ГЕОТЕКТОНИКА, 2009, № 3, с. 45-50
УДК 551.24.05
О ГЛУБИННОМ СТРОЕНИИ котловины восток (ВОСТОЧНАЯ АНТАРКТИДА) ПО МАТЕРИАЛАМ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
© 2009 г. Э. В. Исанина1, Н. А. Крупнова1, С. В. Попов2, В. Н. Масолов2, В. В. Лукин3
Российский геоэкологический центр филиала "Урангео" 195197, Санкт-Петербург, Кондратьевский просп., д. 40, корп. 13 2Полярная морская геологоразведочная экспедиция (ПМГРЭ), 198412, Санкт-Петербург, г. Ломоносов, ул. Победы, д. 24 3Российская Антарктическая Экспедиция (РАЭ), 199397, Санкт-Петербург, ул. Беринга, д. 38
Поступила в редакцию 19.08.2008 г.
В период с 7 декабря 2002 г. по 23 января 2003 г. (сезон 48 РАЭ) в южной части под-ледникового озера Восток выполнялись сейсмологические наблюдения методом обменных волн землятресений с целью изучения особенностей строения земной коры. Было выставлено три пункта наблюдений. Один из них располагался на станции Восток, два других находились на удалениях 8.7 и 12.02 км к востоку и западу от станции. В результате проведенных исследований выявлено, что в указанном районе мощность земной коры составляет 34-36 км. Она подразделяется на 3 блока различных рангов. Один из них располагается непосредственно под котловиной Восток и характеризуется пониженной скоростью распространения сейсмических волн. В земной коре выявлено 7 границ обмена. Полученные данные позволяют предположить увеличение геотермального потока в районе котловины Восток и к востоку от нее. Обнаружена сейсмическая расслоенность ледникового покрова, которая коррелирует с данными радиолокационного профилирования и строением ледника по данным керна скважины 5Г-1. Границы в толще ледника в районе станции Восток располагаются на глубинах 700 ± 100 м, 1600 ± 100 м и 2200 ± 100 м.
ВВЕДЕНИЕ
В центральной части Восточной Антарктиды в начале 1990-х годов в результате анализа данных спутниковой альтиметрии [18] было обнаружено обширное подледниковое озеро. Оно располагается в районе российской станции Восток. С 1995 г. года наша страна проводит комплексные наземные геофизические исследования в этом районе. Они включают в себя радиолокационное профилирование и сейсмические зондирования MOB [5, 6, 14, 15]. Изучение этого уникального природного феномена привлекает научную общественность ввиду того, что озеро Восток является самым большим из известных подледнико-вых водоемов [5, 7]. Кроме того, здесь, начиная с 1970 г., осуществляется бурение ледника с отбором керна. На настоящий момент забой скважины 5Г-1 располагается менее чем в 100 м от поверхности озера. Изучение этого природного феномена является одной из национальных программ, осуществляемых в рамках Международного Полярного Года, и весомым вкладом российских ученых в изучение Центральной Антарктиды.
Отечественные геофизические исследования привели к достаточно детальному освещению вопросов морфологии коренного рельефа котловины Восток и ее бортов [16], что явилось первым
этапом в изучении строения этой территории. Вторым шагом на пути к пониманию его глубинного строения стало выполнение сейсмологических исследований в этом районе, чему и посвящена настоящая работа.
Метод обменных волн от землетрясений (МОВЗ) используется в отечественной и зарубежной геофизике с 1964 г. Он зарекомендовал себя незаменимым при изучении глубинного строения земной коры [1, 2, 8, 9, 14]. Метод основан на регистрации и последующей интерпретации проходящих обменных волн Р5 типа, т.е. продольных волн (Р), трансформированных в поперечные (5) на границах раздела сред. Принципиальное преимущество использования обменных волн от далеких землетрясений состоит в том, что они распространяются от подошвы земной коры к точке приема по направлениям, близким к вертикальным (т.е. углы падения на границу обмена не привышают 15°). Это, в свою очередь, приводит к незначительным (от 200-500 м для верхней коры и 6-9 км для нижней) величинам сейсмического сноса, в отличие, например, от метода глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ).
Основной задачей МОВЗ является получение данных о конфигурации сейсмических границ и блоков в земной коре и верхней мантии непосред-
Рис. 1. Схема расположения пунктов наблюдений
мовз
1 - пункты наблюдений; 2 - зеркало озера Восток; 3 - положение профиля АВ
Рис. 2. Схема расположения эпицентров землетрясений
1 - землетрясение произошедшее 27.12.02 в 13:40;
2 - землетрясение произошедшее 04.01.03 в 05:25. Время по Гринвичу
ственно под пунктом наблюдения. Для преобразования временного разреза в глубинный и определения сейсмических сносов необходимы скоростные характеристики среды. Они могут быть получены несколькими способами, включая проведение специальных взрывных работ или используя данные ГСЗ. Последнее представляется наиболее предпочтительным.
