ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 6, с. 54-67
УДК 550.837
ГЛУБИННАЯ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЛАСТИ СОЧЛЕНЕНИЯ КУРИЛО-КАМЧАТСКОЙ И АЛЕУТСКОЙ
ОСТРОВНЫХ ДУГ
© 2004 г. Ю. Ф. Мороз, А. Г. Нурмухамедов
Институт вулканической геологии и геохимии ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский
e-mail: moroz@irk.ru Поступила в редакцию 29.04.2002 г.
Проведена интерпретация МТЗ в диапазоне периодов 0.1-15000 с. В качестве основных приняты амплитудные и фазовые кривые МТЗ по направлениям вдоль и вкрест простирания полуострова Камчатка. Путем статистического осреднения получены средние продольные и поперечные кривые МТЗ, свободные от локальных гальванических эффектов. С помощью трехмерных пробных моделей изучены возможные искажения этих кривых за счет крупных латеральных геоэлектрических неоднородностей. Выявленные особенности использованы для решения обратной задачи с помощью трехмерного численного моделирования МТ-поля. В результате получена трехмерная геоэлектрическая модель, которая включает коровые и литосферную проводящие зоны и астеносфер-ный проводящий слой. Одна из коровых зон и литосферная зона имеют поперечную ориентировку (Алеутское направление) и продолжаются в Тихий океан. По-видимому, они являются продолжением структур Алеутской островной дуги и Императорского глубинного разлома. К поднятиям поперечной коровой проводящей зоны и астеносферного слоя приурочена Ключевская группа вулканов. Модель сопоставлена с данными гравиметрии и сейсмологии. Рассмотрена возможная природа проводящих зон.
Ключевые слова: магнитотеллурическое зондирование, геоэлектрическая модель, электропроводность, коровый слой, астеносферный слой, вулканы.
Магнитотеллурические зондирования, выполненные на Восточной Камчатке, охватывают Ключевскую группу вулканов, побережье Камчатского залива и полуостров Камчатский (рис. 1). Данная территория большинством исследователей относится к современной геосинклинали и характеризуется сложным геологическим строением. В ее пределах выделяются крупные тектонические элементы: Центрально-Камчатский и Восточно-Камчатский прогибы, Восточной-Кам-чатский антиклинорий и поднятие восточных полуостровов [Геология СССР..., 1974]. Прогибы и антиклинорий представляют собой линейно-вытянутые северо-восточного простирания протяженностью до 500 км и шириной 50-100 км. На Восточно-Камчатский антиклинорий и Центрально-Камчатский прогиб наложен вулканический пояс, в состав которого входит Ключевская группа вулканов. Она состоит из трех действующих (Ключевская, Безымянный, Толбачинский) и девяти потухших стратовулканов и множества эру-типных аппаратов.
Обобщенный геоэлектрический разрез района по данным предшествующих электромагнитных исследований представляется следующим [Мороз, 1991]. В верхней части разреза залегают
четвертичные вулканогенные и осадочные образования сопротивлением сотни - первые тысячи Ом ■ м и мощностью от десятков-сотен метров до первых километров в районе вулканических сооружений. Ниже лежит кайнозойская толща со средним продольным сопротивлением порядка первых десятков Ом ■ м. Она сложена преимущественно терригенными образованиями. Мощность толщи достигает во впадинах 5 км. В основании кайнозойской толщи находятся породы верхнемелового комплекса, включающие терригенные и вулканогенно-кремнистые образования сопротивлением от 50 до 200 Ом ■ м и мощностью до 5 км. Консолидированный фундамент имеет сопротивление от 500 до первых тысяч Ом ■ м. Глубинная часть разреза содержит коровый и астеносферный проводящие слои.
Следует отметить, что в районе Ключевской группы вулканов магнитотеллурические зондирования проводились еще в 60-70-е годы XX века [Копытенко, Горшков и др., 1967; Смирнов, 1979; Смирнов, Болабко, 1976]. К сожалению, полученные кривые МТЗ имели низкое качество и мы не смогли их использовать для анализа. Поэтому мы ограничились интерпретацией МТЗ, выполненных Институтом вулканологии ДВО РАН, Саха-
(а)
(б)
vi
ш ^ 1
1 / 2
^ру ^ — 5
6
V + 4 4 4^
162° Долгота, град
Широта, град
56°20' -
55°20'
2 N и\3
20 км
Рис. 1. Схемы тектонического районирования Камчатки (а) [Геология СССР..., 1974] и расположения пунктов МТЗ (б). (а) - структуры первого порядка. Прогибы: I - Западно-Камчатский, II - Центрально-Камчатский, III - Восточно-Камчатский. Антиклинории: IV - Камчатско-Корякский, V - Восточно-Камчатский, VI - зона поднятий вулканических полуостровов. 1 - обозначения структур первого порядка; 2 - впадины; 3 - поднятия; 4 - наложенные вулканические пояса; 5 - выступы древних пород; 6 - предполагаемый Центрально-Камчатский глубинный разлом. (б): 1, 2, 3 -МТЗ в диапазоне периодов 10-1000 с, 0.1-1000 с и 1500-15000 с, соответственно; 4 - вулканы.
