Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Интерпретация длиннопериодных компонент аномального гравитационного поля

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Интерпретация длиннопериодных компонент аномального гравитационного поля"

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ ИМ. О.Ю.ШМЩТА р г - 0 д РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

о Ц'Л'

на правах рукописи УДК 550.312

ТИХОЦКИЙ Сергей Андреевич

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДЛИННОПЕРИОДНЫХ КОМПОНЕНТ АНОМАЛЬНОГО ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ

специальность 04.00.22 - физика твердой Земли АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1998 г.

Работа выполнена в Объединенном институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН.

Научный руководитель доктор физико-математических наук В.О.Михайлов Консультант кандидат физико-математических наук В.М. Гордин

Официальные оппонента:

член-корреспондент РАН Ю.Н.Авсюк (ОИФЗ РАН) доктор физико-математических наук В.И. Аронов (ВНИГНИ)

Ведущая организация: кафедра геофизических методов исследований

земной коры Геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Защита состоится ¡¿¿{¿Х^ 1998 г. ъ/й/7/) час. на заседании

диссертационного Совета К 002.08.02 при Объединенном институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН по адресу: 123810, Москва, ул. Бол.Грузинская д. ю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики Земли РАН.

Автореферат разослан ¿у^" 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат физико-математических наук

Э.А.Боярский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Работа посвящена интерпретации аномального гравитационного юля в целях изучения глубинного строения и процессов в недрах Земли, то составляет главную задачу современной геодинамики и является особой для понимания закономерностей развития планеты.

В настоящее время в результате быстрого развития таких направ-ений геофизики, как сейсмическая томография и спутниковые методы сследования значительно увеличился объем геофизической информа-ии. Постоянно появляются новые геодинамические гипотезы и геомеха-ические модели, описывающие процессы в мантии и литосфере Земли, [нформация об аномалиях плотности в недрах планеты, которую несут пиннопериодные компоненты аномального гравитационного поля, вме-ге с результатами других геофизических исследований, составляет ос-ову для проверки адекватности выдвигаемых геодинамических моде-зй, уровень сложности и детальности которых быстро возрастает. В ре-тьтате, повышаются требования к детальности и точности региональ-ых и планетарных гравиметрических исследований, возникают новые дачи. Все это делает необходимым развитие новых методов обработки интерпретации гравиметрических данных, соответствующих совре-знному уровню развития геофизики.

Цель работы

Целью настоящей работы является развитие методов интерпрета-ш планетарных и региональных аномалий гравитационного поля, населенных на изучение строения и динамики Земли. Для достижения »ставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Провести анализ представительности имеющихся данных об гомальном гравитационном поле.

2. Изучить особенности образования различных видов аномалий лы тяжести с точки зрения возможности их применения для исследо-ния длиянопериодных компонент поля.

3. Разработать новую методику спектрально-статистического ализа аномального гравитационного поля, учитывающую специфику

изучения глубинных источников и г технологию вычисления эксперим< тальных оценок спектральных характеристик аномального поля.

4. Исследовать особенности распределения внелитосферн (глубинных) источников аномального поля. Провести разделение а! мального поля на литосферную и внелитосфсрную компоненты.

5. Разработать методику статистического моделирования иск ников аномального гравитационного поля в литосфере Земли и прш нить ее к исследованию плотностных неоднородностей океанской ли сферы.

6. Исследовать возможности интерпретации длиннопериодн аномалий гравитационного поля в комплексе с геомеханическим мо, лированием для изучения процессов деформации континентальной ли-сферы.

Научная новизна

В настоящей работе рассмотрен комплекс проблем, связанны? интерпретацией длиннопериодных компонент аномального гравита! онного поля, включая методические вопросы, проблему изучения и в деления аномалий, связанных с внелитосферными источниками, зада статистического районирования литосферы и вопросы использован информации, заключенной в аномальном поле, для изучения литосф< ной динамики. В частности:

1. Дан анализ погрешностей существующих методов спектра! но-статистического анализа и разработана методика периодограммнс анализа аномального гравитационного поля, учитывающая специфн решаемых задач.

2. Проведено исследование характера распределения внели" сферных (глубинных) источников аномального поля для континента! ного и Тихоокеанского секторов Земли. С использованием метода ис кообразных аппроксимаций выделено поле внелитосферных источнико

3. Построена стохастическая модель источников поля в океанск литосфере, выявлена связь неоднородности литосферы с ее возрасте построена схема районирования акватории Мирового океана.

4. Изучено влияние реологии континентальной литосферы процессы формирования предгорных прогибов и аномалии гравитаг онного поля этих структур. Сделаны заключения относительно тепловс

«жима литосферы на стадии континентальной коллизии и процессов, пределяющих формирование предгорных прогибов.

Практическая ценность

В работе разработаны методики: периодограммного анализа ано-[ального гравитационного поля; статистического районирования лито-феры по дисперсиям аномалий гравитационного поля; изучения реоло-ии литосферы областей растяжения и сжатия на основе комплексного равитационно-механического моделирования. Эти методики могут ис-ользоваться при интерпретации планетарных и региональных аномалий эавитационного поля Земли.

Произведено разделение и построены новые карты литосферной и нелитосферной компонент аномального гравитационного поля, которые огут быть использованы как для изучения глубинного строения Земли, 1к и для исключения планетарных и региональных составляющих, при роведении локальных исследований.

