическая модель литосферы Северной Европы: Баренцевский регион / Ред. Ф.П. Митрофанов, Н.В. Шаров. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1998. Ч. 1. 237 c..Mitrofanov F.P., Sharov N.V. (Eds), 1998. Seismological Model of the Lithosphere of Northern Europe: Barents Region. Vol. 1. Publishing House of KSC RAS, Apatity, 237 p. (in Russian)Pearson D.G. 1999. The Age of Continental Roots. Lithos 48 (1–4), 171–194. https://doi.org/10.1016/S0024-4937(99)00026-2.Pearson D.G. 1999. The Age of Continental Roots. Lithos 48 (1–4), 171–194. https://doi.org/10.1016/S0024-4937(99)00026-2.Пущаровский Д.Ю., Пущаровский Ю.М. Геология мантии Земли. М.: ГЕОС, 2010. 140 с.Pushcharovsky D.Yu., Pushcharovsky Yu.M., 2010. Geology of the Earth’s Mantle. GEOS, Moscow, 140 p. (in Russian)Пущаровский Д.Ю., Пущаровский Ю.М. Новый взгляд на состав и строение глубинных оболочек планет земной группы // Вестник МГУ. Серия 4. Геология. 2016. № 1. С. 3–9. https://doi.org/10.33623/0579-9406-2016-1-3-9.Pushcharovsky D.Yu., Pushcharovsky Yu.M., 2016. New Insight into the Composition and the Structure of the Terrestrial Planet’s Deep Seated Zones. Moscow University Geology Bulletin 1, 3–9 (in Russian) https://doi.org/10.33623/0579-9406-2016-1-3-9.Рундквист Д.В., Митрофанов Ф.П. Докембрийская геология СССР. Л.: Наука, 1988. 440 с.Rundqvist D.V., Mitrofanov F.P., 1988. Precambrian Geology of the USSR. Nauka, Leningrad, 440 p. (in Russian)Sandoval Castaño S., 2002. The Lithosphere-Asthenosphere System beneath Fennoscandia (Baltic Shield) by Body-Wave Tomography. PhD Thesis (Doctor of Natural Sciences). Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, 191 p. https://doi.org/10.3929/ethz-a-004422214.Sandoval Castaño S., 2002. The Lithosphere-Asthenosphere System beneath Fennoscandia (Baltic Shield) by Body-Wave Tomography. PhD Thesis (Doctor of Natural Sciences). Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, 191 p. https://doi.org/10.3929/ethz-a-004422214.Schueller W., Morozov I.B., Smithson S.B., 1997. Crustal and Uppermost Mantle Velocity Structure of Northern Eurasia along Profile Quartz. Bulletin of the Seismological Society of America 87 (32), 414–426. DOI:10.1785/BSSA0870020414.Schueller W., Morozov I.B., Smithson S.B., 1997. Crustal and Uppermost Mantle Velocity Structure of Northern Eurasia along Profile Quartz. Bulletin of the Seismological Society of America 87 (32), 414–426. DOI:10.1785/BSSA0870020414.Шаров Н.В. Литосфера Балтийского щита по сейсмическим данным. Апатиты: КНЦ РАН, 1993. 145 с..Sharov N.V., 1993. Lithosphere of the Baltic Shield from Seismic Data. KSC RAS Publishing House, Apatity, 145 p. (in Russian)Шаров Н.В. Эволюция взглядов на модели строения кристаллической коры Балтийского щита // Региональная геология и металлогения. 2000. № 10. С. 32–43.Sharov N.V., 2000. Evolution of Views Concerning Models of Crystalline Crust Structure in the Baltic Shield. Regional Geology and Metallogeny 10, 32–43 (in Russian)Глубинное строение и сейсмичность Карельского региона и его обрамление / Ред. Н.В. Шаров. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2004. 353 с.Sharov N.V. (Ed.), 2004. Deep Structure and Seismicity of the Karelian Region and Its Margins. KarRC RAS, Petrozavodsk, 353 p. (in Russian)Шаров Н.В. Литосфера Северной Европы по сейсмическим данным. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2017. 