научная статья по теме АНАЛИТИЧЕСКИЕ АППРОКСИМАЦИИ ГЛУБИН АРКТИЧЕСКОГО БАССЕЙНА И ИХ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ Геофизика

Текст научной статьи на тему «АНАЛИТИЧЕСКИЕ АППРОКСИМАЦИИ ГЛУБИН АРКТИЧЕСКОГО БАССЕЙНА И ИХ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 5, с. 34-41

УДК 550.831+838

АНАЛИТИЧЕСКИЕ АППРОКСИМАЦИИ ГЛУБИН АРКТИЧЕСКОГО БАССЕЙНА И ИХ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

© 2008 г. В. Н. Конешов, И. Э. Степанова

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 26.03.2007 г.

Построены аналитические аппроксимации и выполнен спектральный анализ глубин Арктики с учетом большого массива данных на основе метода линейных интегральных представлений. Приводятся результаты расчетов по разработанным компьютерным технологиям.

PACS: 91.10.0p; 91.10.By

ВВЕДЕНИЕ

При планировании гравиметрических съемок в Арктическом бассейне необходимо исходить из ряда предпосылок:

- гравиметрические съемки прошлых лет выполнялись по редкой неравномерной сети с низкой точностью координатного обеспечения и, как правило, авиадесантным способом;

- данные спутниковой альтиметрии на районы Арктики отсутствуют из-за ряда объективных причин;

- в районах Арктики практически нет возможности выполнить морскую гравиметрическую съемку;

- модели гравитационного поля Земли на эти районы весьма приближенные, т.к. основные погрешности этих моделей сосредоточены в полярных шапках;

- аэрогравиметрический метод позволяет выполнить съемку арктических районов.

В настоящее время он обладает серьезным недостатком - его разрешающая способность позволяет выделить длины аномалий от 6 км и длиннее.

Для районов Арктики было показано [Конешов, Проценко, 1984], что аномалии силы тяжести с большим коэффициентом корреляции повторяют значения глубин.

Целью этой статьи было выполнение спектрального анализа глубин Арктики модифицированным способом с учетом большого массива данных для принятия окончательного решения о возможности использования гравиметрического метода при уточнении гравитационного поля Арктики.

На основе метода линейных интегральных представлений, разработанного В.Н. Страховым (см. [Страхов, Керимов, 1999; Страхов, Страхов, 1999 а; Страхов и др., 2000 а; Страхов и др., 2000 б; Страхов и др., 2000 в; Страхов и др., 2001]) мож-

но строить линейные аналитические аппроксимации элементов аномальных потенциальных полей и функции, описывающей рельеф местности, в частности, задающей грид глубин некоторых областей мирового океана.

В данной статье рассмотрены компьютерные технологии построения аналитических аппроксимаций также рельефа местности в локальном варианте с использованием системы прямоугольных декартовых координат. При этом будет рассмотрена предложенная В.Н. Страховым аппроксима-ционная конструкция использования метода линейных интегральных представлений: нахождение спектров Фурье элементов аномальных потенциальных полей (Б-аппроксимация). Аналитическая аппроксимация рельефа позволяет затем решать другие геофизические и геодезические задачи. В частности, можно определить спектральные составляющие высотных отметок рельефа или значений глубин, представленных в виде равномерной сетки (грида), оценить интенсивность коротковолновых и длинноволновых компонент.

Нами рассматривались задачи с относительно небольшим количеством точек (<6000). Поэтому возникающие системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) решались тремя методами: методом М.М. Лаврентьева (в модификации В.Н. Страхова), методом регуляризации разложения Холецкого и итерационным методом, разработанным В.Н. Страховым. В примерах с большим количеством точек (9000-30000) СЛАУ решались с помощью двух модификаций метода блочного координатного спуска [Страхов и др., 2001].

В Заключении приводится анализ эффективности предлагаемых компьютерных технологий и рассматриваются перспективы их дальнейшего развития.