Построена карта районирования акватории Мирового океана по гепени неоднородности литосферы, которая может применяться при «тоническом районировании акваторий.

Апробация работы

По теме диссертации в реферируемых изданиях опубликовано две ¡чатных работы и одна работа находится в печати. Результаты работы «или в два научных отчета и опубликованы в тезисах шести научных »нференций. Промежуточные результаты докладывались на 25 (оронеж, ВГУ, 1996 г.), 26 (Москва, ОИФЗ РАН, 1997 г.) и 27 (Ухта, ИИ, 1998 г.) семинарах по вопросам теории и практики интерпретации авитационных, магнитных и электрических полей им. Д.Г.Успенского, I Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и •ециалистов Теофизика-97" (Санкт-Петербург, С-ПбГУ, 1997 г.), се-шаре лаборатории Гравиметрии ГАИШ МГУ (1997 г.), конференции » методологии прикладной геофизики (Москва, ОИФЗ РАН, 1997 г.) и ой Международной конференции по плитовой тектонике им. Л.П. Зо-ншайна (Москва, ИО РАН, 1998).

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность своему научному рук* водителю В.О. Михайлову и консультанту В.М. Гордину. Автор так» искренне признателен Л.В.Паниной (МГУ), С.Л.Юнге, М.К.Кабан; Е.И.Смольяниновой (ОИФЗ) и ПШвинтцеру (ОЕ2-Ро1зс1ат, Германия) за предоставление материалы и Е.П. Тимошкиной (ОИФЗ) - за возмоя ность использовать программное обеспечение по моделированию пр< цессов в реологически расслоенной вязкой поверхностной оболочке Зек ли.

Работа выполнена при поддержке ШТА5 (грант 93-05-3884) РФФИ (грант 98-05-64621).

Объем и структура работы

Объем работы составляет 130 страниц, в том числе 110 страт текста, 15 страниц иллюстраций и библиография из 165 наименовани Текст диссертации состоит из введения, пяти глав и заключения.

На защиту выносятся следующие положения:

1.Для корректной спектрально-статистической интерпретащ длиннопериодных компонент аномального гравитационного поля пре ложена и опробована новая методика периодограммного анализа, позв ляющая интерпретировать смещенные экспериментальные оценки спе тральных плотностей мощности.

2.Показано, что гипотеза повышенной концентрации источник! аномального гравитационного поля в пределах литосферной (0 -100 ю мантийной (400 - 800 км) и планетарной (-2900 км) гравиактивных об лочек не противоречит гравиметрическим данным как для контине тального, так и для Тихоокеанского секторов планеты. При этом для ко тинентального сектора установлено, что все три гравиактивные оболоч: могут быть представлены эквивалентными двойными слоями, что пре полагает существование механизмов консервации неоднородностей оболочках за счет выравнивания давлений.

3.Средняя неоднородность (произведение контрастности и ко центрации источников аномального поля) океанской литосферы, опре; ляемая процессами ее нормальной эволюции, закономерно увеличивав! с возрастом. Начальный уровень и скорость нарастания неоднородност 4

коррелируют со скоростью спрединга. Избыточная неоднородность океанской литосферы в основном связана с наложенными структурами: горячими полями и разломными зонами. Дефицитно-неоднородная литосфера тяготеет к глубоководным котловинам.

4. Содержащаяся в аномальном гравитационном поле информация позволяет сделать обоснованный выбор среди эквивалентных решений обратной задачи геомеханики. Эволюция системы горное сооружение - предгорный прогиб зависит от термического режима литосферы на ладии континентальной коллизии. Сравнительный анализ данных о строении и аномалиях гравитационного поля Терско-Каспийского про-"иба и Ставропольского свода показал, что к началу процесса континентальной коллизии литосфера Ставропольского свода, по-видимому, была шомально разогрета, с чем и связано понижение изгибной жесткости хитосферы и, как следствие, отсутствие предгорного прогиба в этой об-гасти. Формирование предгорных прогибов Северного Кавказа не может >ыть полностью объяснено только за счет упругой компенсации веса орного сооружения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы основные цели и задачи исследо-1ания. Дана краткая аннотация содержания работы.

Глава I работы посвящена анализу сеточных моделей аномаль-юго гравитационного поля. Дано определение сеточной модели как массива данных, осреденных по площадкам с равными угловыми размерами !кфхАХ. Использование таких моделей для целей региональной интерпре-ации требует предварительного анализа их репрезентативности, который выполнен для сеточных моделей аномального гравитационного поля ерритории СНГ детальностью 1°х1° и 10'х15', подготовленных в ЩИИГАиК. На основании критерия Колмогорова-Смирнова установле-ю, что распределение элементов сеточных моделей в трапециях 1°х1° -юрмальное. Это дает основания для использования многих статистиче-ких методов, применяемых далее в работе. Сопоставлены между собой редние значения в одноградусных трапециях для различных моделей. Остановлено, что для сухопутных районов модели аномалий Фая хорошо огласуются между собой, тогда как между моделями аномалий Буге существуют значительные расхождения, прежде всего в горных районах.

Проанализированы причины этих расхождений, установлено, что невяз ки сеточных моделей аномалий Буге связаны с разновысотностью систа пунктов наблюдений. Наблюдаемые на акваториях окраинных море! невязки аномалий Фая связаны с существенным уточнением сьемочны: данных при подготовки модели детальностью 10'х15'. Выполнено срав нение дисперсий аномалий силы тяжести в трапециях 1°х1°. При помр щи ^критерия установлено, что модели 5'х7,5' и 10'х15' в равной степе ни представительны для оценок дисперсий, широко используемых дл. региональной интерпретации и районирования территории.

