Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Интерпретация донных глубинных магнитотеллурических зондирований в северной части Тихого океана

ВАК РФ 04.00.10, Геология океанов и морей

Автореферат диссертации по теме "Интерпретация донных глубинных магнитотеллурических зондирований в северной части Тихого океана"

российская йщркия начк

ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. И. ь. Кир нова

На правах рукописи

ПЙЛЫШН НИКОЛАЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

УДК 550.837

ИНТЕРП РЕТЙЦИЯ ДОННЫХ ГЛЫБИННЫХ НАГНИТОТЕЛЛИРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА

04.00,15 ■ г5ология океанов и морей 01,04,1? - геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

на соисканий ареной степени кандидата геолого-минералогических надк

Ь'ОСКВА 139?

Р-чоота выполнена в Лаборатории геофизических полей Института пиеанойэгии ий. Ю.1ирвова РЙН.

Научный руководитель - доктор технических наук профессор Я.Л.ЗПНЬЯН.

Официальные оппоненты: доктор физико-иатематических наук, Г.Й.ФОНЙРЕВ (Т® ЙШЗ), доктор геолого-минералогических наук В.Г.

казьнин (Иоаю.

Ведущая организация - Московский Государственный Университет им. К.8.Ломоносова.

Зацита состоится __ 1992 г. в часов на

заседании специализированного Совета К.002.86.02 по присуждении учении степени кандидата наук в Институте океанологии им. П.П.Еиршова РЙН по адресу: 117218 Москва. ул. Красикова, 23.

С чипсе;:тз':ч?А мое;.о ознакомиться б библиотеке Института •шалнодоги;. ш П.П.Зиршоза РА'!,

Дфторйфьра7 разослан '' ____1^52 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат географических наук

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМ» ИССЛЕДОВАНИЯ. Донные глубинные магнита • теллурические зондирования (ГНТЗ) язляится сравнительно новьм методом исследсвания геологического строения литосферы и астеносфера океанов и морей. Своим прогрессом глубинная геоэлектрика обязана такии ученым как Д.Н.Тихонов, Л.Каньср, Ц.Н. Бердичевс-кий, Л.Л.Ваньян, И.С.Зданоз, И.И.РокнтянскиА, Э .Б.Файнберг и многим другим. Глубинныии иагнитотеллурическкии зондированяаи на суле покрыто большинство интересных в тектоническое отноиении регионов. Выявлено широкое распространение проводящих слоев различного происхождения в зонной коре, а такяе проводящего асте-носферного слоя, природа которого обычно сиязнЕается с частичный плавлением пород верхней мантии. До середиин семидесятых годов подобные исследования выполнялись главны» образок на суви. На океанах зондирования с поверхности бесперспективны из-за зкрани-руящего влияния '¿одного слоя, а такяе технических слояностей. С появлением аппаратура для регистрации вариаций злектромагнтных полей на днз, разработанной в Скриппсовском институте океанографии (СШй) З.Фийи, появились первые результаты» стносяциеся глазниц образок, к северо-восточной части Тихого океана. К настоящему времени накоплен значительной объеи зксперинетальных данных. Однако не было заработано единого подхода к их интерпретации. Дальнейшее развитие методики интерпретации доннах ГКТЗ и построение глубинных геоэлектрических моделей океана, с учетом накопленного на суше опита, является на сегодня актуальной задачей. В этом синсле работа является продслвением исследований ведущихся в лаборатории геофизических полей Института океанологии им. П.П.Шкргсова АН СССР под руководством проф. Л.Л.Баньяна (си. Баньян, Виловский, 1583).

;ДЕЯЬ РйБОТИ. Исследование основных чврт электропроводности литосферу и астеносферы океана на основания результатов донных иггнтотеллурическнх зондирований в сезерной части Тихого океана.

КйТЕРКМН, НСПОЯЬЗОВДНШЕ В РАБОТЕ. Использованы результаты доннах ГКТЗ и частотных зондирований, внполвекнах в северной части Тихого океана учеными Скрипсовского института океанографии, а такяе результат« глубинных зондярозакий с иоцшш МГД-ге-!траторо)4, установленном на Кольской полуострове С эксперимент "Хибинц" и советско-финский проект Но 13).

НЙЗЧИЙЗ НВВЙЗМ. Разработана новая методика интерпретации,

позволяющая интерпретировать экспериментальные данные с единых позиций. Отличительной особенностьи развитой методики является иирокое использование априорной геолого-геофизической информации, а такне целенаправленное применение численного моделирования. Показана эффективность разделения электромагнитных полей в зоне действия берегового эффекта на дзе независимые коды, что позволяет более объективно оценивать параметры глубинного геоэлектрического разреза.

