Геомагнитные исследования при изучении подводных вулканов островных дуг и окраинных морей западной части Тихого океана

Глава 1. Краткий обзор состояния проблемы и методика работ.

Морская магнитометрия является одним из древнейших направлений в изучении магнитного поля Земли и геологического строения дна Мирового океана (Гордин, 2004), а ГМС играет существенную роль при комплексном исследовании подводного вулканизма. В последние 50 лет геомагнитные исследования подводных вулканов (гор) получили широкое распространение. Для аномального магнитного поля (АМП) Мирового океана характерно наличие четких локальных аномалий, приуроченных к подводным вулканам, имеющих амплитуду, достигающую 3000 нТл и горизонтальные градиенты, нередко превышающие 200 нТл/км. Отмечена хорошая корреляция АМП подводных вулканов с их современным рельефом. Наблюдаемые локальные аномалии представляют собой суперпозицию магнитного эффекта от самой вулканической постройки и ее глубинных корней. В областях проявления современного подводного вулканизма горные породы сильно дифференцированы по величине естественной остаточной намагниченности и магнитной восприимчивости.

Со времен пионерских исследований АМП подводных вулканов развиваются два взаимодополняющих направления. При палеомагнитном изучении на основе совместного анализа данных ГМС и эхолотного промера, вычисляется величина и направление вектора эффективной намагниченности, а затем координаты виртуальных палеомагнитных полюсов. Это позволяет оценить возраст образования вулканических построек, а при наличии данных об абсолютном возрасте пород, слагающих вулкан, проводить геодинамические реконструкции. При геолого-структурном изучении на основе геомагнитного моделирования и определения магнитных свойств драгированных пород исследуется строение подводных вулканов и их эволюция.

Первоначально вулканические постройки аппроксимировались вертикальными круговыми конусами и цилиндрами, или набором однородно намагниченных прямоугольных параллелепипедов (Вакье, 1976; Деменицкая и др., 1978; Talwani, 1965). Решалась прямая задача, которая сравнивалась с наблюденным магнитным полем. В последующие годы строились модели состоящие из блоков с различными величиной и направлением вектора намагниченности (Keating, Sager, 1980; Kodama, Ueda, 1979). Выполнялось совместное определение средней однородной и минимальной неоднородной намагниченности внутри вулканической постройки (Hildebrand, Parker, 1987; Parker, 1988; Parker et al., 1987), моделирование, основанное на решении обратной задачи по методу обобщенной линейной инверсии в комплексе с процедурой перепараметризации модели (Иваненко, 1993) и восстановление намагниченности по площади (Бонатти и др., 1997). С появлением современных технологий в последнее время появились новые пакеты программ 3D магнитного моделирования (Бабанц и др., 2004, 2005; Блох и др., 2006; Blanco-Montenegro et al., 2008; Caratori Tontini et al., 2009; Cella et al., 2008; Koyama et al., 2008; Kubota, Uchiyama, 2005; Paoletti et al., 2008), позволяющие определять особенности строения вулканических построек.

В Тихом океане выполнен большой объем гидромагнитных исследований подводных гор (Брусиловский и др., 1992; Городницкий, 1985; Горшков и др., 1980; Жигулев и др., 1988; Рашидов, 1996, 2001, 2005, 2006, 2007, 2009; Рашидов, Гавриленко, 2002; Рашидов и др., 1981, 2002, 2003, 2009; Родников и др., 2007; Селиверстов, 1998, 2009; Francheteau et al., 1970; Honsa, Tamaki, 1985; Tae-Gook et al., 2003; Ueda S., 1966; Ueda Y., 2004, 2007; Ueda S., Richards, 1966; Ueda Y. et al., 2008; Vacquier, Yamazaki et al., 1991).

В результате 15-ти летних исследований подводного вулканизма Тихого океана с борта НИС <Вулканолог> была разработана эффективная методика изучения современного подводного вулканизма, исследовано большое количество подводных вулканов, выявлены определенные критерии обнаружения неизвестных вулканических объектов геофизическими и гидрохимическими методами исследований. Детально изучены позднекайнозойские подводные вулканы Кермадек Соломоновой, Марианской, Идзу-Бонинской, Курильской островных дуг, Новогвинейского и Южно-Китайского окраинных морей, южной части Командорской котловины, <горячей точки> Сокорро и меловые гайоты Магеллановых гор (рис. 1).

В комплекс вулканологических исследований входили эхолотный промер, НСП, ГМС и драгирование. На первом этапе на ходу судна выполнялись профильные или полигонные геофизические исследования, а на втором - в выбранных точках отрабатывались станции драгирования.