Проведенное в главе исследование выявило высокую представи тельность используемых данных для территории России и стран ближне го зарубежья.

В Главе II подробно рассмотрены виды аномалий гравитацион ного поля с точки зрения возможности и корректности их использовани при региональных и планетарных геофизических исследованиях. Сфор мулирован принцип классификации аномалий силы тяжести по соотвея ствующим нормальным моделям Земли. Приведена таблица, содержаща предлагаемую классификацию. Рассмотрены различия в сущесгвующи определениях аномалии в свободном воздухе и обоснована необход» мость учета поправки Брунса при интерпретации длиннопериодны компонент аномального гравитационного поля. Приведена карта косвен ногб эффекта, создаваемого планетарной изостатической моделью: ег амплитуда состаляет 25 мГал. Проанализированы вопросы точности вь числения аномалий в топографических и топографо-изостатических р< дукциях. Классифицированы возможные источники изостатически аномалий силы тяжести. Рассмотрены аномалии в геологических редр циях.

Сделан вывод, что для исследования внелитосферных источнике аномального гравитационного поля и выделения обусловленных им составляющих корректным является только применение изостатически аномалий силы тяжести, вычисленных с использованием максимума ш формации о строении литосферы и механизмах изостатической компи сации. Интерпретация литосферных источников аномалий силы тяжест в региональном масштабе требует предварительного исключения коми нент, связанных с глубинными источниками. Для целей статистическо) моделирования наиболее корректно применение изостатических аном

лий, а при комплексном гравитационно-механическом моделировании -аномалий Гленни и аномалий в геологических редукциях.

В Главе III рассмотрен комплекс вопросов, связанных с изучением внелитосферных источников аномального гравитационного поля методами спектрально-статистического анализа. Высказанная в 1973 г. М.Е.Артемьевым гипотеза расслоенности источников аномального гравитационного поля формулируется как гипотеза статистически значимого увеличения концентрации источников в пределах трех гравиактивных эболочек: литосферной (0 - 100 км), мантийной (400 - 800 км) и плане-гарной (~2900 км). Дан обзор предшествующих исследований по этой троблеме. Проверка гипотез относительно характера распределения источников в каждой из трех гравиактивных оболочек (альтернатива про-ггой - двойной эквивалентный слой) сводится к сравнению восьми вари-iHTOB строения земных недр, отвечающих всем возможным комбинациям гростых и двойных эквивалентных слоев в трех гравиактивных оболоч-•лх.

В терминах математической статистики поставленная задача мо-кет быть сформулирована как задача проверки статистических гипотез Ч-, j = 1.....8 о соответствии экспериментальной выборочной оценки

пектральной плотности мощности (статистического аналога энергети-

еского спектра, далее - СПМ) F^ra) модельной СПМ FmodJ{&). Вид

годельной СПМ зависит от проверяемой гипотезы, и (если распределе-ия аномальной плотности в разных оболочках попарно некоррелирова-ы) она может быть представлена в виде линейной комбинации СПМ гдельных оболочек:

FmodJ^)=iakfk(hk,pk-&), (1)

¿=i

ic <xk - const, fk{hk,pk\ю) - модельные нормированные СПМ отдель-ых слоев: fk = ехр(-2ш/гк)-50(^;<а) - если к-ая оболочка моделируется

эостым слоем и /к = (2&ИкУ ехр{~2аИк) •50(pfc;o) - если к-ая оболочка эделируется двойным слоем; hk - глубины эквивалентных слоев, а(рк\ о) - модельные распределения аномальной поверхностной плот->сти (дипольного момента - для двойного слоя), зависящие от вектора

параметров рк. Вид функциональных зависимостей Sa{jpk\со) определяется исходными предположениями о возможной природе гравиактив-ных оболочек. В предшествующих исследованиях предполагалось Sa(j>k;a} = const, т.е. распределение аномальной плотности в слоях

считалось равномерным (подобным "белому шуму"). В данной работе аномальные плотности в слоях моделируются реализациями Марковски* процессов, используемых для описания широкого круга физических явлений. СПМ таких процессов - дробно-рациональные функции

S^/?;©) = С*ЛД1+Ю2Л2), где С = const - дисперсия аномальной плот

носги, R - радиус корреляции неоднородносгей.

Проведен подробный анализ методики спектрально' статистического исследования аномального гравитационного поля: изу чены абсолютные й относительные смещения оценок СПМ, полученные на профилях конечной длины, и показано, что их необходимо принимал во внимание, особенно при исследовании длиннопериодных компонен' поля. Разработана методика вычисления модельных средних периоде грамм для которых экспериментальные оценки явля

ются несмещенными, в виде интеграла Фейера от модельных СПМ:

РГ"{<*) = lFmoi(v)O(Z,;0) - v^v, (2

о

где Ф(£;х)-ядро Фейера, L - длина профилей, по которым вычисляете;

экспериментальная оценка. Отдельно подчеркивается несостоятельност: оценок, выполняемых по единичным профилям (без усреднения выбо рочных периодограмм).