Такой подход к интерпретации позволил подтвердить существование проводящего слоя в астеносфере северо-восточной части Ти-аого океана и впервые получить численные оценки интегральных параметров глубинного геоэлектрического разреза северной части Тихого океана.

ЗЯВДЙЕННЕ ПОШЕШШ.

1). В северо-восточной части Тихого окаана в астеносфере существует проводящий слой на глубинах 80 - 120 км, обусловленный частичным плавлением пород слагавших верхнюп ыантиш. Процент содержания расплава составляет около 1,5,2). Степень частичного плавления в астеносфере северо-западной части Тихого океана существенно кекьие, чем в северо-восточной, или вообще отсутствует.

3). Б северо-восточной части Тихого океана удельная электропроводность верхней части литосферы характеризуется вертикальной макроанизотропяей,

4), В северной части Тихом океане существует обпирная зона действия берегового эффекта,

5). Раздельное использование двух мод электромагнитного поля в зоне действия берегового эффекта позволяет получить численные оценки интегральные параметры глубинного геоэлектрического разреза. Для северо-восточной части Тихого океана интергральная проводимость проводящего слоя в астеносфере составляет 8000 -

§

ЮООО Си, а интегральное поперечное сопротивление - около 10

ВКЛАД АВТОРА. Авторов были собраны и проинтерпретированы все доступные экспериментальные данные по донным ГМТЗ, проведен их анализ. Разработана оригинальная методика численного моделирования и выполнен большой объем численного моделирований для различных классов как идеальных, так к реальных дву- и трехмерных иодельл, с покоцью изпесткых, а также разработанных артирс-програми. Были построены глубинные геоалектрические нодели для

северной части Тихого океана, получены оценки интегральных пар-иетров геозлектрического разреза. Йвтор принимал участие в поле-вух работах а райках савотско-финского проакта 13 и эксперимента "Хибины", анализе и обработка полученных данких. Работа выполнена в Лаборатории геофизических полей Института океанологии ю> П.ГЫВирмва.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РйЗОТИ. Независимик ст традицксг.ных геотермических и сейсмологических методов подтвсрздено суг/отво-ваике слоя частичного плавления в астеносфере северно-ваточной частя Тихого океана. Получинк чкеленные оценки кктергг»льных па-раиетров глубинного геоэлектричзского разреза! опрчяо .¡ена глубина центра проводящего астеносферного слоя. Выявлена вертикальная анизотропия электропроводности верхней части литосферы исследуемого региона. Разработана методика интерпретации донных ГМТЗ, которая носег быть применена при проведении подобных работ на различних акзатеркях, особенно во внутренних и окраинных морях.

ЙПРОЕЙЦЙЗ РШШТН. Основные положения диссертационной работы докладывались на I Всесоизной кофаренци по морской геофизике (Баку, 1987), на II Всесоизнои совещании рабочей группи ЭЛЙС "Норкальныв разрезы верхней мантии" СКиез, 1937), IX Международной симпозиуме по электрокагкитой индукция в Земле (Сочи, 1983), на семинаре по проекту ЗНСЛЭБ СЛа Хойа, Калифорния, 1983), а такге на сваинаре лаборатории геофизических полей Института океанологии им П.П.йириова АН СССР.

[ШБЯ'ЖАЦИЯ. По теиа диссертации опубликовано 15 статей.

СТРЗКТЭР» й ОБЪЕН ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заклпчения, общим объзиои 12.7 машинописных страниц, содервит 39 рисунков, В таблиц и списка литература из 77 наименований, в том числе 37 иностранных.

Искренни» благодарность и признательность автор внразает сотрудника« лаборатории геофизических полей Института океанологии им.П.П.Эирвова АН СССР аа консультации и помощь, оказанные при подготовке работы, йвтор благодарен сотрудникам вычислительного центра Института океанологии ил П.П.Зирвова ЙН СССР за помочь при выполнении вреиееияих расчетов, йвтор такав благодарен сотрудника* Скрипсовского института океанографии Я.Фийа, Ч,Коксу и А.Чзйву за предоставленные материалы полезные дискуссии и советы.

Особуи благодарность автор вирааает научному руководители доктору технических наук профессору Л.Л.Ваньяку за помочь и цен-

ные замечания на разных этапах подготовки диссертации.

