Okyanusal Sismik Yapının Görüntülenmesi

 

M

anto Elektromanyetik ve Tomografi (MELT) Deneyi, okyanus ortası sırtlarının altındaki tartışmalı magma oluşum modellerini birbirinden ayırmak için tasarlandı. Sismolojik gözlemler, bazaltik eriyiğin Doğu Pasifik Yükselişi (DPY - EPR) yayılma merkezinin altında birkaç yüz kilometre genişliğinde ve 100 kilometreden daha derinlere uzanan geniş bir bölgede bulunduğunu göstermektedir.

O

kyanus ortası sırt yayılma merkezlerinde okyanus levhaları birbirinden ayrıldığından, yükselen mantonun kısmi erimesi, 6 ila 7 km kalınlığında bir bazaltik kabuk tabakası oluşturmaya yetecek kadar magma oluşturur. Sismik yansıma ve kırılma çalışmaları, bu kabuğun sırt ekseninin 1 ila 2 km içinde oluştuğunu göstermiştir. Ana soru, eriyiğin nasıl taşındığı olmuştur. Eriyik üretim bölgesinin doğrudan gözlemlerinin olmaması, mantonun yükselmesinin doğasını ve yayılma merkezinin altındaki erimenin doğasını tanımlayan iki sınıf modelin (pasif ve dinamik akış) geliştirilmesine yol açmıştır. Pasif akış modellerinde, ayrılan plakalardan gelen viskoz sürükleme, geniş bir yükselme ve eriyik üretimine neden olur. Dinamik akış modellerinde, eriyik aktarımı öncelikle dikeydir ve erimenin çoğu eksenin altındadır.

P

asif akışta viskoz sürükleme kuvvetleri hakim olduğunda, yükselme sırt geometrisini yakından takip eder. Kaldırma kuvvetleri baskın olduğunda, yukarı doğru yükselmeyi dar bir bölgede yoğunlaşır. Bazı araştırmacılar Doğu Pasifik Yükselişi'nde yükselmenin sırt boyunca noktalarda dağılmış olduğunu ileri sürmüşlerdir.

B

aşka bir konuda erimenin derinlik genişlemesidir. Önceki çalışmalar, küresel sismik tomografi ile haritalanan alt mantodaki derin yapılar ile okyanus ortası sırtlar arasında bir bağlantı olduğunu ileri sürmüşlerdir, bu da belki sırtların altında yükselmenin tüm mantonun konveksiyon sistem olarak aktif bir parçası olduğunu ima etmektedir. 

Şekil 1. Çalışma alanındaki Okyanus Tabanı Sismometrelerinin (OBS'ler-OTS) ve batimetri konumları. Batimetri, yoğun uydu altimetrisinden ve gemi batimetrik ölçümlerinden tahmin edilir (29). ODS'lerin lineer dizinleri, güneybatı Pasifik'i sınırlayan sismik olarak aktif bölgeleri içeren büyük daire yolu boyunca uzanacak şekilde sırta bir açıyla yönlendirildi (Şekil 2). Semboller, verilerin üç bileşenli sismometre okumalarını (açık üçgen) veya yalnızca basıncı (açık daire) içerip içermediğini veya veri olmayanları (ters çevrilmiş, dolu üçgen) gösterir.

M

ELT Deneyinin amaçları, bir sırtın altındaki yükselme modelini, kısmi erime bölgesinin geometrisini, bu bölgedeki eriyik konsantrasyonunu, matris içindeki eriyiğin dağılımını ve eriyik ceplerindeki bağlantılılığı sınırlamak için sismik ve elektromanyetik gözlemler kullanmaktır. Depremlerden gelen sismik dalgaları ve elektrik ve manyetik alanlardaki birleşik değişimleri kaydetmek için DPY boyunca deniz tabanına pasif sismometreler, elektrometreler ve manyetometreler yerleştirildi. Bu çalışmadaki veri toplama aşamasını Mayıs 1996'da tamamlayan MELT Deneyinin sismolojik bileşeninin ilk sonuçlarını sunuluyor. Elektromanyetik veri toplama o tarihte başladı ve Haziran 1997'de tamamlandı.