1. Алгоритмы построения аналитических аппроксимаций аномальных гравитационных и магнитных полей с помощью интеграла Фурье (F-аппроксимация)

В 50-е - 80-е в гравиметрии и магнитометрии благодаря исследованиям отечественных (К.В. Гладкий, Ф.М. Гольцман, В.Н. Луговенко, В.Р. Мелихов, С.А. Серкеров, Т.Н. Симоненко, O.A. Соловьев, В.Н. Страхов, Г.А. Трошков, С.В. Шалаев и др.) и зарубежных (B. Bhattacharryya, N. Barber, W. Dean, W. Hahn, P. Naidu, N. Neidell, F. Syberg и др.) ученых достаточно широко использовались методы обработки и интерпретации данных гравитационных и магнитных наблюдений, основанные на использовании аппарата спектрального анализа (анализа Фурье) элементов аномальных потенциальных полей.

При этом предполагалось, что элемент V(x), x = = (xj, x2, x3) аномального поля непрерывно задан на всей бесконечной плоскости x3 = 0 и что однозначно восстанавливается преобразование Фурье F(u, v) элемента V(x) | x = 0 :

F( u,v) = 2П J J V( x)"

x3 = 0

x

(1)

x exp(i(ux 1 + vx2))dx1dx2.

Спектральный анализ в гравиметрии и магнитометрии использовался для решения целого ряда интерпретационных задач.

Обратное преобразование имеет вид:

T i V ( x )} = 2П J J K ( u, v ) F ( u, v )x

x exp(-i(ux1 + vx2))dudv,

(2)

AS ( x ) = -

dVa(x)

д x3

(3)

Здесь иа(х), х = (хь х2, х3) суть потенциал аномального гравитационного поля, а ось 0х3 направлена вверх (в "воздух"), в силу чего в (3) фигурирует знак минус. Будем считать, что рельеф ( высотные отметки или грид глубин) представляет собой предельные значения некоторой гармонической в нижнем (соответственно - верхнем) полупространстве функции, которую будем обозначать так же, как элемент гравитационного поля.

Постановка задачи состоит в том, что вводится

, Э V а ( X ) спектральное представление функции —-, гард х3

монической в полупространстве х3 > -Н (или х3 < Н) через спектр Фурье Е(ы, V) потенциала Уа(х):

д Va ( x ) д x3

Î+œ + оэ

21П J J K( u, v ; x3 + H) F( u, v )

x exp(-i(ux 1 + vx2))dudv =

x

(4)

= 2n J J K(u, v ; x3 + H) ( A (u, v )cos ( ux1 + vx2 ) +

+ B(u, v) sin(ux1 + vx2))dudv. Здесь положено

K( u, v ;x3 + H) = exp (-( x3 + H) u + v ) (5)

где Т{ У(х)} = W(x) есть некоторая линейная трансформанта функции У(х), которой в спектральной области соответствует умножение спектра Е(ы, V) на частотную характеристику К(и, V). Создание численных методов нахождения спектров Фурье Е(и, V), основанных на общей теории метода линейных интегральных представлений, а также разработанных В.Н. Страховым теории и методах нахождения устойчивых приближенных решений линейных алгебраических уравнений большой размерности, позволяет принципиально по-новому подойти к использованию метода анализа Фурье в задачах гравиметрии и магнитометрии.

Рассмотрим основные постановки задач на нахождение спектров Фурье элементов аномальных потенциальных полей по данным экспериментальных исследований этих полей. Для определенности ограничимся случаем гравитационного поля и задания значений одного элемента:

F( u, v) = A(u, v) + iB( u, v).

(б)

Основная вариационная постановка на нахождение функций А(и, V) и В(и, V) (действительной и мнимой частей комплексного спектра Фурье) имеет следующий вид [Страхов, Керимов, 1999]:

J J |F(u, v)|2dudv =

= J J (A2(u, v) + B2(u, v) )dudv = mi

J J A(u,

(7)

min

v) B (u, v)

при линейных условиях

A*-¿J J K{u v ; x3°+H) x

и

X [A(и, V) 008 (ux(1') + +

+ В(и, v)sin(их'1) + vx2¡))]dudv = 0,

; = 0, 1, 2, N,

где положено

/;,5 = V (х( ;)) + 5 У,..