/

^ - - ~ У

СОДЕРЕШШЕ РАБОТН.

Во ввр.денин обосновывается актуальность текы исследования, формулируются цели работы к репаекые для ее обеспечения задачи, приводятся сведения об использованных материалах, личном вкладе автора, научной новизне, практической ценности и апробации полученных результатов.

Глава 1. ЗЛЕКТРВНЙГНИТШЕ ПОЛА В ОКЕАНЕ.

В главе рассматриваются общие сведения о природе вариаций электромагнитного поля в океане с периодом от долей часа до нескольких суток, использовано представление о двух независимых ь-о-дах злкетромагнитного поля, а такие приведена результаты расчетов затухания электромагнитного поля в слое океанской воды.

Основный источником переменных электромагнитных полей являются внешние ионосферные и магнитосферныв токовне систеыы. В океанах, кроме полей, индуцированных ионосферными источниками, имеится дополнительные -источники, связанные с взаимодействием океанских течений й волн с постоянный магнитным полем Земли.

Понятие о ТЕ и ТМ модах очень ваяно для понимания природы электромагнитных полей в Земле и их интерпретации, поскольку их свойства существенно различны. ТЕ-иода кз-за отсутсвия вертикальных токов малочувствительна к слабопроводящиы эонаи, а Тй иода, наоборот, в значительной степени определяется структурой именно этих зон, на поверхности которых образуется электрические заряды, а нижележащие прсвадяцие зоны влиявт слабо. В простейшей двумерной случае ТЕ иоде соответствует Е-по-ляризация, а Тй моде - Н-поляризация, уравнения для которых независимы.

Поле вйеяних" "ионьсферныг и иагнятосферках всгочияквв затухает в водном слое. Затухание зависит от частоты колебаний и электропроводности воды. Слой океанской воды имеет высокую интегральную проводимость С до 20000 См) и является мощный экраном для электромагнитных волн. Проникая в толщу воды, электромагнитное поле затухает, его анергия переходит в дяоулево тепло. Этот процесс ослабевает с понижением частоты колебаний, так что при достаточно длинных периодах горизонтальные компонента электрического поля примерно одинаковы от поверхности до дна.

Иную природа ииеет распределение горизонтальных компонент магнитного поля. Магнитное поле океанских токов в точках, равноотстоящих от поверхности и от дна, разно ндлв, а на поверхности воды и на днв оно направлено в противополозные стороны. Полное кагнитное полз состоит из трех частей:

- внесшее поле,

- поле токов, текущих в водном слое,

- поле токов, индуцированных з подстилавцен разрезе.

Нетрудно рассчитать затухание, а такве амплитуду вариаций

электрического и магнитного полей для различных периодов, мощностей водного слоя и типов подстилапцкх геозлектрических разрезов. Затухание иагнитного поля сильнее в водном слое, подстилаемой разрезом без проводящего слоя. Так на периоде 1 час при глубине океана 5 км напряггенносгь магнитного поля на дне составляет примерно 10% и 202. а на периоде 2 часа при глубине океана 3 ки - 25'/. и 40У. С для разреза с проводящим слоем и без него, соответственно) от соответствдицего значения на поверхности. Затухание электрического поля в рассматриваемом диапазоне периодов значительно слабее, чем иагнитного, и для периодов более часа не превышает 5% при лвбах глубинах океана и любых подстилаащих разрезах, например на глубине 3 к« и периоде 2 часа затухание не превышает 2%. Амплитуда электрического поля равна примерно 1 ккВ/н.

Разрешавшая способность лучших образцов существуащей донной измерительной аппаратуры составляет 0,2 нТ по аагнитноиу поли и 0,05 икВ/м - по электрическому (Fillсих, 1980), что не позволяет уверенно регистрировать вариации магнитного поля в области коротких (менее 15 минут) периодов. Уверенно удается регистрировать вариации иагнитного поля с периодов более 30 икнут, Глубина проникновения электромагнитного поля при этой презыагает 30-100 км. Верхняя часть геоэлвктрического разреза (практически большая часть литосферы) остается недоступной изучения донники ГМТЗ при использовании традиционной (в ранках одномерных коделей) методики.

Для периодов вариаций, превышавших 1 час, иоггно с 52 точностьв считать электрическое поле в океане глубиной до 6 кн практически постоянным по глубине, а водный слой монно зааенить широко известной нодельи тонкой пленки с поверхностной проводиностьи, равной интегральной проводимости зодн (Яейниакн, 1947, Price, 1949). При меньших глубинах такая заиена возиоана и

- G -

для более коротких периодов.