Полигонные геофизические исследования выполнялись при скорости судна от 1-2 до 7-11 узлов. Измерения проводились по ортогональной сети профилей, по сети профилей, пересекающихся под различными углами, или по системе галсов <звезда>. Сети профилей выбирались с учетом задач, стоящих перед комплексными вулканологическими исследованиями и наращивалась при проведении последующих работ на изучаемых объектах. К большому сожалению, часто сети съемочных профилей оказывались нерегулярными, а их плотность редкой. Драгирование выполнялось на малых скоростях судна.

спользовалась единая служба судового времени, позволявшая синхронизировать работу всей регистрирующей аппаратуры и приводить результаты измерений к единым координатам времени и пространства. Навигационная привязка геофизических профилей и геологических станций осуществлялась с помощью судовых радиолокаторов и спутниковой навигационной системы. Эхолотный промер проводился глубоководным и рыбопоисковым эхолотами. НСП проводилось в одноканальном варианте в модификации метода центрального луча с применением электроискрового источника типа <спаркер>. Драгирование выполнялось с помощью цилиндрических драг.

ГМС абсолютного значения (модуля) полного вектора индукции магнитного поля Земли осуществлялась квантовым магнитометром КМ-2 и протонным магнитометром ПМИВ, стендовая точность которых была не ниже 1-2 нТл. В наблюденные значения магнитного поля вводилась поправка за девиацию, которая во время проведения вулканологических исследований не превышала 10-12 нТл. Косвенный учет вариаций осуществлялся путем проведения контрольных замеров на прямом и обратном курсах, а также путем анализа невязок в точках пересечения опорных и секущих маршрутов. Среднеквадратическая погрешность во время проведения ГМС на полигонах не превышала ± (7- 10) нТл, а в аномальных зонах - ±(18-22) нТл.

При проведении съемки по нерегулярным сетям в них образуются лакуны. Часто материалы подобных съемок для построения карт и интерпретации полученных данных предварительно редуцируют на регулярную сеть, что, строго говоря, является некорректной процедурой. Для этого используется множество различных способов редуцирования, каждый из которых обладает своими специфическими недостатками. Каждый из алгоритмов продуцирует свою сеть значений, причем получаемые сети довольно заметно различаются даже в рамках одной модификации редуцирования при изменении параметров (Блох, 2009).

На рис. 2 показаны различия, полученные при редуцировании данных ГМС, выполненной по редкой и нерегулярной сети на подводном вулкане 6.1 в пределах Курильской островной дуги, на квадратную сеть с помощью методов <обратного расстояния> и <минимальной кривизны>.

Из анализа рисунка следует, во-первых, что размах разностных значений составляет примерно четверть размаха самой аномалии. Во-вторых, четко проявляется то, что южный минимум интерполированного поля на несколько километров смещается по горизонтали в зависимости от способа интерполяции. Локальные же аномалии на интерполированной карте в данном случае вообще определяются не столько наблюденными значениями, сколько выбором способа интерполяции. Следует отметить, что ошибка интерполяции значительно превышает среднеквадратическую погрешность съемки.

Переход от исходных сетей к интерполированным, особенно, в случае нерегулярных редких сетей, приводит к серьезным ошибкам в интерпретации (Блох, 2009). Дело в том, что большинство встречающихся на практике обратных задач являются неустойчивыми, и, зачастую, даже бесконечно малая помеха, внесенная в исходные данные, может губительно сказаться на результатах. Это непосредственно относится и к рассматриваемым погрешностям интерполяции.

Для обработки данных, полученных на нерегулярных редких сетях наблюдений, разработана технология количественной интерпретации материалов ГМС в комплексе с эхолотным промером, НСП и анализом естественной остаточной намагниченности и химического состава драгированных горных пород, позволяющая проводить интерпретацию непосредственно по исходным данным, не прибегая к некорректной процедуре их предварительного восстановления в узлах регулярной сети.

Технология состоит в применении методов особых точек с помощью интегрированной системы СИНГУЛЯР (Блох, 2009; Блох и др., 1993) и 2.5D моделирования (Лойтер и др., 1986) на отдельных галсах и последующего 3D моделирования с мощью программ пакета структурной интерпретации СИГМА-3D (Бабаянц и др., 2003, 2004, 2005) по всему массиву исходных данных на базе модели субгоризонтального слоя с латерально изменяющейся намагниченностью.

Применяемые комплекс исследований и технология количественной интерпретации оказались весьма эффективными при изучении подводных вулканов западной части Тихого океана. Комплексирование различных геолого- геофизических методов позволило уменьшить неоднозначность решения обратной задачи и построить наиболее реалистичные геомагнитные модели.