ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 3, №2,2007, стр. 32-38
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 550.837.211
КОМПЛЕКСНЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ИЗУЧЕНИИ
ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ЗЕМЛИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
ЗЕМНОЙ КОРЫ
© 2007 г. Академик В.А. Бабешко1, C.B. Ратнер2, В.В. Лозовой2,
П.В. Сыромятников2
В работе представлены результаты магнитотеллурических исследований района грязевого вулкана Ахтанизовский Краснодарского края. Рассмотрены способы интерпретации полевых данных, минимизирующие влияние геоэлектрического шума, проведено сравнение с результатами сейсмических исследований, обсуждены возможности использования магнитотеллурического метода для изучения глубинного строения Земной коры и получения данных, необходимых для верификации математических моделей.
Оценка сейсмического состояния глубинных слоев Земли относится к числу труднейших задач, с которыми когда-либо сталкивались исследователи. Малоизученными пока остаются факторы внешних воздействий на нижнее основание литосферной плиты (граница Мохоровичича), вызванные глубинной активностью Земли в нижней мантии между границами Гуттенберга и Мохоровичича, где в условиях высокой плотности не исключаются сложные физико-химиче-ские, а возможно и термоядерные процессы, сопровождаемые конвективными движениями жидких масс с выделением тепла, газов и радиации. В то же время эти данные чрезвычайно важны для построения рабочих комплексных математических моделей напряженно-деформированного состояния литосферной плиты с учетом воздействий со стороны верхней мантии. За последние три года отделом проблем математики и механики Южного научного центра РАН совместно с учеными Кубанского государственного университета разработаны теория и методы, позволяющие определить поведение нижнего основания литосферных плит по высокоточным данным на поверхности Земли при условии, что известны физико-механические свойства и геометрия литосферных плит.
Для получения информации о глубинном строении Земли и структуре литосферных плит
1 Кубанский государственный университет, Краснодар.
2 Южный научный центр Российской академии наук, Ро-стов-на-Дону.
используются различные геофизические методы, зачастую комплексно.
В геодинамической модели внутреннего строения Земли астеносфера и литосфера определены в терминах их реологии. Литосфера имеет высокую степень вязкости и может быть разделена на упругую часть, температура в которой менее 350 °С, и неупругую часть, температура в которой выше 650 °С. Ниже литосферы расположена пластичная астеносфера, степень вязкости которой на один-два порядка ниже. Астеносфера представляет собой именно то место в мантии, в котором ближе всего достигается точка плавления для твердых тел. Сейсмические, гравитационные и изостатические наблюдения накладывают ограничения на структуру литосфера-астеносфера в терминах поперечной жесткости, плотности и вязкости, которые являются реологическими свойствами. Анализ поперечных и поверхностных сейсмических волн основывается на оценках зон пониженных скоростей астеносферы на глубинах, сравнимых с ожидаемыми реологическими переходами.
Электромагнитные наблюдения предоставляют дополнительную информацию о структуре литосфера-астеносфера в терминах электрической проводимости. Лабораторные исследования минералов, входящих в состав мантии, показали, что электромагнитные данные обладают высокой чувствительностью к наличию расплавленных или летучих веществ [1]. Таким образом, зоны высокой проводимости в верхней мантии представляют электрическую астеносферу
Рис. 1. Профиль МТЗ (точки А04-А12) и опорная точка А02 в районе грязевого вулкана Ахтанизовский
(содержат расплавленные и/или летучие вещества), которая может отличаться от реологической астеносферы и зон пониженных скоростей. Кроме того, вектор распространения электромагнитных полей в Земле несет информацию об анизотропных свойствах астеносферы и литосферы. В последние десятилетия электромагнитными методами было проведено большое количество экспериментальных исследований, направленных на оконтуривание зон высокой проводимости в верхней мантии, определение расплавленных и летучих фракций и изучение динамики литосферы-астеносферы. Однако несмотря на прогресс, достигнутый в понимании внутреннего строения Земли, полученные результаты подняли новый пласт вопросов, связанных с пористостью и флюидонасьнценностью астеносферы, ее проницаемостью, неоднородностью верхней мантии и литосферы, ответы на которые могут быть получены с развитием и совершенствованием электромагнитных методов исследований.
С целью совершенствования геофизических технологий и верификации математических моделей в период с 20 июля по 10 сентября 2006 года совместными усилиями ученых Кубанского государственного университета, Южного науч-
ного центра РАН и Института физики Земли РАН проводились экспериментальные работы в районе грязевого вулкана Ахтанизовский.
Работы проводились по фланговой расстановке в крест залегания изучаемого объекта. Профиль общей протяженностью 4 км был разбит в непосредственной близости от станицы Ахтани-зовской в северо-восточном направлении. Через 500 м по профилю были установлены пикеты, которые стали точками регистрации естественного электромагнитного поля. Точка выноса (базовая) была удалена от текущего профиля на 15 км. Наблюдения проводились синхронно с базовой точкой. Продолжительность времени регистрации составляла 2 часа. Географическое положение пунктов зондирования на вулкане Ахтанизовский представлено на рис. 1.