Глава 2. АПРИОРНАЯ ЫОДЕЛЬ ГЕОЭЛЕКТРНЧЕСКОГО РАЗРЕЗА,

Глава посвяцена построении априорной модели глубинной электропроводности океана с использованием различных геслого-ге-офизическкх данных. Используются обобщенные параметры глубинного геозлектрического разреза - интегральные продольная проводимость астеносферы и интегральное поперечное сопротивление литосферы.

Океанская кора. Физические свойства донных осадков (скорость упругих волн, плотность, удельное электрическое сопротивление) определяются главным образок содерзакиеы воды -влааностья или коэффициентом пористости. Поровые воды океанских осадков иаевт гидравлическую сьязь с водами океана; состав и концентрация растворений* в них солей близки, В активных районах удельное сопротивление поровых вод нояэт существенно уменьшаемся из-за повышенна температуры , Измерения удельного сопротивления донннх осадков полученных геологическими трубками в глубоководных котловинах Тихого океана показали, что при изменении коэффициента пористости от 65% до 75% удельное сопротивление донных осадков, по-видимому не иоает варьировать в иироких пределах и составляет 0,3-2 0а*а,

Исследование физических свойств пород второго слоя океанской коры в естественном залегании показало, что значения коэффициента пористости в естественной залегании значительно болыае, а удельное электрическое сопротивление, плотность и скорость упругих воля значительно ниве, чем те же параметры, изиеренные в лабораторных условиях на образцах. Эти расхогдения обгясняштся значительный объеиок макротрещин в породах, слагающих второй слой океанской коры. Вариации всех физических свойств пород, слагающих второй слой, коррелирувтся с пористостью, трещииоватостьв, водонасыценностьи.

Б активных районах существенное влияние на удельное электрическое сопротивление ноает такяе оказывать температура^ Измерения электрического сопротивления в сквавинах DSDP показало, что его значения для базальтовых брекчий, гравия и песка составляет 1-10 0ы#м, для подунечннх лав - около 10 Ом* и и для массивных базальтов - около 100 0м*и. Прямые измерения сопротивления базальтов, выполненные в рг^онэ

Восточно-тихоокаанского поднятия с подводного обитг.йыо: -аппарата с покоеьз четнрехзлектродной установки ка постоянной

токе дзли значения около 10 Оы*и, Среднее значение удельного электрического сопротивления для базальтов верхней части второго слоя обычно выбирается равный 30 0и*м, а для иипней части второго слоя зто значение, по всей видимости существенно больше СКеннет, 1977, ВоШпда & НЬештеЬг, 1979, Сох, 1981, Непрочной и др. 1381,).

Строение океанской коры отличается от континентальной существенно больней рольв воды в физических свойствах слагающих ез пород. Присутствие воды в океанской коре существенно уиэныает контрасты удельного электрического сопротивления, связанные с различным литологическии и иинеральнкм составом. Удельное электрическое сопротивление практически полностьи, за исклочениен зон сульфидного орудекения, определяется содерааниеи воды и структурой порозого пространства. Удельное электрическое сопротивление инеет в верхней части ояеанской коры низкие значения не превыпаицие первых сотен Оа*а. Присутствие такого сравнительно проводящего слоя в значительной степени сг.чагивает влияние локальных аномалий электропроводности.

Верхней иантия. Экспериментальных данных о сопротивлении пород верхней мантии крайне мало. Начиная с 1031 года на Восточно-Тихоокеанском поднятии ,были выполнены несколько частотных зондирований, позволивших,оценить сопротивление до глубин около 20 км. Полученные данные сзидетельствупт об очень высоких значениях сопротивления, не менее 10000 -ЮОООО Оы*м (Сох еЬ а1., 1386). Удельное сопротивление пород ве-охней мантии изменяется с глубиной под действие« возрастающих температуры и давления, Моделирование в лабораторных условиях под действием температуры, достигавшей 1000°- 1500°С, и давлении 5000 - 7000 Ш1а является зесьма слозной технической задачей. Поскольку киеюциеся данные говорят об относительно более слабом влиянии давления, чем температуры, в большинстве лабораторных измерений основное внимание уделано изучении роли температуры. По совренеккым представлениям основой тепловой зволпции океанов является остывание литосферы, абразущейса в ркфтовах зонах. Расчет глубинных температур затруднен из-за слокности выделения кондуктивной составлявшей теплового потока в пирокой полосе вдоль рифтовкх зон. Зто связано со значительным вкладом в наблшдаекый тепловой поток конвективного выноса тепла. Большинство исследователей считает, что температурные различия на глубинах не более 250 - 350 ки сглакива-птся, поэтому распределение температуры приближается к сферичес-

