Магнитотеллурические исследования в области перехода от океана к континенту: На примере Каскадной субдукционной зоны

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Глубинные магнитотеллурические исследования (МТ-исследования) основаны на изучении естественного переменного электромагнитного поля Земли. С их помощью можно получить информацию об электропроводности земной коры и верхней мантии океанов и континентов. В свою очередь, глубинная электропроводность позволяет делать выводы о флюидном и температурном режимах и реологии земных недр. Глубинные МТ-исследования являются важной частью комплекса методов глубинной геофизики, особенно в тектонически активных регионах.

Диссертационная работа посвящена как изучению общих закономерностей МТ-исследований, выполненных в области перехода от океана к континенту, так и интерпретации МТ-данных, полученных в Каскадной субдукционной зоне (также называемой зоной субдукции Хуан де Фука), расположенной на северо-западном побережье США.

Прибрежные области характеризуются мощной аномалией МТ-поля, возникающей вследствие резкого горизонтального изменения электропроводности при переходе от океана к континенту. Существенные изменения, в сравнении с внутриконтинентальными областями, претерпевает чувствительность МТ-поля к глубинным слоям и неоднородностям. Понимание этих изменений необходимо для успешной интерпретации МТ-данных, полученных в области перехода от океана к континенту. Это определяет актуальность исследования общих закономерностей прибрежных МТ-зондирований.

Одним из путей к пониманию геотектонического строения и развития Земли является изучение процесса субдукции (т.е. погружения океанической плиты под континентальную). Субдукция сопровождается переносом воды и образованием расплавов, в связи с чем чувствительные к флюидам МТ-зондирования должны относиться к главным инструментам изучения этого процесса.

Крупнейшим проектом, направленным на исследование зоны субдукции, стал международный эксперимент EMSLAB (1985 — 1987 гг.), в рамках которого были получены МТ-данные в Каскадной субдукционной зоне (наиболее детальные исследования были проведены по профилю, названному Линией Линкольн). К сожалению, интерпретация этих данных была проведена либо без учета информативности различных компонент магнитотеллурического поля в прибрежной зоне, либо без достаточного согласия с имеющимися представлениями о геолого-геофизических особенностях региона. В этой связи становится актуальным построение новой геоэлектрической модели Каскадной субдукционной зоны, лишенной этих недостатков.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является развитие методики интерпретации МТ-данных, полученных в области перехода от океана к континенту. Интерпретация должна учитывать различную чувствительность компонент МТ-поля к элементам глубинного геоэлектрического строения субдукционной зоны. Важнейшим моментом интерпретации является выбор интерпретационной модели, согласующейся со всей геолого-геофизической информацией. С помощью развитой методики должна быть построена новая геоэлектрическая модель Каскадной субдукционной зоны, расширяющая наши представления о процессе субдукции и о глубинном геолого-тектоническом строении субдукционных зон.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1. Двумерное моделирование береговых искажений МТ-кривых и анализ чувствительности компонент МТ-поля к основным элементам глубинного строения субдукционной зоны.

2. Критический анализ известных геоэлектрических моделей Каскадной субдукционной зоны.

3. Распознание трехмерных искажений МТ-кривых, полученных в этой зоне, и их анализ с помощью пленочного моделирования.

4. Разработка методики двумерной инверсии МТ-данных, полученных в зоне перехода от океана к континенту.

5. Построение интерпретационной модели, учитывающей априорную геолого-геофизическую информацию о Каскадной субдукционной зоне.

6. Двумерная бимодальная инверсия МТ-данных и построение новой геоэлектрической модели изучаемого региона.

В работе используются следующие понятия. Импеданс — МТ-харакгеристика, определяемая из соотношения между горизонтальными компонентами электрического и магнитного полей. Типпер — МТ-характеристика, определяемая из соотношения между вертикальной и горизонтальными компонентами магнитного поля. ТЕ-мода и ТМ-мода части двумерного МТ-поля, связанные с токами, текущими соответственно вдоль и вкрест геоэлектрических структур.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. 1. В зоне перехода от океана к континенту наибольшей чувствительностью к глубинным проводящим структурам обладает ТЕ-мода. При этом ТМ-мода позволяет определить интегральное сопротивление литосферы океана и верхней коры континента, а также степень кондуктивной связи между коровыми структурами. Таким образом, наиболее полную информацию о геоэлектрическом строении прибрежной зоны дает бимодальная инверсия.

2. Региональные изменения суммарной продольной проводимости верхнего слоя в Каскадной субдукционной зоне имеют квазидвумерный характер.

3. Зоны перехода от океана к континенту характеризуются сложным глубинным строением, и объем априорной информации может быть недостаточен для построения адекватной интерпретационной модели. Поэтому инверсию следует проводить в режиме проверки гипотез, используя такую геометрию геоэлектрических границ, при которой возможен свободный выбор любой из гипотез в процессе автоматической инверсии.