Разработана методика построения максимально вероятной оценю параметров модельных средних периодограмм. Показано, что макси мально вероятная оценка вектора параметров § = (ak;hk;Rk}, к= 1,2,3 может быть получена из условия:

rmn У1---77=—г-L (3

» it Fr^;con)

где, шп = lim/L - дуговая частота, N - максимальное волновое числ<

Лравило проверки гипотез о соответствии теоретических периодограмм

2

модельным конструируется иа основе критерия х •

Далее дается описание иходных данных - изостатических анома-1ий силы тяжести. Приведены схемы профилей, расположенных вдоль 1уг больших кругов - отдельно в континентальном и Тихоокеанском сек-горах Земли, аргументирован выбор длины профилей и их расположена. Обсуждаются экспериментальные выборочные оценки средних пе-шодограмм (со) и их стандартных отклонений, делается качествен-

шй анализ этих оценок. Описаны результаты численных экспериментов 13 которых следует, что наилучшее качество аппроксимации, (уровень мачимости 0=5%) средней периодограммы, характеризующей конти-1ентальный сектор Земли, соответствует гипотезе, в которой все три гра-шактивные оболочки моделируются двойными эквивалентными слоями. Зценка глубины эквивалентного литосферного слоя равна 40 км, экви-(алентного мантийного - 700 км. Значительно хуже (на 70 - 80 %) каче-ггво приближения для гипотез, в которых мантийная оболочка модели->уется простым слоем. В Тихоокеанском секторе наилучшее качество [ппроксимации, также соответствует гипотезе, в которой все три гравиак-ивные оболочки моделируются двойными эквивалентными слоями. Од-гако предпочтение двойного мантийного слоя перед простым не столь ¡ыражено, как в предыдущем случае. Как и для континентального секто->а, предпочтение отдается тем гипотезам, в которых литосферная и пла-гетарная гравиактивные оболочки моделируются двойными эквива-[ентными слоями. В заключительном разделе главы обсуждаются полу-[енные результаты и проводится их сопоставление с существующими еодинамическими моделями. Отмечено, что результаты исследования ,ля континентального сектора позволяют предположить существование ¿еханизмов, обеспечивающих длительное сохранение неоднородностей в (ределах гравиактивных оболочек. Приведены возможные механизмы акой консервации для мантийной оболочки, основанные на термодина-1ических свойствах фазовых переходов оливина из а в р-фазу (граница 10 км) и шпинель перовскит + магнезиовюстит (граница 670 км), »ндотермический переход на глубине 670 км препятствует проникнове-:ию горячих восходящих токов из нижней в верхнюю мантию и холод-;ых - в обратном направлении, что должно приводить к существованию

вблизи этой границы значительных объемов вещества аномальной плотности, уравновешенных вариациями глубины самой границы. Одновременно экзотермический характер фазового перехода на глубине 410 юм может способствовать образованию антистратиформного рельефа границ 410 и 670 км, если аномалии температуры охватывают весь диапазон глубин переходной зоны. Высказанные соображения, в целом, укладываются в современные представления о частично расслоённой (во времени и пространстве) конвекции в мантии Земли.

Результаты спектрально-статистического анализа могут быть использованы для корректного разделения аномального гравитационногс поля на литосферную и внелитосферную (глубинную) составляющие пр* помощи метода истокообразных аппроксимаций, развитого в работа? В.И.Аронова, В.М,Гордина, В.Н.Страхова и других. Для повышения ус тойчивости решения, аномальное, поле гфедставлено на равноплощадш» сетке. Аппроксимирующие массы также расположены в узлах равнопло щадной сетки, с размером ячейки эквивалентным трапецгаг 5°х5° по; экватором. Размер ячейки и глубина слоя аппроксимирующих масс (60( км) выбраны на основании результатов анализа средней; периодограммы для планетарной модели, объединяющей континентальный и Тихоокеан ский секторы. Технология разделения, основана на решении системь нормальных уравнений при помощи разложения Холецкого. Приводятся карты: компоненты аномального поля, связанной с внелитосферным] источниками, и литосферной компоненты изостатических аномалий си лы тяжести.

В Главе IV построена стохастическая модель источников анс мального поля в океанской литосфере. Дан обзор предшествующих ис следований и описана применяемая в данной работе модель Пуассонс вых случайных источников, предложенная ИХ.Золотовым. Эп. модел горизонтального пласта с фиксированными глубиной залегания кровли и мощностью d. Пласт заполнен случайными точечными массами {т}, их пространственное ^расположение подчиняется закону Пуасеонг Удельную концентрацию (среднее число) точечных масс в единице o6i ема пласта определяет величина р = const. Модельное выражение дй< персии поля такого пласта может быть представлено в виде произвед< ння двух функций, одна из которых зависит только от геометрии пласт (глубины h и толщины d слоя) и называется далее структурным факте

ром S(h,d), а вторая (далее - вещественный фактор М) представляет собой произведение концентрации точечных масс р и их диперсии т2.