ки ишиетричноиу 'Ваньян, Ииловкскй, 1983). Однако известна структуры, в которых распределение температуры отличается от сферичзски-симметрично! с на глубинах в сотни километров. Это прежде всего зона сдбдукции,

йстеьапферннй прсводяцвй слой.~ Вавнейпей особанностьи геотермических моделей является наличие для достаточно больших тепловых потоков интервала глубин, гд% температура превыпает точку начала плавления (т.е. солидус), Имеющиеся в настоящее Время экспериментальные данные о солидусе пород верхней мантии характе-ризунтся значительным разбросом, что влияет на точность определения глубины области частичного плавления. Все данные, несмотря на заметную разницу указывает на увеличение температуры начала плавления с глубиной.

Для построения геоэлектрической недели удобно выделть три области:

- первая область - литосфера - твердая оболочка, температура которой не достигает солидуса, В этой области мокно определить удельное сопротивление по температурой зависимости, пренебрегая влиянием давления. Удельное сопротивление пород литосферы, находящихся в твердоы состоянии иовет пониааться под действием температуры в 20 раз. Характеристикой этой области является интегральное сопротивление Т,

- вторая область, которая существует только в "горячих" моделях - астеносфериад зона частичного плавления, где значения темпаратуры выше значения солидуса. В этой области главный вклад в электропроводность вносит флиид - базальтовый расплав. Поэтому механизм электропроводности является здесь электролитические, сходный с механизмы электропроводности осадочных пород, хотя природа флвида здесь совериенно иная. Следует отметить, что начало плавления отмечается не скачком электропроводности, а лиаь нарастанием скорости ее возрастания с глубиной. Характеристикой этой области является интегральное проводимость 5 и глубина до центра проводящего слоя Ьа,

- третья область охватывает интервал геоэлектрического разреза примерно с 250 км. На глубинах больших 400 км текпература не превышает адиабатической. В этом случае распределение удельного сопротин^ния будет близким к сферически симметричному. Отличия от :.юго идеального представления, по-видимому, лекат .-не разрешавшей способности Г11ТЗ. Значения удельного сопротивления ь интервала 250 - 400 кк, могут Сыть получены из интерпретации

- 9 -

данных глобального зондирования.

Гласа 3. ВЛИЯНИЕ БЕРЕГОВОГО 3®8EKTfl Hfl ДОННЫЕ ГЛТЗ.

Б главе предложена методика численного моделирования /^ка-явннй электромагнитных полей на дне и призедонн результаты рас-чатов. Оснсвнхх источником искагений злекграмагнитннх полей ::а дне являятся изменения мощности водного слоя, а такгв влияние берега или островов. Рассмотренные внпе особенности донных ГИТЗ и геоэлектрической модели океана определяет вабор алгоритмов и программ, приемлемых для численного моделирования влияния рельефа дна.

Большинство сццествущих программ предназначено для вычисления электромагнитного поля поле на поверхности акваторий, поэтому для анализа полей на дне океана они были модифицированы. Предлозгна методика вычислении тензора импеданса по результатам численного иоделирования, а такие формулн пересчета тензора импеданса под токо2ии пленку, которой аппроксимируемся водный слой. Пипученйые формулы бцди испояьзованк автором для численного иоделирования иагнитотеллуркческих полей на дне акваторий.

Разработанная «итодика численного пакетирования бнла применена для анализа особенностей двумерного берегового зляекта с длиинопериоднок Сот 1 до 8 часов) диапазоне., характерной для дониих ГНТЗ. Водный слой для этого диапазона периодов эквивалентен гонкой пленке с интегральной проводимостью S, зависящей от расстояния ог берега. Бил выполнен больной оОъен численного моделирования для различных идеальных моделей приповерхнос-ного слоя и глубинного геозлектричаского разреза.

Е-подяризацня. Глазной особенностью аномалий горизонтальных компонент электромагнитного поля на дне является то, что наиболее сильному влияния рельефа дна подверзено магнитное поле. Относительные аномалии'иагниткого поля на дне существенно превыиаят как аномалии электрического поля, так и аномалии иагнитного поля на поверхности. Вблизи берега на дне образуется пологитзлькая аномалия иагнитного поля, затухающая с ростоа периода. Величина ее превышает аноиалиш электрического поля. На больших удалениях возникает отрицтзльная аномалия. Аноиалии магнитного поля существенно зависят от иадели водного слоя, что нонет быть объяснено различным пространственным распределением поверхностной плотности тока. Зависимость аноиалий

электрического поя* пт параметров модели приповерхностного слоя •■¡.'."•"итр^^^о ыаньве. Ча периодах более 8 часов береговой эффект существенно ^гухает.