173 с.Sharov N.V., 2017. Lithosphere of Northern Europe: Seismic Data. KarRC RAS, Petrozavodsk, 173 p. (in Russian)Sharov N.V., 2020. Superdeep Drilling and Its Impact on the Seismic Models of the Fennoscandian Shield. In: T.B. Yanovskaya, A. Kosterov, N.Yu. Bobrov, A.V. Divin, A.K. Saraev, N.V. Zolotova (Eds), Problems of Geocosmos-2018. Proceedings of the XII International Conference and School. Springer, 253–261. https://doi.org/10.1007/978-3-030-21788-4_21.Sharov N.V., 2020. Superdeep Drilling and Its Impact on the Seismic Models of the Fennoscandian Shield. In: T.B. Yanovskaya, A. Kosterov, N.Yu. Bobrov, A.V. Divin, A.K. Saraev, N.V. Zolotova (Eds), Problems of Geocosmos-2018. Proceedings of the XII International Conference and School. Springer, 253–261. https://doi.org/10.1007/978-3-030-21788-4_21.Щеглов А.Д., Москалева В.Н., Марковский Б.А., Колбанцев Л.Р., Орлова М.П., Смолькин В.Ф. Магматизм и металлогения рифтогенных систем восточной части Балтийского щита. СПб.: Недра, 1993. 244 с.Shcheglov A.D., Moskaleva V.N., Markovsky B.A., Kolbantsev L.R., Orlova M.P., Smolkin V.F., 1993. Magmatism and Metallogeny of Riftogenic Systems of the Eastern Part of the Baltic Shield. Nedra, Saint Petersburg, 244 p. (in Russian)Шустова Л.Е., Рабинович Г.Я. Сейсмометрия и гравиметрия при изучении динамики литосферы докембрия // Исследования литосферы в работах петербургских геофизиков (Развитие идей академика Г.А. Гамбурцева). СПб.: ВИРГ-Рудгеофизика, 2003. С. 170–176.Shustova L.E., Rabinovich G.Ya., 2003. Seismometry and Gravimetry in the Study of the Dynamics of the Precambrian Lithosphere. In: Studies of the Lithosphere in the Works of Saint Petersburg Geophysicists (Development of Academician G.A. Gamburtsev’s ideas). VIRG-Rudgeofizika, Saint Petersburg, p. 170–176 (in Russian)Simons F.J., Zielhuis A., Hilst R.V.D., 1999. The Deep Structure of the Australian Continent from Surface Wave Tomography. Lithos 48 (1–4), 17–43. https://doi.org/10.1016/S0024-4937(99)00041-9.Simons F.J., Zielhuis A., Hilst R.V.D., 1999. The Deep Structure of the Australian Continent from Surface Wave Tomography. Lithos 48 (1–4), 17–43. https://doi.org/10.1016/S0024-4937(99)00041-9.Tiira T., Janik T., Skrzynik T., Komminaho K., Heinonen A., Veikkolainen T., Väkevä S., Korja A., 2020. Full-Scale Crustal Interpretation of Kokkola–Kymi (KOKKY) Seismic Profile, Fennoscandian Shield. Pure and Applied Geophysics 177, 3775–3795. https://doi.org/10.1007/s00024-020-02459-3.Tiira T., Janik T., Skrzynik T., Komminaho K., Heinonen A., Veikkolainen T., Väkevä S., Korja A., 2020. Full-Scale Crustal Interpretation of Kokkola–Kymi (KOKKY) Seismic Profile, Fennoscandian Shield. Pure and Applied Geophysics 177, 3775–3795. https://doi.org/10.1007/s00024-020-02459-3.Трипольский А.А., Шаров Н.В. Литосфера докембрийских щитов Северного полушария Земли по сейсмическим данным. Петрозаводск: КарНЦ РАН. 2004. 159 с.Tripolsky A.A., Sharov N.V., 2004. Structure of the Precambrian Shields of the Northern Hemisphere of the Earth Lithosphere by Seismic Data. KarRC RAS, Petrozavodsk, 159 p. (in Russian)Цветкова Т.А., Бугаенко И.В., Заец Л.Н. Трехмерная P-скоростная модель мантии Фенноскандии. Саарбрюккен: LAMBERT Academic Publishing, 2015. 138 c.Tsvetkova T.A., Bugaenko I.V., Zaets L.N., 2015. Three-Dimensional P-Velocity Model of the Mantle of Fennoscandia. LAMBERT Academic Publishing, Saarbrucken, 138 p. (in Russian)Цветкова Т.