Работы проводились с использованием магни-тотеллурических станций MTU-5A производства "Phoenix Geophysics Ltd" (Канада), которые относятся к пятому поколению многофункциональной аппаратуры и обладают качественно новыми характеристиками. Магнитотеллуриче-ские станции MTU-5 и MTU-5A позволяют проводить синхронизированную регистрацию магнитных и электрических компонент магнитного поля в неограниченном числе пунктов в
диапазоне от десятков килогерц до десятичных долей герца и в аудиодиапазоне 1-10 ООО Гц.
Указанная современная измерительная аппаратура и методика полевых работ позволяют при отсутствии промышленных помех получать МТ-данные с погрешностью до 1% для модулей и 1° для фаз главных значений тензора импеданса.
Обработка и интерпретация получаемых маг-нитотеллурических данных является достаточно сложным процессом, поскольку приходится сталкиваться с высоким уровнем промышленных помех и сложным геоэлектрическим строением среды, а также такими теоретическими сложностями, как неоднозначность решения обратной задачи магнитотеллурики [2]. В этих условиях применение какого-либо одного стандартного аппарата обработки и интерпретации далеко не всегда позволяет получить хороший результат.
Основной функцией отклика при магнитотел-лурическом эксперименте является тензор импеданса, который несет информацию о вертикальных и горизонтальных изменениях земной электропроводности и имеет вид
Z =
-уу
Тензор импеданса входит в соотношение между горизонтальными компонентами электрического и магнитного полей:
Ет = [X] Нт,
Ет = Ет(£х, Еу), Нх = НХ(НХ, Ну).
Тогда горизонтальные и вертикальные компоненты электрического и магнитного полей связаны соотношениями
* //и у
F - 7
С. у /-уХ
Их + Z„
Ну
Основной магнитовариационной функцией отклика является типпер [\¥] (вектор Визе-Паркинсона), определяемый из соотношения между вертикальной компонентной магнитного поля и его горизонтальными компонентами
Н =[W] Ht,
где
= иу.
Обратная задача магнитотеллурики заключается в определении геоэлектрической структуры Земли по известной зависимости магнитотеллу-рических и магнитовариационных функций от-
клика от положения точки наблюдения на земной поверхности и частоты колебаний наблюдаемого электромагнитного поля.
Электропроводность с(х, у, г) находится из следующих условий:
[Z] - [Z{x, у, z = 0, со, у, z)} ]
[W]-W{*,y,z = 0,w,a(*,;y,z)}
<67, (1)
<5.
(2)
Здесь [Z], W - соответственно тензор импеданса и типпер, определенные на множестве точек М(х, у) земной поверхности и множестве частот (о; 5г, bw - погрешности определения соответственно [Z], W, [Z] и W — операторы прямой задачи, которые по заданной электропроводности а<д, у, z) вычисляют тензор импеданса и типпер, параметрически зависящие от х, у, со.
Обратная задача включает магнитотеллури-ческую инверсию (1) и магнитовариационную инверсию (2) и решается в классе кусочно-однородных или кусочно-непрерывных моделей, возбуждаемых плоской волной, вертикально падающей на земную поверхность. В результате согласованных инверсий получаем распределение <7(х, у, z), на котором невязки тензора импеданса и типпера не превышают погрешностей исходной информации Sw„ Это распределение образует множество Е§ эквивалентных решений обратной задачи.
Из-за неустойчивости обратных задач магнитотеллурики важным условием получения достоверного и детального разреза является учет всей имеющейся априорной информации, что возможно при использовании метода подбора. Наложение определенных ограничений на геоэлектрическую структуру изучаемого района достигается путем выделения из множества Х5 эквивалентных решений компактного подмножества , которое состоит из решений, достаточно близких к точному модельному решению. Тогда обратная задача магнитотеллурики становится корректной по Тихонову [2]. Множество корректности, в котором ищется решение обратной задачи, образует интерпретационную модель. При конструировании интерпретационной модели были учтены данные сейсмических исследований данного района, проведенных в 2005 г. комплексной эколого-геофизиче-ской экспедицией Института физики Земли РАН, Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Южно-
кзо
г 20 х
мо 1-0
0.5
—|—
1.5
2,5
3,5
пункты МТЗ ЭТАМбЗР
г 0.0001
-г
1.5 2
Масштаб : в 1 см 2 км
Рис. 2. Инверсия кажущегося сопротивления: по амплитуде р, компоненты ХУ и УХ; по фазе, компоненты ХУ и УХ
Рис. 3. Геоэлектрический разрез грязевого вулкана Ахтанизовский, глубина: 1 км (а); 3 км (б); 6 км (в)
го научного центра РАН и Кубанского университета
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.