ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 463, № 3, с. 337-342
= ГЕОФИЗИКА =
УДК 550.834
КВАЗИТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЛИТОСФЕРЫ ФЕННОСКАНДИНАВСКОГО ЩИТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТОВ BEAR И FENICS
© 2015 г. А. А. Жамалетдинов, М. С. Петрищев
Представлено академиком РАН Е.П. Велиховым 26.03.2014 г.
Поступило 26.03.2014 г.
По результатам совместной обработки экспериментов BEAR и FENICS составлена квазитрехмерная модель электропроводности литосферы Фенноскандинавского щита, представленная в виде срезов электрического сопротивления в интервалах глубин 0—10, 10—30, 30—60 и 60—140 км. Слой в диапазоне 0—10 км характеризуется наличием коровых аномалий со значениями продольной проводимости S до 10 ■ 103 См. Слой в диапазоне 10—30 км, характеризуется однородным высоким удельным сопротивлением порядка 100 ■ 103 Ом ■ м. Интервал глубин 30—60 км характеризуется средним сопротивлением 10 ■ 103 Ом ■ м. На этом фоне выделяется обширная область пониженного удельного сопротивления (до 103 Ом • м), пространственно совпадающая с областью погружения границы Мохо с 35—40 до 60 км.
DOI: 10.7868/S0869565215210215
Принято считать, что древние кристаллические щиты являются идеальными территориями для изучения глубинного строения литосферы электромагнитными методами. Основанием к этому служит отсутствие проводящего осадочного чехла, экранирующего в платформенных районах высокочастотную область спектра электромагнитного поля. Именно по этой причине Фенноскандинав-ский (Балтийский) щит, достигающий по площади 1 млн км2, издавна привлекал внимание геофизиков, занимающихся фундаментальными проблемами физики Земли. Однако несмотря на большое число проведенных исследований, до настоящего времени не достигнуто единого мнения о строении литосферы и о природе геофизических границ. Наиболее дискуссионными являются вопросы о природе и положении промежуточных проводящих слоев в земной коре, о границе и объеме коровых проводников и их природе, о наличии или отсутствии астеносферы в основании верхней мантии и др. В 1998 г. в рамках проекта Свека-лапко был предпринят международный эксперимент BEAR (Baltic Electromagnetic Array Research)
Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской Академии наук E-mail: abd.zham@mail.ru
Геологический институт Кольского научного центра Российской Академии наук, Апатиты Мурманской обл.
для поиска ответов, по крайней мере, на часть из перечисленных выше вопросов [1, 2].
Эксперимент BEAR основан на проведении синхронных магнитотеллурических зондирований (МТЗ) на 45 станциях, размещенных по сети 150 х 150 км на территории Швеции, Финляндии и России (рис. 1а). Экспериментальные наблюдения проводились в течение июня—июля 1998 г. Обработка и интерпретация результатов проводились в 1999—2002 гг. международной кооперацией при финансовой поддержке гранта INTAS (проект BEAR-PMI). Координатор проекта T. Ko-rja (Финляндия), сокоординаторы по разделам М. Смирнов (обработка), И. Варенцов (моделирование), L. Pedersen и А. Жамалетдинов (интерпретация). Результаты обработки и интерпретации данных эксперимента BEAR изложены в большом числе работ [2—6]. Однако единого подхода к анализу данных и, соответственно, общепринятого результата интерпретации до сих пор не получено. Основной причиной этого послужил широкий разброс данных, достигающий шести порядков по уровню кривых кажущегося удельного электрического сопротивления рг. Пример "максимальных" кривых рГ в точках BEAR приведен на рис. 1б. Можно
max
видеть, что значения рг на массиве данных изменяются от 105 до 10-1 Ом • м. "Минимальные"
min /-л
кривые рг не приведены. Они имеют тот же вид,
max
что и рг , но смещены вниз в среднем на один порядок.
0° 10° 20° 30° 40° в.д.
Рис. 1. Схема расположения пунктов зондирования (а) и сводка максимальных кривых кажущегося сопротивления в эксперименте BEAR (б) в сопоставлении с "нормальной" кривой кажущегося сопротивления (CS normal) и с глобальной кривой МВЗ (Global).
Как уже отмечалось, разными авторами было предпринято несколько попыток решения обратной задачи эксперимента BEAR на основе 1D- и 2D-моделей [2—6]. В настоящей работе предпринят принципиально новый подход к интерпретации результатов эксперимента BEAR. Он опирается на применение двух регуляризирующих параметров (постулатов, априорных ограничений), установленных ранее по результатам электромагнитных зондирований с мощными контролируемыми источниками [7]. Согласно первому постулату принято, что так называемые "коровые" аномалии проводимости связаны с присутствием электронопроводящих сульфидно--углеродистых пород и распространены исключительно в пределах верхнего слоя земной коры мощностью 10 км [7]. Из этого ограничения непосредственно сле-
дует вывод о том, что влияние коровых проводников на результаты МТЗ имеет статический характер и может быть учтено по методу И.И. Рокитян-ского [8] путем смещения кривых рг по оси кажущегося сопротивления до совпадения правых, низкочастотных ветвей с глобальной кривой магнитовариационного зондирования (МВЗ).
