ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 4, с. 38-50
УДК 550.834
МОЩНОСТЬ ЛИТОСФЕРНОЙ ПЛИТЫ И ПАРАМЕТРЫ АСТЕНОСФЕРЫ СКАНДИНАВСКОГО ЩИТА ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА BEAR
© 2015 г. А. А. Ковтун, И. Л. Варданянц
Санкт-Петербургский государственный университет E-mail: aakovtun@mail.ru Поступила в редакцию 12.10.2013 г.
В статье подводится итог работам, в которых, используя магнитотеллурические (МТ) данные BEAR совместно с глобальными магнитовариационными (МВ) данными, исследуется строение верхней мантии Фенноскандинавского щита. За прошедшие годы нами была усовершенствована методика совместной интерпретации МТ и глобальных МВ данных, что позволило более уверенно сделать выводы о строении верхней мантии и наметить пути дальнейшего повышения эффективности МТ метода при определении мощности литосферной плиты и геоэлектрических параметров астеносферы. Проведенное исследование строения верхней мантии по МТ данным BEAR позволило предположить присутствие астеносферы на глубине от 200 до 300 км с удельным сопротивлением 20—40 Ом м, что соответствует 1—2% расплава мантийного вещества. Для получения более строгих оценок необходимо провести интерпретацию данных BEAR с использованием МВ данных, полученных непосредственно по обсерваториям, расположенным на территории Фенноскандинавского щита. Возможно, этот подход позволит в дальнейшем более надежно провести районирование Фенносканди-навского щита по мощности и глубине залегания астеносферы.
DOI: 10.7868/S0002333715030084
ВВЕДЕНИЕ
В ходе международного эксперимента BEAR (Baltic Electromagnetic Array Research), проведенного летом 1998 г., были выполнены синхронные МТ зондирования в интервале периодов от 10 с до суток в 46 пунктах Фенноскандинавского щита (рис. 1).
С момента эксперимента BEAR прошло более десяти лет, однако интерес к МТ данным, полученным в этом эксперименте, не убывает. Одной из центральных задач эксперимента являлось определение положения и геоэлектрических параметров астеносферы Фенноскандинавского щита. Предполагалось, что МТ метод в интервале периодов от 10 с до 100000 с позволит более уверенно, чем сейсмические методы, определить глубину залегания астеносферы на Фенноскандинавском щите [Ваньян, 2000].
К настоящему времени имеется ряд публикаций, где сделаны выводы о возможной глубине залегания астеносферы в отдельных пунктах BEAR, но параметры астеносферы, ее сопротивление и мощность, остаются малоизученными [Ковтун 2002; Korja, 2006; Lahti, 2005].
В настоящей статье мы подводим итог работам, в которых, используя данные BEAR , можно более надежно сделать выводы о мощности лито-сферной плиты и геоэлектрических параметрах астеносферы, привлекая МВ данные.
МЕТОДИКА
Для глубинных МТ исследований нами ранее был предложен квазидвумерный подход, основанный на выделении так называемых "продольных" кривых, которые в двумерном случае не искажены влиянием коровых неоднородностей и выходят в области больших периодов на кривую глобального магнитовариационного зондирования (ГМВЗ) [Ковтун, 1989]. При анализе данных BEAR мы убедились, что наряду с "продольными" кривыми, целесообразно использовать фазовые кривые максимального импеданса, поскольку в области больших периодов они практически не искажены влиянием неоднородности коры. Но при этом следует учитывать, что в отличие от продольных кривых, они при одномерной интерпретации могут внести ошибку в описание распределения сопротивления в верхней части разреза, осложненной горизонтальной неоднородностью. Этот подход был применен нами к интерпретации данных BEAR в ряде работ.
Первый вариант интерпретации "продольных" и фазовых кривых совместно с ГМВЗ данными Н.М. Ротановой для Sq вариаций [Ротанова, 1986] позволил выделить области понижения сопротивления, верхняя граница которых была расположена на глубинах от 80 до 200 км [Ковтун, 2002]. Удельное сопротивление на этих глубинах колебалось в пределах 10— 200 Ом м. Эти результаты позволили высказать предположение, что выделенные области могут быть отнесены к астено-
Рис. 1. Схема расположения пунктов ГМТ-зондирования BEAR. Штриховка — положение центральной проводящей коровой аномалии [Korja et al., 2002]; штриховые линии — границы геоблоков с корой разного возраста: 1 — между Карельским и Беломорским; 2 — между Карельским и Свекофенским; 3 — между Свекофенским геоблоком и молодыми Каледонидами; 4 — между Фенноскандинавским щитом и Восточно-Европейской платформой.
10°
40°
20'
30°
200 км
I_I
сфере, но уверенно не отражают ее параметры — глубину залегания верхней кромки, мощность и сопротивление — из-за влияния горизонтальной неоднородности коры Фенноскандинавского щита, выявленного ранее и в процессе работы с данными БЕЛЯ [Кода, 2002; Ковтун, 2008а].