Интерпретируется поле выборочных оценок дисперсий Demp лито-сферных изостатических аномалий силы тяжести в трапециях 5°х5° для акватории Мирового океана. Так как вычисление выборочных оценок дисперсий проводилось по усредненным 1°х1° значениям аномального поля, эти оценки не адекватны модельным дисперсиям. Поэтому предлагается, используя частотную эквивалентность операций усреднения и пересчета на высоту, изменять уровень относимости Пуассоновой модели на величину h\ Кровля гравиактивного слоя h отождествляется с дном океана, мощность слоя d- с толщиной литосферы, которая расчитывается по данным о ее возрасте с использованием эмпирической формулы А.М.Городницкого и О.Г.Сорохтина. Результатом первого этапа параметризации являются эмпирические оценки вещественного фактора:

Mmp = Demp/S(h + h\d) (4)

Целью второго этапа параметризации является выделение средних значений вещественного фактора М, Устойчивый алгоритм оценки "нормального" вещественного фактора можно сконструировать исходя из

|| w II V

определения нормальной модели как описывающей неоднородность литосферы на основной (большей) части акватории. Критерием выбора оптимальной величины М будет условие максимума площади или числа трапеций, для которых, при М^ = М, различия между оценками Demp и

Dmodj = М• S(h + h', d} можно считать статистически незначимыми.

Степень соответствия эмпирических и модельных дисперсий определяется на основании критерия х2- В результате расчетов установлено, что гипотеза Mmod = М - const не дает адекватного описания изменчивости поля дисперсий. При уровне значимости Q- 1% на 60% площади акватории предположение о "нормальной" неоднородности литосферы отвергается. Разбиение океана на отдельные акватории практически не улучшает этого соотношения.

Закономерное возрастание оценок Mt„p в направлении от осей срединно-океанических хребтов (СОХ) к окраинам континентов наводит на мысль о существовании гипотетических функциональных зависимостей Mmod =/[0> где t - возраст литосферы. Для их выявления поле оценок

Метр было подвергнуто обработке устойчивым к локальным выбросам НЧ-фильтром, предложенным В.М.Гординым, в скользящем круговбм окне радиуса 75,р км. Результаты фильтрации дают основания предполагать, что искомые зависимости описываются трендами экспоненциального типа:

^(а,р;/) = аехр(р/) (5)

Проверка выдвинутой гипотезы требует оптимизации разбиения акватории и определения постоянных а и р. Для решения этой задачи целесообразно воспользоваться -фитерием максимума относительного числа трапеций, в которых при заданном разбиении различия между оценками Оетр и Отоа[м} = • + Л',с/) статистически незначимы.

Численные эксперименты показали, что экспоненциальные тренды наилучшим образом аппроксимируют генеральную совокупность оценок Ъяпр при разбиении ее на три выборки: а) Тихий океан и Австрало-Антарктическое поднятие; б) Западная и Северная части Индийского океана и Южная Атлантика; в) Северная Атлантика. Параметры трендов приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Акватория а (мГал2 • км) Р (10б лет)"1

Тихий океан и Австрало-Антарктическое 105.0 0.0155

поднятие

Южная Атлантика, Сев. и Зап. части 290.0 0.0125

Индийского океана

Северная Атлантика 450.0 0.0025

Третий, завершающий этап интерпретации сводился к районированию акватории - разделению площади Мирового океана на участки с нормально-неоднородной, избыточно-неоднородной и дефицитно-неоднородной литосферой. Проверка гипотезы об отнесении участка (трапеции) к тому или иному типу осуществлялась посредством сравне-

ния отношения дисперсий Оетр и = Л/П10(1(а,р;^)-5(Л+Л,,£/) с

критическими 0-процентными точками ^-критерия. Построена карта районирования акватории.

Далее обсуждаются полученные результаты. Экспоненциальный характер зависимости Мтоа от возраста литосферы позволяет предположить, что процесс образования плотностных неоднородностей в ходе эволюции океанской литосферы подчиняется линейному дифференциальному уравнению:

Ш^сИ^М^, (6)

регламентирующему скорость нарастания контрастности и (или) концентрации плотностных неоднородностей, пропорциональную текущей величине Мщ^, а также характерное время такого нарастания: х = Р'1.

Разбиение генеральной совокупности оценок Метр на три выборки с разными параметрами трендов (табл. 1) не противоречит общепринятой типизации океанской литосферы по скоростям спрединга, морфологии дна, тепловому потоку и т.п. Объединенные в одну группу Восточно-Тихоокеанское, Южно-Тихоокеанское и Австрало-Антарктическое поднятия относятся к быстроразрастающимся СОХ с характерными скоростями спрединга порядка 6 см/год и выше. Северо-Атлантический СОХ принадлежит к альтернативному типу медленноразрастающихся хребтов го скоростями спрединга порядка 2 см/год. Промежуточное положение между Северной Атлантикой и Тихим океаном по средним скоростям спрединга (3-4 см/год) и величинам теплового потока занимают акватории Южной Атлантики и Северной и Западной частей Индийского океана. Им отвечают промежуточные значения параметров аир (табл.1).

Одной из особенностей карты районирования акватории является го, что континентальным окраинам (как активным, так и пассивным) точти на всем протяжении береговых линий отвечают зоны избыточно-неоднородной литосферы. Внутриокеанические избыточно-неоднородные юны приурочены к плато и возвышенностям дна океана, трансформным эазломам и цепочкам вулканических гор и островов, которые обычно :вязывают с горячими точками и полями. Для СОХ почти на всем их тротяжении характерна нормально-неоднородная литосфера. Исключением является район Галапагосского рифта, аномальный характер которого обусловлен, по-видимому, тем, что здесь рифтогенная структура

наложена на окраинно-континентальную. В целом, избыточно-неоднородные зоны значимо преобладают над дефицитно-неоднородными, откуда следует, что процессы нарастания плотностной дифференциации литосферы преобладают над процессами ее гомогенизации. Все крупные дефицитно-неоднородные зоны располагаются в пределах глубоководных котловин.