E

lli bir Okyanus Tabanı Sismometresi (OTS), Kasım 1995'te DPY boyunca 800 km uzunluğunda iki doğrusal dizin halinde konuşlandırıldı (Şekil 1). Bu saha, küresel yayılma sisteminin en uzun, en düz bölümünün ortasındadır ve milyon yılda yaklaşık 145 km toplam yayılma hızıyla, okyanus ortası sırt sisteminin en hızlı yayılan kısımlarından biridir. Böylece bu saha, teorinin pasif akışın baskın olma olasılığının yüksek olduğunu gösterdiği daha hızlı yayılma hızlarında yukarı doğru yükselmenin daha doğrusal olması gerektiği hipotezinin son testini sağlar. 100 km'den daha derinlerdeki bazı depremler de dahil olmak üzere, 6 aylık kayıt döneminde büyük olayların iyi bir dağılımı Şekil 2’de verilmiştir. Deniz tabanının sabit sıcaklık ortamında, sismometreler depremin büyüklüğüne bağlı olarak 50 s ve üzeri bir süreye kadar güvenilir faz ve genliğe sahip sinyalleri kaydetmiştir. En iyi sinyal-gürültü oranı tipik olarak düşük gürültülü bir "pencere" olan 10-30 s bandındaydı.

Şekil 2. MELT Deneyinde kaynak olarak kullanılan depremlerin merkez üsleri. OTS dizinlerinin konumu, haritanın ortasındaki iki kısa çizgiyle gösterilir (azimut eşit mesafeli projeksiyon).

B

u çalışma, manto akışı ve eriyik üretimi konularını ele alan farklı tekniklerin sonuçlarını açıklamaktadır. Jeofizik harita araştırmaları, bu alandaki sırtta bir asimetri olduğunu göstermektedir: deniz tabanı batıda Pasifik Levhasında doğuda Nazca Levhasında olduğundan daha yavaş alçalmaktadır; batı yakasında daha büyük bir küçük deniz dağları nüfusu vardır; Pasifik Levhası batıya doğru neredeyse iki kat daha hızlı hareket ediyor, Nazca Levhası doğuya doğru hareket ediyor ve eksenin kendisinin batıya doğru hareket etmesine neden oluyor. Çökme (subsidence) ve volkanik aktivitedeki asimetri, muhtemelen termal yapı ve eriyik üretiminde temel bir asimetriye işaret eder.

S

 dalgaları için gecikme süresindeki ortalama gradyan, doğu tarafında batıya göre yaklaşık iki kat daha büyüktür ve kabaca çökme oranlarındaki farkla orantılıdır. Muhtemelen kabuktaki erimeden etkilenen yayılma merkezi eksenindeki istasyon dışında, en gecikmeli P ve S gelişleri eksenin batısına kaydırılır. Cisim dalgaları gibi, Rayleigh dalgası faz hızlarının modeli de asimetriktir. Hızlar eksenin batısında düşüktür ve eksenin hemen doğusunda hızla artar. Genel olarak, düşük hızların olduğu bölge birkaç yüz kilometre genişliğindedir ve açıkça bazı dinamik akış modellerinin öngördüğü yoğun yukarı yükselme bölgesiyle sınırlı değildir.

G

ecikme ve asimetri modeline katkıda bulunan manto yapısının en az iki bileşeni vardır. Kayma dalgası yarılması ölçümleri, mantonun anizotropik olduğunu ve eksenin doğusuna göre batısında daha fazla yarılma olduğunu göstermektedir. Gecikme modeline ikinci bir katkı, üst mantoda mevcut olan eriyik miktarındaki değişimlerdir. 25 saniyelik Rayleigh dalgalarının faz hızlarının haritaları, 15 ila 70 km derinliklerde hızlarda büyük değişiklikler olduğunu göstermektedir. Bu derinlik aralığının petrolojik argümanlara dayanarak birincil eriyik üretim bölgesi olması beklenir ve bu derinlik aralığındaki hızlar o kadar düşüktür ki eriyik bulunmalıdır.

Şekil 3. Doğu Pasifik Yükselişinin 17°S(G)'deki şematik kesiti. Yılda 101 mm hızla hareket eden Pasifik Levhası diyagramda soldadır. Düşük sismik hızların geniş asimetrik bölgesi, birincil eriyik üretim bölgesi olarak yorumlanır. Gömülü heterojenlik (embedded heterogeneity) etiketli bölge, ek erimeyi temsil eder; boyutları iyi sınırlandırılmamıştır. Kesin akış modeli bilinmemekle birlikte, Pasifik Levhasının daha hızlı hareketinin üst mantoda daha fazla kayma yaratması ve daha güçlü anizotropiye neden olması bekleniyor. Kesintisiz çizgiler, yatay hızların olası dikey profillerini gösterir. Küçük elipsler, tercih edilen hizalanma yönünü temsil eder.