4. При инверсии МТ-данных, полученных в прибрежной зоне, основной результат может быть получен по типперу, низкочастотные значения которого свободны от влияния приповерхностных неоднородностей. При этом импеданс и его трансформанты будут выполнять контролирующую и детализирующую функции. Наиболее эффективен трехуровенный алгоритм инверсии, основанный на раздельной инверсии: 1) типпера, 2) продольных МТкривых и 3) поперечных МТ-кривых, с построением на последнем этапе обобщенной модели. Полученная с помощью этого алгоритма новая геоэлектрическая модель Каскадной субдукционной зоны согласуется с современными представлениями о геотектоническом строении региона и его термодинамике, и обеспечивает невязки, которые не превышают погрешностей измерений и двумерной аппроксимации среды.

5. В результате интерпретации МТ-данных под Каскадной вулканической дугой выделена субвертикальная проводящая зона, пронизывающую кору и мантию. Низкое сопротивление этой зоны объясняется наличием в ней расплавов.

6. Построенная геоэлектрическая модель свидетельствует о том, что флюиды в средней и нижней частях коры имеют глубинное происхождение, а не затянуты под континент в процессе субдукции.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В ходе проведенных исследований получены следующие новые научные результаты: изучена чувствительность различных компонент МТ-поля к элементам геоэлектрического строения прибрежных зон, а также исследована эффективность их двумерной инверсииразвита методика интерпретации прибрежных МТ-данных, основанная на режиме проверки гипотез и на трехуровенном алгоритме инверсии компонент МТ-поля с приоритетом типпера и с построением на последнем этапе обобщенной моделипостроена новая геоэлектрическая модель Каскадной субдукционной зоны, дающая представление о ее флюидном и термальном режимах.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Разработанная методика интерпретации МТ-данных может быть применена при исследовании прибрежных зон в различных регионах мира. Многие рассмотренные в работе приемы могут оказаться полезными при изучении внутриконтинентальных областей. Полученные методические результаты могут использоваться при анализе сейсмической опасности, а также при прогнозе месторождений полезных ископаемых и геотермальных ресурсов.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ. При построении геоэлектрической модели Каскадной субдукционной зоны использованы МТ-данные, полученные в рамках проекта EMSLAB (Walmamaker et al, 1989). При сборе априорной информации о регионе рассмотрено большое число отечественных и зарубежных публикаций (см.

список литературы

).

ЛИЧНЫИ ВКЛАД. Автором выполнено двумерное моделирование и двумерная инверсия синтетических данных с целью изучения чувствительности МТ-поля и эффективности двумерной инверсии МТ-данных. Собрана априорная геолого-геофизическая информация, относящаяся к Каскадной субдукционной зоне. Построена карта суммарной продольной проводимости верхнего слоя этого региона и выполнено математическое пленочное моделирование для изучения искажений, создаваемых региональными неоднородностями этого слоя. Выполнен анализ и инверсия МТ-данных по Линии Линкольн. Построена геоэлектрическая модель Каскадной субдукционной зоны.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались: на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов», Москва, 1999; на Международной конференции молодых ученых и специалистов 'Теофизика-99″, Санкт-Петербург, 1999; на Международной геофизической конференции, посвященной 300-летию горно-геологической службы России, Санкт-Петербург, 2000; на Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов 'Теофизика-2001″, Новосибирск, 2001; на семинаре «Deep Electromagnetic Soundings of the Mantle Around the Teisseyre-Tornquist Zone», Belsk Duzy, Poland, 2001.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы статьи и тезисы докладов:

1. Бердичевский М. Н., Пушкарёв П. Ю., Ваньян Л. Л. «Анализ МТ-данных в зоне субдукции Хуан де Фука.» Тезисы докладов Международной геофизической конференции, посвященной 300-летию горно-геологической службы России. СПб, 2000, с. 68−69.

2. Ваньян Л. Л., Бердичевский М. Н., Пушкарев П. Ю. «Астеносфера в свете электромагнитных данных.» Вестник Oi l П Н РАН, 2001, № 2 (17).

3. Казурова Н. Р., Пушкарёв П. Ю. «Математическое моделирование магнитотеллурических зондирований в сложных геоэлектрических условиях.» Тезисы докладов Международной конференции молодых ученых и специалистов 'Теофизика-99″. СПб, 1999, с. 47−48.

4. Новожинский К., Пушкарев П. Ю. «Анализ эффективности программ для двумерной инверсии магнитотеллурических данных.» Физика Земли, 2001, № 6, с. 72−85.