Второй постулат основан на утверждении, что верхний слой земной коры мощностью 10 км вместе с залегающими в нем коровыми проводниками располагается на горизонтально однородном плохо проводящем основании. Его параметры определяются "нормальным" геоэлектрическим разрезом и зависят только от вертикальной координаты Z. "Нормальный" разрез показан в левой части рис. 1б в виде полосы CS normal. Возможность введения второго постулата стала наиболее
с.ш.
70°
60°
10° 20° 30° 40°
в.д.
Рис. 2. Положение точек МТЗ в экспериментах BEAR и FENICS и профилей двухмерных разрезов, использованных при построении квазитрехмерной модели строения литосферы: 1 — пункты зондирования в эксперименте BEAR, 2 — профили BEAR; 3 — пункты зондирований в эксперименте FENICS, 4 — профили FENICS.
очевидной после экспериментов FENICS-2007 и FENICS-2009 [9]. В ходе этих экспериментов были выполнены глубинные зондирования на удалениях до 700 км от двух взаимно ортогональных питающих линий (промышленных ЛЭП протяженностью 109 и 120 км) и установлено, что функция отклика нижнего полупространства (глубже 10 км) не зависит от направления поляризации первичного поля. Этот, а также целый ряд других результатов, полученных не только на Фенноскандинавском щите, но и на Русской платформе с разносами до 600—700 км от промышленной ЛЭП протяженностью 470 км [10], дали основание утверждать, что глубже 10—15 км земная кора горизонтально однородна и обладает высоким удельным электрическим сопротивлением (104—105 Ом • м и выше).
С учетом описанных двух постулатов (регуля-ризирующих факторов) процедура обработки и интерпретации данных эксперимента BEAR была разбита на пять этапов. На первом этапе был создан массив результатов первичной обработки эксперимента BEAR на основе базы данных, созданной М.Ю. Смирновым и Т. Корья [1, 2]. Массив результатов включает значения эффективного кажущегося сопротивления pT и фазы импеданса Дф для 45 точек магнитотеллурического
зондирования. Кривые pT находили путем первоначального поворота матрицы тензора импеданса в диагональное положение с разделением амплитудных и фазовых кривых на максимальные и ми-
нимальные. Затем матрица тензора импеданса поворачивалась на 45°. В результате такого поворота были получены кривые эффективного сопротивления, несущие на себе осредненную информа-
г- ef / max min
цию о глубинном разрезе, вида рT = \pT Рт .
На втором этапе выполнена корректировка эффективных кривых за статическое смещение (static shift) с последующим определением значения коровой аномалии электропроводности. Коррекцию проводили по методу И.И. Рокитянского [8] с использованием глобальной кривой МВЗ на низких частотах. Глобальная кривая МВЗ представлена в правой части рис. 1б полосой Global по данным
[11]. Кривые pT при этом смещались вдоль оси сопротивлений до совпадения их правых, низкочастотных ветвей с глобальной кривой. По амплитуде смещения кривой pT определяли отношение
Global
8S = Рт на периоде 10000 с. Значение 8S исполь-PT
зовали для расчета продольной проводимости коро-
„ t-tanom
вой аномалии S с помощью выражения
t^anom 0norme, о тг и
S = S öS . При этом за нормальное значение продольной проводимости верхней части земной ко-
norm
ры S принималось среднестатистическое значение 1 См для верхнего 10-километрового слоя земной коры [7]. Среднее значение удельного сопротивления верхней части земной коры в отсутствие коровых аномалий принято равным 104 Ом • м.
с.ш.
70°
60°
10°
20°
30°
40° в.д.
/м/Ъ V
А*. : ^ '"¿у*
Рис. 3. Положение коровых аномалий электропроводности, установленных по результатам обработки эксперимента BEAR (а), и коровых аномалий электропроводности, прослеженных ранее, по результатам обобщения геолого-геофизических данных [12] (б). Условные обозначения те же, что на рис. 2.
На третьей стадии выполнена коррекция левых,
высокочастотных ветвей кривых pf (выше 0.1 Гц) путем сплайн-интерполяции кривых, исправленных за static shift, до совмещения их с "нормальной" кривой кажущегося сопротивления (полоса CS normal в левой части рис. 1б), полученной по результатам зондирований с мощными контролируемыми источниками [7, 9, 10]. В результате был создан банк откорректированных кривых кажущегося сопро-
ef, cor л
тивления pf , содержащих информацию только об электропроводности нижней части земной коры (глубже 10 км). Затем была выполнена одномерная
ef, cor
интерпретация откорректированных кривых pf методом контролируемой дифференциальной трансформации [12].
На четвертом этапе выполнен расчет двухмерных разрезов сопротивления по 50 профилям, опирающимся на пункты зондирования в экспериментах BEAR и FENICS. Результаты эксперимента FENICS приняты в расчет по данным [9], где они, в отличие от эксперимента BEAR, были обработаны по стандартной схеме, без привлечения поправочных коэффициентов за static shift, поскольку точки наблюдений располагались вдали от влияния коровых аномалий проводимости, в пределах выходов нижнеархей
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.