Основной особенностью волнового поля МОВЗ является получение данных об обменоспособно-сти среды, которая характеризует относительную интенсивность обменных волн [8, 9]. Она, в свою очередь, характеризует динамическое состояние среды. По аналогии с сейсморазведкой выделяются "сильные" и "слабые" поверхности обменов. Разрезы обмено-способности иллюстрируют наличие структурного узора, который и принято именовать мозаично-блоковым. Необходимо отметить, что помимо глубинного положения границ, по интенсивности волн можно судить об их динамическом и физическом состоянии (например, степени трещиноватости и напряженности), а также об изменении указанных параметров по латерали. Ввиду того, что МОВЗ является пассивным методом исследования, это дает значительные приемущества, по сравнению с активными сейсмическими методами, такими, как MOB или ГСЗ. Во-первых, он существенно дешевле последних, и, во-вторых, при проведении работ не происходит загрязнения окружающей среды.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Сейсмологические исследования в районе озера Восток в течение летнего полевого сезона 48 РАЭ (2002/03 гг.) были сосредоточены на профиле АВ, проходящем через забой скважины 5Г-1 (рис. 1). Наблюдения проводились в период с 7 декабря 2002 г. по 23 января 2003 г. на трех пунктах. Один из них (Р1) располагался на станции Восток, а два других на восточном (Р3) и западном (Р2) бортах котловины озера на удалениях 8.7 и 12.02 км соответственно (см. рис. 1). Регистрация осуществлялась на трехкомпонентную цифровую сейсмостанцию "Дельта-Геон-02" с мгновенным динамическим диапазоном 115 дБ. Цель работ состояла в выявлении особенностей строения земной коры южной части озера Восток.
Источниками волн для МОВЗ являются естественные землетрясения. Волны подходят из различных мест нашей планеты с различными азимутами, и, в конечном итоге, на каждой сейсмологической станции формируется трехмерная модель строения земной коры. В течение 48 суток было зарегистрировано 353 сейсмоявлений, эпицентры большей части которых располагались в южном полушарии (рис. 2). Их идентификация производилась по каталогу IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology). На рис. 3 представлена роза-диаграмма направлений подходов волн к регистраторам. Представленные материа-
с 0°
3 В
270° 90°
\ Ю 180°
Ча>
I Канал 2Т
X
I Канал ТТ~
Y
9 Время, с
I Канал 2Т
X
Y 1 /\л -—Л Л Л \ Г
1 1 1 1 Y i i i i и 1 V
9 Время, с
I Канал 2:
Рис. 3. Распределение землетрясений по азимутам подхода
лы показывают, что даже столь короткого периода наблюдений вполне достаточно для формирования трехмерной модели строения земной коры по профилю. На рис. 4 и 5 представлены типовые записи далеких землетрясений. Положение их эпицентров приведено на рис. 2.
Скоростная модель для формирования глубинного разреза выбиралась, исходя из об-щих представлений о строении земной коры антарктического континента, а также данных ГСЗ, полученных в районе ледника Ламберта (Восточная Антарктида) [13]. Для ее верхней части использовались материалы, полученные в ходе радиолокационных и сейсмических исследований на озере Восток [5, 17]. Средняя скорость и число слоев в коре определялось по данным МОВЗ. Далее, методом последовательных приближений выполнялось решение прямой и обратной задачи вплоть до минимизации расхождения всех известных параметров.
Обменоспособность среды является характеристикой динамического состояния земной коры. Она может быть связана как с наличием различной акустической жесткости на контактах, так и с проявлением различных видов ее напряженного состояния, таких, как растяжения или сжатия [8, 11].
На рис. 6 представлен глубинный разрез земной коры, ее обменоспособности в районе станции Восток. Как видно из рисунка, в районе работ отчетливо выявляются два блока: "западный" (I) и "восточный" (II), Они разделены сквозькоровой
I Канал 3Т
Y
Z
1
9 Время, с
Рис. 4. Запись землетрясения, произошедшего 27.12.02 в 13:40 а - пункте Р2; б - в пункте Р1; в - в пункте Р3
зоной нарушений, граница которой уверенно прослеживается до 50 км. Указанное деление подтверждается изменением мощности земной коры от 34 км в "западном", динамически более стабильном жестком блоке (об этом свидетельствует меньшая интенсивность значений обменоспособности среды) до 36 км в "восточном". В последнем обнаружен блок более высокого ранга названный "озерным" (IIa). Он характеризуется пониженной скоростью распространения волн и повышенной расслоенностью в верхней (до 5 км) части разреза. Зона нарушений, отделяющая его от "восточного" блока, прослеживается в верхней части земной коры до глубины примерно 20 км.
На рис. 4 представлена запись одного из сей-смоявлений с азимутом подхода а = 351 (т.е. есть фронт волн, приблизительно паралельный линии профиля). В пункте Р1 (рис. 46) время регистрации продольной волны самое позднее. Это свидетельствует об уменьшении средней скорости распространения волн в земной коре под котловиной Восток, что и является одной из причин для выделения "озерной" зоны в обособленный динамический блок.
Z
Z
Z
Z ^
■ - ■ •Санал 2: «мди*. v r r J
X
•Санал 3:
Y
1 1 1 1 ' ™ 1 1 1 1 1 1
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Время,
Z ^ . Л /М л ^ л----
£анал 2:
X - . aA A- * А л л Л '
£анал 3: - чЛДу ■ V \
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.