Для решения этой задачи на Фенноскандинав-ском щите необходимо иметь уверенные МТ данные в области суточных вариаций, а при проведении совместной интерпретации МТ и МВ данных желательно иметь МВ данные в интервале вариаций, полученные для той же территории, где проводились МТ зондирования, поскольку МВ кривые не имеют статического сдвига и могут служить репером при оценке влияния коровых неоднородно-стей на поведение магнитотеллурических кривых в области больших периодов. Имея МТ и МВ данные в интервале вариаций, можно выявить в амплитудных МТ кривых наличие статического сдвига. Точно также по степени близости фазовых МВ и фазовых МТ кривых в области суточных вариаций можно понять, насколько фазы МТ кривых могут
считаться неискаженными поверхностными неод-нородностями.
Эксперимент BEAR, проводимый в течение полутора месяцев, не позволил получить МТ данные в области Sq вариаций во всех пунктах. Число пунктов, где были получены оценки величины фазы импеданса для четырех главных гармоник суточных вариаций, приведено в табл. 1. Как видно из таблицы, статистическая значимость данных невелика, что приводит к увеличению погрешности при совместной интерпретации МВ и МТ кривых в этом интервале периодов. Поэтому в следующей работе [Ковтун, 2008б] для усиления опорной кривой нами, помимо МВ данных для Sq вариаций, использовалась уже вся МВ кривая, включающая в себя и данные, полученные по вариациям DR-тока с периодами до полугода. В этой работе были получены результаты интерпретации 16-ти "продольных" и 19-ти фазовых кривых максимального импеданса, которые дали примерно одинаковые распределения удельной проводимости в интервале глубин от 100 до 1000 км. Средняя кривая по двум типам кривых, представленная на
Таблица 1. Средние значения фазы импеданса в интервале суточных вариаций по данным BEAR
Т, час Число пунктов ArgZXy, град ArgZyx - 180, град Среднее по BEAR, град Среднее по ГМВЗ на 1989 г., град
6 35 -65 -65 -65 -62
8 35 -64 -67 -65.5 -64
12 17 -67 -72 -69.5 -69
24 15 -68 -78 -73 -75
рис. 2, обладала одной особенностью: градиент логарифма проводимости по глубине был минимальным в интервале глубин 180—300 км, область минимума градиента логарифма проводимости была отнесена нами к астеносфере. Удельное сопротивление на этих глубинах менялось в пределах 20-50 Ом м.
ПОСТРОЕНИЕ ОПОРНОЙ КРИВОЙ BEAR
В следующей работе основное внимание было обращено на улучшение качества опорной глобальной МВ кривой и усиление МТ данных BEAR в области суточных вариаций путем построения средней кривой по данным BEAR. Остановимся на этой работе [Варданянц, 2009] более подробно, поскольку предлагаемая в ней методика позволила более надежно определить строение верхней мантии Фенноскандинавского щита.
10 ET
Св
Ц 0.001 =
^ :
0.0001 —1—1—1—1—1—1—1—1—1
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Глубина, км
Рис. 2. Распределение удельной проводимости по глубине на Фенноскандинавском щите по данным работы [Ковтун, 2008б]; крупный штрих — среднее по фазовым кривым; мелкий штрих — по "продольным" кривым; жирная линия — среднее распределение; тонкие линии — доверительный интервал.
Как и в предшествующих работах, в основу построения модели глубинного распределения электропроводности мантии положена одномерная интерпретация "продольных" амплитудных кривых рТ и фазовых кривых максимального импеданса фТ, которые в области суточных вариаций несут наименее искаженную неоднородностью верхней части разреза информацию о глубинном разрезе. В двумерных и квазидвумерных случаях в качестве "продольной" кривой выбиралась амплитудная минимальная или максимальная кривая, которая в области больших периодов приближается к глобальной МВ кривой. В качестве фазовых кривых выбирались фазовые кривые максимального импеданса, которые хорошо согласовались с фазовой кривой глобального магнитовариационного зондирования (ГМВЗ) в области больших периодов. В общем случае аналогами этих кривых являются кривые инвариантов Эггерса [Eggers, 1982]. Для дальнейшего исследования были отобраны кривые фТ в 24-х пунктах и кривые рТ в 25-ти пунктах. Для одномерной интерпретации, как и в предшествующих работах, была использована программа Л.Н. Пороховой и М.М. Харламова [Porokhova, 1990], алгоритм которой основан на методе эффективной линеаризации (МЭЛ). Для получения более детального распределения сопротивления на глубинах до 400 км необходима совместная интерпретация "продольных" или фазовых кривых максимального импеданса с опорной глобальной МВ кривой. Ранее мы использовали для этого выборку ГМВЗ из работы Н.М. Ротановой. Однако значения этой выборки, особенно фазовые данные, имеют большой разброс при Vt > 300 с1/2, что ограничивает точность совместной интерпретации. Поэтому в этой работе особое внимание было уделено анализу данных ГМВЗ, используемых для совместной интерпретации с данными BEAR.
С этой целью мы провели сравнение данных ГМВЗ разных авторов в диапазоне Sq и Dst вариаций: данные из работы Н.М. Ротановой [Ротано-ва, 1986], кривую для центральной Европы В.Ю. Семенова [Semenov, 1998] и кривую для Европы Н. Олсена [Olsen, 1998]. Эти данные, вместе с отобранными для последующей совместной интерпретации амплитудными и фазовыми кривыми BEAR, приведены на рис. 3.
10000
^ 1000
о Я Я
(U
ч <ч
IS
о &
С
о
о «
о (U (U
100
10
св
а
0.1
ОСеменов
А Олсен
• Ротанова
- Ч^^Ч, Линии
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.