линской и Елизовской геофизическими экспедициями в последние 10-15 лет, когда качество амплитудных и фазовых измерений существенно улучшилось. Схема расположения этих МТЗ показана на рис. 1. Здесь видно, что район работ изучен крайне неравномерно. Малодоступная часть площади покрыта съемкой с помощью вертолета по сети примерно 10 х 5 км. Диапазон изучаемых периодов 10-1000 с. В более доступных районах в последние годы выполнены маршрутные исследования с шагом около 2 км. При этом диапазон изучаемых периодов расширен в сторону коротких периодов до 0.1 с. На склонах вулкана проведены наблюдения по отдельным профилям с шагом до 1-2 км. Диапазон регистрируемых периодов 0.1-1000 с. Кроме этого получен ряд МТЗ в диапазоне периодов 1500-15000 с. Запись МТ-поля производилась по направлениям, ориентированным вдоль и вкрест простирания полуострова Камчатка.
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Обработка МТЗ сводилась к определению компонент тензора импеданса, отражающих геоэлектрическое строение изучаемой среды. Компоненты тензора импеданса определялись с помощью способа наименьших квадратов. Точность их определения в диапазоне периодов 0.1-1000 с является различной по аналоговым и цифровым регистрациям. По аналоговым регистрациям точность определения модулей импедансов со-
ставляет 5-10%, фаз - 3°-5°. По цифровым регистрациям - 3-5% и 1°-3°. В длиннопериодном диапазоне периодов (Т > 1500 с) точность определения модуля импеданса 10-20%, фазы порядка 10°. В результате обработки построены полярные диаграммы импедансов. Они дают возможность оценить степень горизонтальной неоднородности среды. Оценка горизонтальной неоднородности среды выполнена также аналитически по методике Эггерса [Eggers, 1982]. С ее помощью определены главные направления и главные значения тензора импеданса. Анализ показывает, что в низкочастотном диапазоне горизонтальная геоэлектрическая неоднородность в большинстве случаев может быть рассмотрена как квазидвумерная. Исключением является полуостров Камчатский, где в высокочастотном диапазоне дву-мерность геоэлектрической среды нарушается.
Главные направления тензора импеданса ориентируются по простиранию и вкрест простирания тектонических зон. Кривые, ориентированные вдоль и вкрест островных дуг, рассматриваются как продольные и поперечные. Они подвержены сильному влиянию приповерхностных локальных геоэлектрических неоднородностей. Это проявляется в том, что кривые кажущихся сопротивлений на расстоянии в первые километры могут расходиться по уровню сопротивлений на десятки и сотни процентов. Однако фазовые кривые расходятся незначительно, как правило, в пределах ошибок их определения. Это свидетельствует о том, что при локальных искажениях кривых МТЗ
Рис. 2. Схема расположения семейств кривых МТЗ: 1, 2, 3 - то же, что на рис. 16; 4 - номера районов (см. рис. 3); 5 -вулканы.
.VI
о о о <Р о
О О о о о
• • п • •
о -р
• * #* •
* I
4Г
* Л
сахоода
• •Р*„* IV* • •
III
<Р
,0<>
тт
II о
о о°
20 км
I_I
5
преобладают гальванические эффекты. Поэтому, для исключения подобных искажений кривых МТЗ использован способ конформного осреднения [Бердичевский, Ваньян, Кузнецов и др., 1979]. При осреднении кривые МТЗ, близкие по форме, организованы в семейства, отвечающие определенному типу геоэлектрического разреза (рис. 2). Каждое семейство включало до 20-30 кривых МТЗ. В результате осреднения получены устойчивые значения кажущихся сопротивлений и фазы в диапазоне периодов 0.1-1000 с в группах I, II, III, IV, VI и в диапазоне периодов 10-1000 с в группе V (рис. 3). Более подробно процедура осреднения рассмотрена в работе [Мороз, Нурмухамедов, 2002].
Для изучения более глубоких частей земной коры и верхней мантии привлечены данные глубинных зондирований в диапазоне периодов 1500-15000 с. При этом учитывался тот факт, что чем глубже расположена проводящая зона, тем на большей площади она проявится. Поэтому кривые соседних районов III и IV осреднены. Свободные продольные и поперечные амплитудные кривые приведены на рис. 4. Они отвечают районам с различной глубинной электропроводностью (рис. 5). Кривые дифференцированы по сопротивлению и отражают наличие в разрезе слоев повышенного и пониженного сопротивления. Левая часть кривых характеризует осадочно-вул-каногенный чехол. На большинстве кривых она выражена в виде минимума. В средней части кривых проявляется максимум, отражающий высо-
коомный слой литосферы. В правой части кривых фиксируется минимумы, связанные с глубинными проводящими слоями.
КАЧЕСТВЕННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ КРИВЫХ МТЗ
На рис. 3 видно, что амплитудные продольные кривые МТЗ в области низких частот более близки между собой, чем поперечные. Это свидетельствует, что они в меньшей мере подвержены искажениям за счет горизонтальных геоэлектрических неоднородностей. В Ьом районе правая часть амплитудной продольной кривой представлена нисходящей ветвью, которая замыкается горизонтальным участком. Во П-ом районе эта часть кривой выражена только нисходящей ветвью. Характерно, что фазовые кривые указанных зон имеют минимумы в своей правой части. Это свидетельствует о слое пониженного сопротивления в земной коре I и II районах.
Поперечные амплитудные кривые в низкочастотной области расходятся по уровню сопротивлений на несколько порядков, что указывает на их сильное искажение за счет геоэлектрических неоднородностей. На большинстве амплитудных и на всех фаз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.