Глава У посвящена исследованию аномалий, связанных с предгорными прогибами - крупными тектоническими структурами континентальной лишсферы. Основная цель данной главы - исследование возможности использования информации, заключенной в аномалиях гравитационного поля, для изучения реологии литосферы и процессов, определяющих формирование литосферных структур. Изложены физические основы представлений о реологической расслоенности литосферной оболочки. Дано описание разработанной В.О.Михайловым эффективно-упругой модели деформации литосферы и образования предгорных прогибов за счет упругого изгиба под весом горного сооружения. Согласно этой модели вертикальная (Wt) и горизонтальная (17,) компоненты смещений при малых деформациях эффективно-упругой плиты внутри-плитными силами связаны соотношением:

В работе получено уравнение для расчета глубины нейтральной поверхности z„(x) в зависимости от распределения физических параметров с

глубиной и показано, что отклонение от локальной изостазии в результате деформации прямо пропорционально расстоянию от уровня плаванш (свободной мантии) Zß, до нейтральной поверхности. Если средняя глубина нейтральной поверхности гДх) значительно больше глубины уровня свободной мантии (как в моделях с нормальной геотермой). то в процессе сжатия образуется значительная нагрузка, которая, при характерных для нормальной литосферы значениях югибной жесткости ведет к образованию предгорного прогиба. Если же средняя глубина нейтральной поверхности близка к уровню свободной мантии, то возникающая нагрузка мала и предгорный прогиб не образуется. Кроме того, для литосферы с аномально высоким градиентом температуры характер-

ны пониженные значения изгибной жесткости, что также не способствует образованию предгорных прогибов.

В данной главе ставится задача оценки оптимальных значений параметров, определяющих диаграммы прочности литосферы (температурного режима литосферной оболочки, состава и мощности коры) по комплексу геологических и геофизических данных и с использованием соотношений, следующих из геодинамической модели. Решение этой задачи ищется методом подбора: из условия согласования численных результатов с данными о рельефе дневной поверхности и глубине прогиба г{ (*) и об аномальном гравитационном поле .

В работе моделируются процессы образования Терско-Каспийского предгорного прогиба и Ставропольского поднятия. Изложена история геологического развития региона и описаны особенности его строения. Анализ кривых погружения позволяет утверждать, что формирование предгорного прогиба началось непосредственно после фазы тектонического сжатия ~40 млн. лет назад, т.е. в позднем Эоцене. Начиная с Олигоцена (36 млн. лет) на всей площади развития Терско-Каспийского прогиба продолжалось быстрое погружение, прерываемое кратковременными поднятиями. Поэтому положение кровли модели (ж) в прогибе естественно идентифицировать с подошвой пород майкопской серии, вне прогиба - с рельефом дневной поверхности. Анализируются данные по сейсмичности и тепловому потоку. Отмечено, что распределение выделившейся сейсмической энергии по глубине согласуется с представлениями о релогической расслоенное™ литосферы: зонам хрупких деформаций соответствуют диапазоны глубин, в которых выделяется максимум сейсмической энергии. Данные по тепловому потоку и сейсмичности позволяют предположить, что литосфера Ставропольского поднятия является более разогретой, по сравнению с литосферой Терско-Каспийского прогиба.

Так как геомеханические модели позволяют моделировать в основном глубинные неоднородности, а в гравитационном поле могут доминировать компоненты, связанные с приповерхностными аномалиями плотности, предлагается использовать для интерпретации модифицированные аномалии Гленни, т.е. аномалии Гленни, из которых удалено влияние аномальных масс осадочного чехла. Очевидно, необходимо так-

же предварительное исключение влияния внелитосферных (глубинных источников, поле которых было выделено в Главе III. Определенную сложность представляет двумерность рассматриваемой механичесга» модели: многочисленными исследованиями установлено, что корректная интерпретация в региональном масштабе должна выполняться в трех мерном варианте, с учетом сферичности Земли. Использование модифи цированных аномалий Гленни позволяет частично решить эту проблему подготовка аномалий Гленни делается с учетом реальной трехмерно? геометрии сферической Зияли, а все расчеты модельных эффектов вы' полняются в 2,5-мерном варианте, т.е. в качестве основного аппроксими рующего элемента используется прямоугольный парралалепипед, длинг которого вдоль оси Оу эквивалентна диаметру ближней зоны, исполь' зуемой при образовании аномалий Гленни. Таким образом, модельные плотностные неоднородности приближенно заполняют глубиннук ближнюю зону; влияние дальних глубинных масс учтено при образовании аномалий Гленни.

Разработана методика моделирования осадконакопления, основанная на итерационном процессе, описывающем прогибание литосферы под весом горного сооружения и накапливающихся осадков, которые полностью заполняют образующиеся прогибы. Предполагается, что величина эрозии прямо пропорциональна высоте рельефа: АН = кН0.

Форма горного сооружения Большого Кавказа позволяет использовать для аппроксимации горизонтальной деформации 311 ¡дх параметрическую зависимость 311 ¡дх -аехр{^-Ь(х~ где параметр Ь

определяет ширину структуры, г0 - положение оси горного хребта на профиле, о - амплитуду деформации. Окончательно задача сводится к определению пяти независимых параметров: плотности на подошве коры Р1, плотности астеносферы ра, амплитуды горизонтальной деформации а, изгибной жесткости Ду и коэффициента эрозии к.