Поведение кааучегося сопротивления е значительной степени определяется иагкигнгш полей (в отличие от зондирований на званой поверхности, где поведение кагущегося сопротивления определяется главны* образом электрическим полем). Модуль кааущегося сопротивления образует ниниауи вблизи берега и иаксиыум на больших удалениях. Величины ¡¿иниыуна и максимума уменьшаются с увеличением периода. Параметры их зависят, кроме того, от подели приповерхностного слоя. Значения фазы в аномальной области лежат вне интервала -90°- +90° характерного для для одномерных моделей. Минимум модуля каауцегося сопротивления и интенсивная аномалия его фазн вблизи берега не имеют аналогов на поверхности.

йстеносферный проводящий слой оказывает существенное влияние на береговой эффект: сглаживается ыиниауи модуля кажущегося сопротивления в прибрезшой зоне, уменьшается аномалия фазы. От проводииости астеносферного слоя такге зависят величина и располовение ыаксимука аномалии модуля кажущегося сопротивления: с уменьшением проводииости расстояние до максимума увеличивается, а величина его сначала возрастает, а затем скова убывает. Изменения величины максимума невелики для всех моделей, Аномалии, фазы уменьшается с ростом проводимости астеносферы. В целом их величина , так яе как и для модуля кааущегося сопротивления, меньве чем для разреза без проводящего слоя.

Н-поляризация. Поведение магнитного поля на дне определяется в основной просачивание« тока сквозь внсокоомнув литосферу. В результате образуется плавно затухаящая с удаленней от берега интенсивная аномалия. Магнитное поле вблизи берега существенно превышает нормальное океанское значение. Различие в величине образце^егося . минмииума какущегося сопротиления, объясняется наличием аномалии магнитного поля на дне,

Вакным параметром, который существенно влияет на донный береговой эффект для Н-поларизации, является интегральное поперечное сопротивление литосферы Т. С его уменьшением аномалии кажущегося сопротивления такве уменьшаится, причем эта зависимость на дне проявляется арче, чей на поверхности. Следузт отыетить, что изменение поперечного сопротивления литосферы не оказывает сколько-в/.аудь существенного влияния на донный

береговой эффект при Е-поляриэации. Изменение величины интер-гальной проводимости астеносферы, в своп очередь, практически не оказывает влияния на донный береговой эффект при Н-поляризации. Выполненные расчеты и анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводи СРа1зЫп 5 Оапуап, 1988):

- береговой эффект на дне существенно отличается от берегового эффекта на поверхности;

- проявление берегового эффекта на дне для Е- и Н-поляризаций существенно различии;

- на дне наиболее искааены горизонтальные компоненты магнитного поля, именно их аномалии вызывают искаяения казущегося сопротивления;

- основными параметрами, определявшими донный береговой аффект при Е-поляризации, яеляится интегральная проводимость и глубина проводящего асте.чосферного слоя;

- действие донного берегового эффекта при'Е-поляризации не распространяется далее 300-900 ки от берега, а чаде ограничивается областьа пириной 500-300 км;

- основный параметром, определяющим донный береговой эффект при Н-поляризации, является интегральное сопротивление литосферы,

- действие донного берзгового эффекта при Н-поляризации зависит от гальванической константа и распространяется на обяирнув область, размер которой монет презнаать несколько тысяч кн. Поп-речная по отношении к береговой черте компонента электрического поля существенно занияена в этой области. Зависимость донного берегового эффекта от параметров проводящего слоя и периода в этом случае менее существенна, чем при Е-поляризации.

Следует отметить, что интерпретация доннах ГНТЗ в рамках одномерных моделей в прибрежной зоне неприменима. Только использование численного моделирования позволяет оценивать такие параметры, глубинного геозлектрического разреза как интегральная проводимость 5 и глубина астзносферного проводящего слоя Ьа, а таете интергральное сопротивление литосферы Т.

