Алексеев Дмитрий Александрович
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
|
содержание |
Актуальность. Исследование глубинного строения и геодинамических процессов, протекающих в зонах субдукции, является фундаментальной задачей геодинамики. Зоны субдукции - важнейшие элементы глобального "конвейера", с которыми связаны такие явления как сейсмичность, вулканизм, образование внутренних бассейнов и т.д.
Электромагнитные (магнитотеллурические и магнитовариационные) зондирования, наряду с сейсмологией являются одним из основных инструментов при исследовании глубинного строения Земли. Оценка таких параметров мантийных недр, как содержание воды и температурный режим не может быть получена без привлечения данных электромагнитных наблюдений.
В зависимости от параметров субдукционного процесса различают несколько основных типов субдукции [Хаин, Ломизе, 2005]. Их характер может быть весьма разнообразным: океаническая литосфера может субдуцировать под другую, более легкую, океаническую литосферу (Марианский тип субдукции), либо под более легкую континентальную литосферу. В последнем случае наблюдаются ситуации с раскрытием задугового бассейна (японский тип субдукции) или без такового (андский тип). Типичным примером субдукционной зоны андского типа является зона субдукции плиты Хуан-де-Фука, геоэлектрическое строение которой изучалось в рамках проекта EMSLAB [Ваньян и др., 2002]. Следует отметить, что эта субдукционная система характеризуется выдержанным субмеридиональным простиранием основных геоэлектрических структур и с высокой степенью точности допускает двумерную аппроксимацию.
Имеющиеся геофизические (главным образом, сейсмологические) данные указывают на то, что Дальневосточный регион (зона субдукции японского типа) характеризуется гораздо более сложным глубинным строением. Кроме того, интерпретация данных глубинной геоэлектрики сильно затруднена ввиду сложной трехмерной геоэлектрической структуры приповерхностной части разреза, характеризуемой существенными контрастами электропроводности. Аномалии, связанные с этими контрастами - трехмерный береговой эффект, - существенно затрудняют выделение глубинной информации.
Актуальность исследований определяется необходимостью разработки эффективных подходов к интерпретации данных магнитотеллурических и магнитовариационных данных в условиях сложного глубинного строения зоны субдукции, а также в присутствии сильного искажающего действия трехмерного берегового эффекта.
Целью работы является разработка методики интерпретации данных глубинного электромагнитного (магнитотеллурического и магнитовариационного) зондирования в сложной геоэлектрической ситуации, типичной для зоны субдукции японского типа. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Построить 3D-геоэлектрическую модель идеализированной зоны субдукции японского типа на основании прогнозных оценок глубинной электропроводности и современных представлений о тектоническом и геоэлектрическом строении района Японского окраинного моря, включающей такие "целевые" структуры, как зона <влажного> плавления (астеносфера) под окраинным морем и цепочка магматических очагов в основании островной дуги.
2. Провести трехмерное и двумерное численное моделирование электромагнитного (ЭМ) поля и последующий расчет различных магнитотеллурических (МТ) и магнитовариационных (МВ) функций отклика (тензора импеданса, горизонтального магнитного тензора, типпера).
3. Изучить явление нарушения дисперсионного соотношения в TE-импедансе, наблюдаемого на дне океана в зоне континентального склона.
4. Оценить чувствительность различных компонент ЭМ-поля и различных МТ/МВ-функций отклика к присутствию целевых структур, а также выделить наиболее чувствительные компоненты (функции отклика).
5. Оценить степень влияния трехмерных неоднородностей электропроводности на различные компоненты ЭМ-поля и различные МТ/МВ-функции отклика с последующим выделением компонент (функций отклика), являющихся наиболее устойчивыми к подобным искажениям.
6. Выполнить двумерную инверсию различных ансамблей трехмерных синтетических данных (МТ/МВ-функции отклика) в последовательном и параллельном вариантах; выработать оптимальную стратегию инверсии.
7. Применить оптимальную стратегию инвесии при интерпретации МТ/МВ данных по профилю "Магнитная обсерватория CHC (г. Чанчунь, Китай) - донная обсерватория NWP (северо-западная часть Тихого океана)".
Автором защищаются следующие основные положения:
1. В рассмотренной геоэлектрической модели субдукционной зоны японского типа магнитотеллурическое поле имеет существенно трехмерный характер. Отличие в магнитотеллурических полях, рассчитанных для данной модели и для ее двумерного аналога, сопоставимо с аномальным эффектом от изучаемых глубинных неоднородностей электропроводности в земной коре и верхней мантии.