Задача (5)-(8) решается методом множителей Лагранжа. Имеют место представления

дятся из решения системы линейных алгебраиче-(8) ских уравнений (СЛАУ):

А Х = /5, (17)

в которой А есть ^ X N - матрица со свойством

А = Ат > 0 (18)

и элементами а , 1 < р, д > N:

(9)

ард

А ( и, V) = ^Х;Р;( и, V) ,

г = 1

N

В( и, V) = ^Х;0;(и, V) ,

(10)

[Рр(и, V)Рд(и, V) + 0р(и, V)0д(и, V)]dudv,

(19)

; = 1

где положено

а /5 есть N - вектор с компонентами /; 5, определенными по (3.9), X - есть N - вектор с компонентами Х;.

Выражение (19) с учетом (15)-(16) можно

Р;(и, V) = К(и, V, х3) + Я)008(их(/) + Vх2;)),(11) предста,ить в следующем ,иде:

2 п

0;(и, V) = К(и, V, х3) + Н)8т(их1) + Vх2^, 2п

(12)

1 Г Г -(х3р) + х3д) + 2 Н ^ и2 + V2

= —2 IIе X

4 п2-1 -1

(20)

; = 1, 2, N. С учетом (5) имеем:

X 008(и(х 1р) - х1д)) + V(х2р) - x2q)))dudv,

N . ,-

1 V л -(Хз) + Н>л/и2 + V2

А(и, V) = — ^Х е X

; = 1

N

X 008(их1) + vx2¡)) = ^Х;Р;(и, V),

; = 1

N ¡ п-^

1 ^ -(х3° +и2+ В(и, V) = —^Х ;е X

(13)

т.е. дело сводится к вычислению интегралов вида

П- Гг 2

е- и + v 008(аи + Pv)dudv, (21)

где

г = х3р) + х3д) + 2 Н.

(22)

= 1

В работе [Страхов, Керимов, 1999] был описан следующий способ вычисления интегралов вида (14) (21). Переходим к полярным координатам, полагая

X 8Ш ( их1) + vx2¡)) = £Х 0;( и, V),

; = 1

где

1 -(х3) + Н)1и

Р; (и, V) = 2П е

1 -(х'З) + Н)„[и

008 ( их1 ) + vx2¡ )), (15)

и = Г008 ф,

V = Г 8Ш ф,

0 <ф< 2 п,

в = р sin б, а = р 008 б,

р = л/а2 + в2,

б = агс12в. а

(23)

б;(u, v) = 2Пе 43 sin(их1) + vх2)). (16) Это приводит интеграл /а, р(г) к следующему виду:

Как показано в [Страхов, Керимов, 1999; Страхов и др., 2000а; Страхов и др., 2000в] значения параметров Х; (множителей Лагранжа) нахо-

2п

,р(г) = | dф|г008(рг008(ф - б))ezГdг. (24)

0 0

N

а

рд

N

J

Имеем:

d

J re zr cos (p r cos (ф - 6)) dr =

z_ = z - p 2 cos ( ф - 6 )

dzz2 + p2cos2^ - 6) z2 + p2cos(ф - 6)2

(25)

Подставив выражение (25) в (24), получим

2п -

Jа, ß( Z) = J

2п -6 2 2 2 2 1 (26)

p - zp cos фdф = п 1

, 2 2 2 ,2^ z3 П-2'

(z + p cos ф) z Vz2 + p2

Окончательное выражение для элементов матрицы для второй постановки выглядит следующим образом:

ap, q

(27)

4п( x3p) + x3q) + 2 H )3[( x3p) + x3q) + 2 H )2 + (x1p) - x1q))2 + (x2p) - x2q))2 ]2

Решая систему (17)-(19), мы находим множители Лагранжа Хг, г = 1, 2, ..., N и, тем самым, спектры искомых элементов аномальных полей или рельефа К(и, V, х3 + Н)Е(и, V), |К(и, V, х3 + + Н)Р(и, у)|2. Последнее выражение представляет собой зависимость квадрата амплитуды спектра от частот и и V - энергетический спектр на высоте Н (или глубине Н, если рассматривается "грид" глубин).

2. Компьютерные технологии нахождения линейных аналитических аппроксимаций гармонических функций (элементов потенциальных полей) в локальном варианте

Выше были рассмотрены алгоритмы построения аппроксимационных конструкций аномального гравитационного и аномально

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.

Показать целиком