Приведены результаты численных экспериментов. Обнаружено, что применяемая модель слабо чувствительна к вариациям состава нижней коры и изменениям ее мощности в пределах 40-60 км. С другой стороны, образование предгорных прогибов, в рамках используемой модели, возможно только в предположении нормальной или относительно холодной литосферы. На разогретой литосфере предгорные прогибы не

образуются. Такая особенность поведения модели связана с двумя факторами: величиной изгибной жесткости литосферы и глубиной нейтральной поверхности гп (х), относительно которой происходит растяжение.

Следовательно, различие в строении Терско-Каспийского прогиба, мощность Майкопских и более молодых отложений в котором достигает 4 км, и Ставропольского поднятия, где предгорный прогиб отсутствует, может быть объяснено в рамках данной модели за счет различного температурного режима литосферы этих регионов: Терско-Каспийский прогиб по-видимому развивался на нормальной, а Ставропольское поднятие - на разогретой литосфере. Такой вывод согласуется с данными по сейсмичности и тепловому потоку.

Для Ставропольского поднятия удается достичь удовлетворительного согласия как с профилем поверхности литосферы (х), так и с

аномалиями в редукции Гленни . Для Восточного Кавказа достигнуто согласие по форме поверхности литосферы и по амплитуде аномалии над Кавказским хребтом, однако ширина модельного минимума гравитационного поля оказывается больше наблюдаемой, и в результате значения модельной аномалии Гленни над Терско-Каспийским прогибом оказываются меньше наблюдаемых. Так как основное влияние на величину аномалии Гленни оказывает положение границы Мохоровичича, следует предположить, что в действительности, ее глубина под предгорным прогибом меньше модельной. Это указывает на то, что в реальности Кавказский хребет и предгорный прогиб находятся в состоянии значительно более близком к локальному изостатическому равновесию, чем предсказывает модель упругой компенсации.

Полученные резу; .таты не являются неожиданными: хорошо известно, что реальная реология литосферы не является идеально-упругой. Если образование прогиба связано с упругой компенсацией, то со временем процессы релаксации напряжений ведут к установлению локального изостатического равновесия. При этом горное сооружение должно погружаться, а в предгорных прогибах будут развиваться восходящие движения. Однако неотектонические данные для Кавказа и Предкавказья свидетельствуют об обратном. Не укладывается в рамки рассмотренной упругой модели и соотношение периодов сжатия на Большом Кавказе и

периодов погружения в предгорных прогибах: из анализа кривых погружения следует, что периодам сжатия соответствовали периоды кратковременного поднятия в прогибах, а наиболее интенсивное погружение происходило после окончания стадии сжатия. В модели упругого изгиба сжатие в орогене должно совпадать по времени с погружением в прогибе.

В качестве альтернативной модели рассмотрена разработанная В.О.Михайловым, ВДМясниковым и Е.П.Тимошкиной модель деформации реологически расслоенной поверхностной оболочки. В этой модели система подастеносферная мантия-астеносфера-литосфера моделируется слоями различной вязкости. В результате воздействия мантийных течений или внутриплитных сил в поверхностной оболочке нарушается механическое и термическое равновесие. Под действием возникших градиентов давления в астеносферном слое развивается маломасштабная конвекция, которая продолжается длительное время после завершения воздействия внешних сил. Если плотность астеносферы постоянна или увеличивается с глубиной, то направление круговых течений таково, что они приводят к продолжению сжатия в области горного сооружения и развитию области растяжения на его периферии, т.е. образованию предгорного прогиба. Наиболее интенсивное погружение в предгорном прогибе при этом происходит непосредственно после фазы внешнего сжатия.

В ходе численного эксперимента с использованием описанной модели с вязкой реологией достигнуто удовлетворительное согласие с формой поверхности литосферы г, (х). Одновременно наблюдается обратное, по сравнению с моделью упругой компенсации, соотношение между модельной и наблюденной аномалиями Гленни: величины модельной аномалии над предгорным прогибом оказываются больше наблюденных (минимум, связанный с горным сооружением, более узкий, чем наблюдается). ч

Обобщая полученные результаты, можно предположить, что в формировании предгорных прогибов играют роль как упругие эффекты (возможно, на начальной стадии), так и процессы маломасштабной конвекции в астеносфере. При этом температурный режим литосферы на стадии деформации может определять переспекгиву развития прогиба. Информация, заключенная в аномальном гравитационном поле, позволя-

ет сузить область эквивалентных решений геомеханической задачи и сделать заключения относительно реологических свойств литосферы и относительно роли двух рассмотренных в данной главе процессов.

В заключении сформулированы основные выводы, сделанные в

работе:

1. Имеющиеся данные об аномальном гравитационном поле в редукции Фая детальностью 1°х1° и 10'х15' для территории России и стран ближнего зарубежья вполне представительны для целей региональной интерпретации.

2. При решении задач регионального и планетарного масштаба чрезвычайно важен выбор адекватной редукции аномального гравитационного поля. Требуется введение поправки Брунса. При исследовании внелитосферных (глубинных) источников корректно только применение изостатических аномалий силы тяжести. При изучении источников аномалий в литосфере Земли требуется предварительно исключить из интерпретируемого поля компоненту, связанную с внелитосферными источниками. Эта компонента выделена в настоящей работе методом истокообразных аппроксимаций, с использованием данных о частотном составе поля.