Глава 4. АНАЛИЗ Д0ННЯХ ГНТЗ В СЕВЕРНОЙ ЧАСТЙ ТИХОГО ОКЕАНА

Четвертая глава посвящена анализу донных ГНТЗ, выполненных в северной части Тихого океана и их интерпретации. Большая часть донных ГЙТЗ, выполненных к настоящему вренени, расположена в северной части Тихого океана. Первая группа пунктов распологена

мегду калифорнийским гтбервкьеи к Гавайскими островаии (возраст литосферы от 0 до 72 ылн. язт). Вторая группа располовена в районе Ыариацской и Японской островных дуг, где Еозраст литосферы превышает 100 млн. лет.

Ваиным параметром, свидетельствуяцим о наличии неоднород-ностей, является анизотропия тзнзора импеданса, характеркзанщая степень искаженности электромагнитного поля. Величина параметра И = I 1 maxi / I Z ninl для пунксв ROSE-iB (расстояние от берега 500 км) и b'.F.Rev. (расстояние от берега 750 км) практически не зависит от периода в рассматриваемом диапазоне к составляет соответственно 2.5 и 1.5. Напрвления максимальной оси иыпедансной диаграммы примерно вдоль береговой линии сыидетельстеуат о влиянии бервгого эффекта. Особенно сильному искажению подвержены компонент!; каыуцегоса сопротивления, перпендикулярные береговой линии СН-поляркзация).

Для оценки искажений было выполнено двдиарное численное моделирование по описанной зыве иетодике, Изменение интегральных париегров Ь к Т глцбинного разреза в достаточно широких пределах, как показал анализ результатов численного моделирований, практичаски не влиянт ка значения продольной компоненты каяуцогося сопротивления (Е-поляризация) на удалениях более 400 км от берега. Отсюда следует ваяный для дальнейвей интерпретации вывод; что продольные пи отношении к береговой липки компонента кааущегося сопротивления береговым эффектов практически не хскааена. йсказения попарзчной компоненты каауцзгося сопротивления СН -поляризация) сильно зависят от поперечного сопротивления литосферн Т и практически не зависят от суммарной проводимости астеносферн S (Пальиин, 1388),

Пункты КСР расположены примерно s 200 км к северо-востоку от иго-восточной оконечности Гавайской островной гряды. Она представляет из себя сильно вытянутую цепь островов к банок протяаенностьи в несколько тысяч километров, окруженную океаном с глубиной 5 км и более. Автором были выполнены расчеты для модели вытянутого острова по кодифицированной программе Вайдельта. Выполненное численное моделирование, анализ результатов и сравнение их с экспериментальными данными позволило сделать следующий вывод: наблидаемая в пунктах NCP анизотропия импеданса в первом приближении мояет быть объяснена влиянием Гавайской островной гряды; при этом модуль 'продольной компоненты кажущегося сопротивления практически не искавается и

- 13 -

нонет быть использован для дальнейшей интерпретации.

Продольное кокпонеяти значения кааущегося сопротивления для пунктоз Н0БЕ-1Б, ЯСР-1 и НСР-З, были сведены вместе.

Все значения модуля ¡сагуиэгося сопротизления не выходят из полоса разброса зкеперкиенатльиих данных. Совпадение значений модуля говорит о близком совпадении глубинных геозлектрических разррзов, по крайней марс в диапазоне глубин от 100 до 300 км (Палызкн, 1987).

В районе Марианской островной дуги приповерхностный неоднородный слой монет быть- описан двумерной моделью. На основании геолого-геофизичоских данных была построена модель приповерхностного слоя вдоль вдоль 18°с.и., для которой были выполнены расчеты компонент электромагнитных полей и кагущегося сопротивления. В отличие от берегового эффекта, искажения в данной случав практически не зависят от интегральных параметров глубинного разреза, а определяатся лиаь распределением проводимости приповерхностного слоя. Это объясняется относительно невольной шириной Марианской островной гряды, а такие наличием узких глубоких проливов мезду островами. Просачивание токов сквозь литосферу в данном случае несущественно. Максимальной является поперечная компонента кавуцегося сопротивления. Результаты расчета хоропо совпадают с экспериментальными данники, что позволило выбрать для интерпретации продольные кривые. Интерпретация показала крайне слабое проявление проводящего слоя, причем-его проводимости убывает в запада на восток.