А., Шумлянская Л.А., Бугаенко И.В., Заец Л.Н. Сейсмотомография Восточно-Европейской платформы: трехмерная Р-скоростная модель мантии под Фенноскандией-I // Геофизический журнал. 2009. Т. 31. № 1. С. 53–72.Tsvetkova T.A., Shumlyanskaya L.A., Bugaenko I.V., Zayets L.N., 2009. Seismic-Tomography of the East-European Platform: Three-Dimensional P-Velocity Model of the Mantle under Fennoscandia-I. Geophysical Journal 31 (1), 53–72 (in Russian)Цветкова Т.А., Шумлянская Л.А., Бугаенко И.В., Заец Л.Н. Сейсмотомография Восточно-Европейской платформы: трехмерная Р-скоростная модель мантии под Фенноскандией-II // Геофизический журнал. 2010. Т. 32. № 1. С. 60–77.Tsvetkova T.A., Shumlyanskaya L.A., Bugaenko I.V., Zayets L.N., 2010. Seismic-Tomography of the East-European Platform: Three-Dimensional P-Velocity Model of the Mantle under Fennoscandia-II. Geophysical Journal 32 (1), 60–77 (in Russian)Vinnik L.P., Green R.W.E., Nicolaysen L.O., Kosarev G.L., Petersen N.V., 1996. Deep Seismic Structure of the Kaapvaal Craton. Tectonophysics 262 (1–4), 67–75. https://doi.org/10.1016/0040-1951(96)00012-1.Vinnik L.P., Green R.W.E., Nicolaysen L.O., Kosarev G.L., Petersen N.V., 1996. Deep Seismic Structure of the Kaapvaal Craton. Tectonophysics 262 (1–4), 67–75. https://doi.org/10.1016/0040-1951(96)00012-1.Windley B.F., 1992. Precambrian Europe. In: D. Blandell, R. Freeman, S. Mueller (Eds), A Continent Revealed. The European Geotraverse. Cambridge University Press, 139–152. https://doi.org/10.1017/CBO9780511608261.008.Windley B.F., 1992. Precambrian Europe. In: D. Blandell, R. Freeman, S. Mueller (Eds), A Continent Revealed. The European Geotraverse. Cambridge University Press, 139–152. https://doi.org/10.1017/CBO9780511608261.008.Zhamaletdinov A.A., Petrishchev M.S., 2015. A Quasi-Three-Dimensional Model of Lithosphere Electrical Conductivity of the Fennoscandian Shield Based on the Results of the BEAR and FENICS Experiments. Doklady Earth Sciences 463, 751–756. https://doi.org/10.1134/S1028334X15070235.Zhamaletdinov A.A., Petrishchev M.S., 2015. A Quasi-Three-Dimensional Model of Lithosphere Electrical Conductivity of the Fennoscandian Shield Based on the Results of the BEAR and FENICS Experiments. Doklady Earth Sciences 463, 751–756. https://doi.org/10.1134/S1028334X15070235.Zielhuis A., Hilst R., 1996. Upper Mantle Shear Velocity beneath Eastern Australia from Inversion of Waverforms from SKIPPY Portable Arrays. Geophysical Journal International 127 (1), 1–16. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1996.tb01530.x.Zielhuis A., Hilst R., 1996. Upper Mantle Shear Velocity beneath Eastern Australia from Inversion of Waverforms from SKIPPY Portable Arrays. Geophysical Journal International 127 (1), 1–16. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1996.tb01530.x.Золотов Е.Е., Костюченко С.Л., Ракитов В.А., Курилович И.А., Мишенькина З.Р., Треусов А.В., Шаров Н.В. Неоднородности верхней мантии Балтийского щита по данным сейсмической томографии // Разведка и охрана недр. 2000. № 2. С. 27–29.Zolotov E.E., Kostyuchenko S.L., Rakitov V.A., Kurilovich I.A., Mishenkina Z.R., Treusov A.V., Sharov N.V., 2000. Inhomogeneities of the Upper Mantle of the Baltic Shield According to Seismic Tomography Data. Exploration and Protection of Mineral Resources 2, 27–29 (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.