D

aha uzakta eksen dışı erimeler Pasifik Levhasının daha hızlı hareketi ile birleştiğinde nispeten yavaş çökme yaratan daha yüksek sıcaklıkta astenosfer getirebilir. Bu eksen dışı erime, gömülü manto heterojenliklerinin kısmi erimesiyle yerel olarak artırılabilir. Yükselmenin daha yavaş olduğu doğu tarafında daha az eksen dışı erime meydana gelebilir.

DPY boyunca kuzeye doğru dalga biçimlerinin modellenmesi, en düşük kayma dalgası hızlarının ve muhtemelen en yüksek eriyik konsantrasyonlarının yaklaşık 100 km derinliğe kadar uzandığını göstermektedir. P ve S dalga gecikmelerinin modellenmesine yönelik tomografik deneyler, 100 km'yi aşan derinliklerde dizilim içindeki yapının yanal varyasyonlarının gerekli olduğunu da göstermektedir. Bu gözlemler, yükselen mantodaki birincil eriyik üretiminin yaklaşık 100 km'de başladığını göstermektedir. Dolayısıyla sonuçlarımız, eriyik üretiminin önemli bir miktarının 60 ila 80 km'den (10) daha büyük derinliklerde meydana gelmesi gerektiğine dair jeokimyasal çıkarımları desteklemektedir.,

E

ksenel topografik yükseklik, birincil OTS profilinin sırtı geçtiği yerin yakınında, yaklaşık 17°159 G'de en geniştir. 15°559 G'de küçük bir Örtüşen Yayılma Merkezine (OSC-ÖYM) kadar kuzeye doğru sistematik olarak daralır (Şek. 1). Yerçekimi analizi, bu ÖYM'nin çevresinde ya kabuğun inceldiğini ya da kabuk veya manto yoğunluğunda artış olduğunu göstermektedir. Bu ÖYM, manto yükselme veya eriyik üretiminde bir sınırı işaretleyebileceğinden, ikincil OTS dizini (Şekil 1), manto Bouguer yerçekimi anomalisinin maksimuma ulaştığı ÖYM'nin hemen kuzeyindeki sırtı geçecek şekilde yerleştirildi. Bu ikincil OTS dizininde kaydedilen geniş açılı sismik kırılma verileri, bu küçük ÖYM'nin yakınındaki kabuk kalınlığının ve yapısının normal olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, yerçekimi anomalisine muhtemelen ÖYM yakınlarındaki daha yoğun ve belki de daha soğuk manto neden olur. Son olarak, Rayleigh dalga fazı hızları, ÖYM'nin yakınından başlayarak eksen boyunca belirgin bir artış gösterir, bu da eriyik konsantrasyonlarının ÖYM'nin altında ve kuzeye doğru daha düşük olduğunu düşündürür.

M

ELT Deneyinin en şaşırtıcı gözlemlerinden biri, en düşük hızların doğrudan sırt ekseninin altında yer almamasıdır. Rayleigh dalgaları ve cisim dalgası gecikmeleri tarafından tespit edilen üç boyutluluk, dinamik olarak yönlendirilen ve mantonun derinliklerinden kaynaklanan eksen dışı bir yükselme ve eriyik üretimi merkezi olabileceğini ima eder. Anomaliler ve sismik gözlemler, aynı zamanda, pasif olarak yükselen bir manto içindeki gömülü bir bileşimsel heterojenliğin anormal erimesiyle de tutarlıdır (Şekil 3). Eriyiğin çoğunun mantodan verimli bir şekilde çıkarılması, 60 veya 70 km derinlikten yaklaşık 1000 yılda çıkarıldığını gösterir. Bu nedenle, bugün gördüğümüz eriyik konsantrasyonları, uzun vadeli eriyik üretkenliğini temsil etmeyebilir. Eriyik, basitçe sırtın altından verimli bir şekilde çıkarılabilir ve eksen dışı heterojenliklerin erimesi, sınırlı bir süre devam eden yerel anormallikler üretebilir.