Развитие методов интерпретации данных геоэлектрики в зонах субдукции японского типа

Глава 4. Анализ синтетических магнитотеллурических функций отклика в идеализированной 3D-геоэлектрической модели субдукционной зоны.

При построении 3D-геоэлектрической модели учитывалась специфика геологического строения Япономорского региона: латеральные размеры и характерная глубина задугового бассейна; идеализированные очертания островов вулканической дуги; батиметрические параметры глубоководного желоба и абиссальной котловины; наклон и глубина прослеживания субдукционного слэба; параметры крупных геоэлектрических структур, присутствие которых ожидается в разрезе - линзовидной астеносферы под Японским морем и магматического очага, питающего вулканы островной дуги; параметры фоновых глубинных геоэлектрических разрезов континентальной и океанической частей разреза.

Построение модельного ряда проводилось в несколько этапов. На первом этапе была создана базовая 3D-геоэлектрическая модель "3DS1" (рис. 5). В основе этой модели лежит двумерное фоновое распределение электропроводности, состоящее из континентального и океанского блоков. В интервале глубин от 0 до 500 км блоки имеют различные "нормальные" разрезы, построенные в соответствии с современными представлениями об электропроводности литосферного и мантийного вещества [Ваньян и др, 2001]. На глубинах свыше 500 км континентальный и океанический разрезы совпадают.

Фоновое распределение электропроводности осложнено такими геоэлектричесми элементами, как: вулканическая островная дуга, область окраинного моря, субдукционный слэб. Кроме того, модель содержит две глубинные проводящие структуры ("mc" и "as"), имитирующие, соответственно, зону плавления под вулканической дугой и линзовидную астеносферу под окраинным морем (рис. 5в). Следует отметить, что проводящие элементы "mc" и "as" представляют ключевой интерес в настоящем исследовании и играют роль целевых структур.

Для изучения характеристик аномальных эффектов МТ/МВ функций отклика, связанных с элементами "mc" и "as", была построена модель "3DS2". Модель "3DS2" отличается от модели "3DS1" отсутствием элементов "mc" и "as". Сопоставление результатов моделирования, полученных для моделей "3DS1" и "3DS2", было направлено на оценку чувствительности различных МТ/МВ функций отклика по отношению к целевым структурам.

Трехмерное численное моделирование ЭМ поля в диапазоне периодов от 0.5 до 16 ч выполнялось с использованием программы Р. Мэкки, построенной на методе конечных разностей [Mackie et al., 1994]. Для визуализации и редакции моделей, а также для визуализации моделируемых данных использовался пакет программ, разработанный автором. Расчет поля проводился на дневной поверхности в пределах континентальной части модели и на дне водной толщи в пределах ее океанской части. По полученным значениям компонент ЭМ поля был построен набор МТ (кажущееся сопротивление и фаза импеданса), а также МВ (горизонтальный магнитный тензор) функций отклика. При вычислении компонент магнитного тензора в качестве "нормального" пункта использовался пункт "BMT", расположенный в пределах континентальной части модели на удалении порядка 700 км от внутреннего берега окраинного моря.

Чувствительность различных функций отклика к присутствию геоэлектрических элементов "mc" и "as" оценивалась путем сравнения результатов моделирования, полученных для моделей "3DS1" и "3DS2". Сопоставление псевдоразрезов вышеуказанных функций отклика, построенных вдоль "центрального" профиля для моделей "3DS1" и "3DS2" (рис. 6), а также псевдоразрезов соответствующих разностных характеристик (рис. 7) дает возможность количественно оценить проявленность структур "as" и "mc".

Наблюдаются следующие основные закономерности поведения функций отклика:

Модуль горизонтального магнитного тензора M в пределах окраинного моря в диапазоне периодов 0.5-3 ч снижает значения с 0.9-1 до 0.5-0.6. На дне океана эти значения становятся еще меньше, достигая 0.1 и менее.

Фаза квазипоперечного импеданса φ_xy характеризуется чередующимися аномалиями в береговых зонах окраинного моря, а также в центральной части последнего.

Фаза квазипродольного φ_yx импеданса характеризуется более яркими (30^o и более) аномалиями по сравнению с фазой квазипоперечного импеданса. В районе глубоководного желоба наблюдается выход значений за границы "нормального" квадранта, сопровождаемый нарушением дисперсионного соотношения.

Квазипоперечное кажущееся сопротивление ρ_xy имеет интенсивные чередующиеся разнознаковые аномалии в береговых зонах, областях окраинного моря, островной дуги и при переходе к океану. Изменения значений при увеличении периода выражены крайне слабо. На квазипродольное кажущееся сопротивление ρ_yx также существенно влияют структуры окраинного моря и островной дуги. В то же время, достаточно ярко проявлены структура "as" и, в меньшей степени - структура "mc". Квазипоперечная компонента матрицы Визе-Паркинсона W_zy на профиле "A" имеет очень малые значения модуля в силу симметрии модели, а квазипродольная W_zx характеризуется яркими аномалиями, связанными с горизонтальными изменениями электропроводности в приповерхностном слое.

Наиболее высокая чувствительность к глубинным проводящим структурам "as" и "mc" отмечается у квазипродольного импеданса (компонента yx) и компоненты M_xx горизонтального магнитного тензора в интервале периодов 0.5-3 ч. Соответствующий аномальный эффект по отношению к структуре "as" характеризуется 10-кратным изменением значений кажущегося сопротивления, составляет 20^o в терминах разности фаз и 40-45% для магнитного тензора. Структура "mc" характеризуется схожими значениями соответствующих аномальных эффектов. Кроме того, по отношению к элементу "mc", имеющему квазидвумерную конфигурацию, отмечается яркая аномалия квазипоперечного кажущегося сопротивления ρ_xy. Квазипродольная компонента матрицы Визе-Паркинсона W_zx в пределах островной дуги имеет чувствительность к элементу "mc" (аномальный эффект достигает 0.3). В то же время, на дне окраинного бассейна она оказывается практически нечувствительной к присутствию структуры "as".

Оценка величины и характера трехмерных искажений ЭМ-поля проводилась путем сопоставления результатов моделирования, полученных для моделей "3DS1" и "2DS1-A". Модель "2DS1-A" является двумерным аналогом модели "3DS1" и описывает двумерное распределение электропроводности модели "3DS1" в разрезе вдоль профиля "A".

Уровень трехмерных искажений в квазипродольной моде ЭМ-поля по сравнению с квазипоперечной модой является существенно более высоким. Максимальные расхождения между трехмерным и двумерным квазипродольным кажущимся сопротивлением ρ_yx достигают одного порядка; их высокие значения отмечаются на отдельных участках профиля во всем интервале периодов моделирования поля. Фаза квазипродольного импеданса и квазипродольная компонента M_xx магнитного тензора также характеризуются интенсивными 3D-искажениями. Квазипоперечная мода ЭМ-поля демонстрирует существенно более высокую устойчивость по отношению к влиянию контрастных трехмерных геоэлектрических структур, присутствующих в модели.

На профилях "B" и "C" уровень трехмерных искажений оказывается еще более высоким, а аномальные эффекты имеют величины, сопоставимые с наблюдаемыми на профиле "A".

Таким образом, установлено, что в рассматриваемой модели субдукционной зоны японского типа магнитотеллурическое поле имеет существенно трехмерный характер. Уровень трехмерных искажений функций отклика сопоставим с величиной аномальных эффектов от глубинных неоднородностей электропроводности, представляющих основной интерес исследований, а наиболее информативными по отношению к глубинным проводящим структурам являются квазипродольные компоненты тензора импеданса и горизонтального магнитного тензора.