2. Наиболее информативными по отношению к глубинным проводящим структурам являются квазипродольные компоненты тензора импеданса и горизонтального магнитного тензора. В то же время, вертикальная компонента магнитного поля, в первую очередь, определяется горизонтальными изменениями электропроводности в приповерхностной части разреза, обусловленными переходом от океана к островной дуге, затем к окраинному морю и, наконец, к континенту.
3. В прибрежной зоне на дне океана выявлена аномалия TE-моды магнитотеллурического поля. В данной области нарушается дисперсионное соотношение, связывающее модуль и фазу продольного импеданса. Это явление наблюдается как в двумерной, так и в трехмерной моделях берегового эффекта.
4. В трехмерной геоэлектрической модели субдукционной зоны японского типа можно проводить двумерную интерпретацию магнитотеллурических данных по профилям, идущим вкрест островной дуги. Полученное решение будет устойчивым при использовании априорной информации по нормальному геоэлектрическому разрезу мантии Земли. Необходимым условием успешной интерпретации является совместное использование тензора импеданса и горизонтального магнитного тензора, полученных по данным как сухопутных, так и донных наблюдений.
Научная новизна. В ходе выполненных исследований получены следующие новые научные результаты:
построена прогнозная модель электропроводности зоны субдукции японского типа;
изучена чувствительность различных МТ/МВ-функций отклика к элементам глубинного геоэлектрического строения зоны субдукции Японского типа;
исследована устойчивость МТ/МВ-функций отклика к влиянию интенсивных трехмерных контрастов электропроводности;
развита методика интерпретации донных МТ-данных, основанная на выделении наиболее информативных компонент трехмерных данных и их последующей двумерной инверсии с приоритетом квазипродольного импеданса.
построена глубинная геоэлектрическая модель по профилю "Магнитная обсерватория CHC - донная обсерватория NWP", подтверждающая присутствие проводящей астеносферы под акваторией Японского моря.
Практическая значимость. Разработанная методика интерпретации МТ-данных может быть применена при изучении геоэлектрического строения зон субдукции японского типа по данным глубинных электромагнитных зондирований. Построение геодинамической модели Дальневосточного региона на основании выработанных подходов может быть использовано для прогноза сейсмичности и разведки геотермальных ресурсов.
Материалы и методы. Эксперименты по численному моделированию и инверсии магнитотеллурических данных выполнялись с использованием программ Р. Мэкки и Ив.М. Варенцова. Был разработан пакет программ для визуализации и редакции трехмерных и двумерных геоэлектрических моделей, а также для визуализации результатов моделирования, расчета различных функций отклика и их трансформант. При построении геоэлектрической модели по профилю "обсерватория CHC - донная обсерватория NWP" были использованы данные, доступные в архивах INTERMAGNET и обработанные Ив. М. Варенцовым. Кроме того, отдельные компоненты данных были заимствованы из ряда зарубежных и отечественных публикаций.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на XVIII и XIX Международных конференциях по электромагнитной индукции в Земле (Испания, Эль Вендрель, 2006; Китай, Пекин, 2008), а также на ряде семинаров, организованных в рамках совместного российско-японского проекта (РФФИ N07-05-91206-ЯФ-а) по изучению зоны перехода от Евразийского континента к Тихому океану: в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, 2007; Институте изучения землетрясений Токийского университета и в Университете г. Тояма (Япония, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи в изданиях по перечню ВАК.
Объем и структура работы. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 11 таблиц, 91 рисунок, а также список литературы из 86 наименований.
Благодарности.
Я особенно благодарен М.Н. Бердичевскому, явившемуся инициатором настоящих исследований. Также я выражаю огромную признательность научному руководителю А.Г. Яковлеву за его неизменную поддержку, расширение научного кругозора. Постоянные консультации оказывал мне Н.А. Пальшин, который предоставил материалы МТ наблюдений в Япономорском регионе и по существу был соруководителем. Без программного обеспечения, разработанного Ив.М. Варенцова были бы не возможны эксперименты по инверсии донных МТ-данных. Значительную помощь оказывали мне В.К. Хмелевской, А.А. Булычев, И.Н. Модин, а также мои коллеги Д.В. Яковлев и Е.Д. Алексанова.
| 