5. Пушкарев П. Ю. «Интерпретация МТ-данных в зоне субдукции Хуан де Фука.» Тезисы докладов Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Геофизика-2001». Новосибирск, 2001, с. 70−72.

6. Пушкарев П. Ю. «Математическое моделирование магнитотеллурических исследований проводящих зон в земной коре.» Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов», выпуск 5. Москва, 2000, с. 165.

7. Berdichevsky M.N., Dmitriev V.I., Vanyan L.L., Golubtsova N.S., Pushkaijev P.Ju. «Deep Geoelectric Studies of the Earth’s Crust and Upper Mantle and Some Results Obtained in the Mountains of Tien Shan and in the Juan de Fuca Subduction Zone.» Deep Electromagnetic Soundings of the Mantle Around the Teisseyre-Tornquist Zone. Abstracts of the NATO Advanced Research Workshop Held at Belsk Duzy, Poland, May 30 — June 2, 2001. p. 12−13.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, общим объемом 162 машинописных страницы, содержит 62 рисунка, 16 таблиц и список литературы из 80 наименований, в том числе 44 иностранных.

Основные результаты проведенных исследований могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выполнен модельный анализ МТ-поля в области перехода от океана к континенту.

Изучены характерные для прибрежной зоны искажения МТ-кривых. Основным искажающим эффектом является перераспределение мощного поперечного океанического тока, приводящее к завышение значений поперечного кажущегося сопротивления на континенте, и занижению этих значений — в океане.

Исследована чувствительность МТ-поля к геоэлектрическим структурам прибрежной зоны. Выяснено, что основную информацию о глубинных проводящих неоднородностях содержит ТЕ-мода, а ТМ-мода позволяет получить ответ на важный вопрос о степени кондуктивной связи между погружающимся под континент и субгоризонтальным коровым проводниками. Таким образом, показана необходимость бимодальной инверсии прибрежных МТ-данных.

Пробные инверсии синтетических МТ-данных продемонстрировали высокую эффективность инверсии типпера для выделения проводящих структур в коре и мантии.

2. Обоснована возможность проведения двумерной инверсии МТ-данных по Линии Линкольн.

С целью изучения трехмерных искажений, вызванных региональными приповерхностными неоднородностями, была составлена пленочная модель Каскадной субдукционной зоны, характеризующая интегральную проводимость океанической воды и осадков, а также континентального чехла. Результаты пленочного моделирования показали, что трехмерные искажения рассматриваемого типа более или менее сильно проявляется лишь в Высоких Каскадах, на остальных же участках ими можно пренебречь.

Анализ наблюденных МТ-данных, полученных вдоль Линии Линкольн, показал, что на низких частотах МТ-поле имеет двумерную структуру, осложненную трехмерными искажениями, связанными с влиянием локальных приповерхностных неоднородностей. Наиболее сильно такие искажения проявляются на Береговом хребте и в Каскадных горах.

3. Изучены два основных вопроса методики двумерной инверсии МТ-данных: о построении интерпретационной модели и об информационных соотношениях между различными компонентами.

Сделан вывод о том, что сглаживающая инверсия может применяться при изучении простых сред или на предварительном этапе выделения основных аномалий, а при построении геоэлектрической модели сложно построенной среды предпочтительнее проводить инверсию в рамках модели с фиксированной геометрией. При этом положение геоэлектрических границ следует задавать на основе геотектонических гипотез о строении среды.

Предложено рассматривать типпер в качестве основного источника информации о глубинных проводящих структурах, а импеданс использовать для подтверждения и детализации решения, полученного по типперу. Последовательной инверсии компонент МТ-данных отдано предпочтение в сравнении с одновременной инверсией. Трехуровенный алгоритм инверсии адаптирован к условиям зоны субдукции и дополнен этапами построения обобщенной модели и ее тестирования.

Развитая методика двумерной инверсии МТ-данных применена для построения геоэлектрической модели Каскадной субдукционной зоны.

4. Получена новая геоэлектрическая модель Каскадной субдукционной зоны. Она построена с использованием всех основных геолого-геофизических сведений о регионе и с учетом различной чувствительности компонент МТ-поля к геоэлектрическим структурам. Поэтому новая модель лучше, чем существующие модели других авторов, согласуется с современными представлениями о геотектоническом строении региона, обеспечивая при этом хорошее соответствие модельных и наблюденных данных.

Основным новым элементом полученной модели является глубинная субвертикальная проводящая зона под Каскадной вулканической дугой, низкое сопротивление которой объясняется наличием расплава.

Другой важной чертой модели является достаточно надежно выделенная область повышенного сопротивления, разделяющая субдуцирующий и коровый проводники, и позволяющая говорить, что непосредственная связь корового проводника с флюидами, затягиваемыми под континент, отсутствует.

Заключение

.