3. В результате подробного анализа методики спектрально-статистического исследования аномального гравитационного поля показано, что смещенные экспериментальные оценки спектральных плотностей мощности /^(га), полученные по профилям конечной длины Ь, неадекватны теоретическим аналогам. Разработана методика вычисления модельных средних периодограмм Р™0<1{о)), для которых экспериментальные оценки являются несмещенными.

4. Установлено, что гипотеза повышенной концентрации источников аномального гравитационного поля в пределах литосферной (0 -100 км), мантийной (400 - 800 км) и планетарной (~2900 км) гравиактив-ных оболочек не противоречит гравиметрическим данным как для континентального, так и для Тихоокеанского секторов планеты. При этом для континентального сектора установлено, что все три гравиактивные оболочки могут быть представлены эквивалентными двойными слоями, что предполагает существование механизмов консервации неоднородно-стей в оболочках за счет выравнивания давлений.

5. Обнаружено, что средняя неоднородность (произведение контрастности и концентрации источников поля) океанской литосферы может быть с удовлетворительной точностью описана экспоненциально? зависимостью от возраста. Параметры соответствующих зависимостей коррелируют со скоростями спрединга. Построена карта районировании акватории Мирового океана по степени аномальной неоднородности литосферы. Избыточная неоднородность океанской литосферы в основном связана с наложенными структурами: горячими полями и разломнымк зонами. Дефицитно-неоднородная литосфера тяготеет к глубоководным котловинам.

¿.Содержащаяся в аномальном гравитационном поле информация позволяет сделать обоснованный выбор среди эквивалентных решений обратной задачи геомеханики. В рамках эффективно-упругой модели эволюция системы горное сооружение - предгорный прогиб определяется в основном термическим режимом литосферы на стадии континентальной коллизии. Сравнительный анализ данных о строении и аномалиях гравитационного поля Терско-Каспийского прогиба и Ставропольского свода показал, что к началу процесса континентальной коллизии литосфера Ставропольского свода по-видимому была аномально разогрета, с чем и связано понижение изгибной жесткости литосферы и, как следствие, отсутствие предгорного прогиба в этой области. Анализ комплекса геофизических и геологических данных указывает, что формирование предгорных прогибов Северного Кавказа не может быть полностью объяснено только за счет упругой компенсации веса горного сооружения. Сравнительный анализ геомеханических моделей с эффективно-упругой и вязкой реологией дает основания предполагать, что в формировании предгорных прогибов играют роль как упругие эффекты (возможно, на начальной стадии), так и процессы маломасштабной конвекции в астеносфере

Публикации по теме диссертации.

[. Гордин В.М., Тихоцкий С.А. Оценка представительности сеточных моделей аномального гравитационного поля России и стран ближнего зарубежья // Руды и металлы, №6, с.39-44, 1995.

I Тихоцкий С.А., Курихина O.A., Гордин В.М Гравиактивные оболочки Земли: спектрально-статистическая проверка гипотез о типах источников // Тез. докл. Междунар. конф. Вопросы теор. и пракг. геол. инт-ции трав., мага, и элекгр. полей. Воронеж, 1996. - с. 59-60.

I. Mikhailov V.C., Gordin V.M., Kurikhina O.A., Tihotsky S.A., Panina L.V. Computer database on the North Caucasus and fore-Caucasus foredeep // Гео-физ.ж., №1, т. 19,1996. - с. 150.

к Гордин В.М, Кабан М.К., Тихоцкий O.A. Планетарная изостатнческая модель геопотенциала // Тез. докл. Всеросс. сем. Вопросы теор. и практ. геол. инт-ции грав., мага, и электр. полей. М.: ОИФЗ РАН, 1997, с.4-5.

5. Тихоцкий С. А., Курихина О. А Петроплотностное моделирование осадочного чехла при региональных гравиметрических исследованиях: методика и результаты (на примере Восточно-Европейской платформы) // Тез. докл. всеросс. конф. Теофизика-97", С.-Пб.: ВИРГ-Рудгеофизика, 1997, с.90-91.

>. Гордин В.М., Курихина O.A., Тихоцкий С.А., Платонова С.А. Статистическое моделирование источников аномального гравитационного поля на акватории Мирового океана // Тезисы докл. Междунар. конф. Вопросы теор. и практ. геол. инт-ции грав., магн. и электр. полей. Ухта, 1998. - С. 33-34.

1. Тихоцкий С.А., Курихина O.A., Гордин В.М. Гравиактивные оболочки Земли: спектрально-статистическая проверка гипотез о типах источников // В сб. Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей, Воронеж: ВГУ, 1998. -с. 155-170.

1. Polino R., Mikhailov V., Smolyaninova Е., Timoshkina Е., Gordin V., Kiseleva Е., Tikhotsky S., Koronovsky N., Panina L., Demina L., Sebrier M., Stephenson R. Project INT AS 3884: some results of joint analysis of geological and geophysical data. // Abstr., 6th Zonenshain Conference on Plate Tectonics, Moscow, 1998.-p. 91.

). Гордин B.M., Тихоцкий C.A., Курихина O.A, Платонова C.A. Применение Пуассоновой модели источников аномального гравитационного поля для изучения океанской литосферы. // Изв. РАН, сер. Физика Земли, 1998, в печати.