Более славная ситуация в районе Японского зелоба, где приповерхностные неоднородности трехмерике. Характерной особенностьп экспериментальных данных является наличие левой нисходящей ветви, которая интерпретировалась японскими геофизиками как слой с лроводииостъз до 3000 См (Уики1аке е1 а1., 1983), Однако сведения о донных осадках в этом районе и имеющиеся данные о геоэлектрическом разрезе океанской коры такой интерпретации нз подтвзргдаит. Для оценки влияния приповерхностных неоднородностей в этом районе было выполнено квази-трехмерное численное моделирование. Область особенно сильных искахений располагается иеяду островами Хонсе и Хоккайдо и глубоководным яелобоч, что подтверядается величиной индукционного вектора, которая з пункте 51 равна 2,1. Искажения восточнее желоба существенно слабее. Характерной чертой явлаптся аномально низкие значения импеданса во всех направлениях на периодах 2 и 4

часа в районе пункта S2. С ростом периода продольная (меридиональная) компонента нормализуется, а поперечная (ииротная) остается занигенной, Анализ результатов расчетов показывает, что наличие короткопериодных восходящих ветвей, как на продольных, так и на поперечных кривых ГНТЗ ыоено объяснить береговым эффектом при глубинной разрезе, в котором отсутствует проводящий слой. Таким образом трехиернне искажения электромагнитного поля в районе Японского зелоба объясняет особенности экспериментальных данных при глубинном разрезе без проводящего слоя.

Выполненный анализ зксперииентальных данных, позволивший выбрать наивнее искаяенные компоненты кажущегося сопротивления, дал возможность получить оценки параметров глубинного геозлектркческого разреза. Главным объектом изучения донных ГНТЗ, является проводящий астеносферный слой. Выполненная ранее интерпретация экспериментальных дакнь'к (Filloux, ÍS81, 1982, Oldenburg, 1381, Ваньян, Еиловский, 1983, Taritz, 1984) выполнялась по эффективны!! значынияи иьпеданса без учета влияния берега, что произело к появлении зависимости параметров проводящего слоя от расстояния до берега севэро-американского континента, которая ошибочно интерпретировалась как зависимость от возраста литосферы.

Выполненная авторои интерпретация свидетельствует о близости геозлектрических .разрезов в интервале глубин 100 - 300 ки в северо-восточной части Тихого океана (от Гавайских островоз до Босточно-Тнхооканского поднятие вблизи r-ова Калифорния). Различия, по-всей видимости, леаат вне разрешавщей способности имевшихся экспериментальных данных, характеризующихся значительней разбросоа. Таким обоазоа, мояко построить единуи модель геоэлектрического разреза для этого обширного региона в рассматриваемом интервале глубин. '

Глубинный геоэлектрический разрез северо-восточной части Тихого океана характеризуется градиентным убыванием сопротивления с глубиной, на фоне которого в пределах астеносферы выделяется проводящий слой. Суммарная продольная проводимость этого слоя составляет 8000 - 1 ООО0 Си, а глубина до его центра - 100 -120 ка. Верхняя чать литосферы -¿растеризуется интегральным поперечным сопротивлением около Ю8 Ои*ы2.

Глубйнный геоэлектричесий разрез северо-западной части Тихого океана близок к так называемому "стандартное". Таким образом, эта часть Тихого океана характеризуется отсутствием или

- 15 -

слабым развитием проводящего слоя в астеносфере.

Глава 5. ОСОБЕННОСТИ ГЛЙБМННОГО ГЕ03ЛЕКТРИЧЕСК0Г0 РАЗРЕЗА СЕВЕРНОЙ ЧЙСТН ТИХОГО ОКЕАНА

В главе рассмотрены особенности геоэлектрического разреза северной части Тихого океана по .сравнении в другими регионами. Приведена возмоаная геологическая интерпретация этих особенностей.

Лстеносферннй проводящий слой. В северо-восточной части Тихого океана от побереяья Калифорнии до Гавайских островов уверенно выделяется проводящий слой с интегральной продольной проводимость® $а = 8000 - 10000 См и центром на глубине 11а = 100 -120 км. Анализ имеющихся данных свидетельствует о том, что латеральные изменения каяущегося сопротивления на этой обширной территории на г.ревниаит разброоса экспериментальных данных. Предварительные результаты эксперимента ЗЫСЛЗБ, выполненного в районе рифта Хуан-Де-Фука (Оапуап е1 а1., 1988), близки в рассматриваема интерзале глубин к геоэлектрическоиу разрезу в северо-восточной части Тихого океана. Оценки интегральной проводимости астеносферного слоя в районе рифта Хуан-Де-Оука также составляет 3000 - 10000 См, однако глубина до центра слоя составляет 80-100 км.

Таким образом глубинный геозлектрический разрез северо-восточной части Тихого океана примерно от 20°до 50°с.и. и от побе-регья Северной Америки до изохронн в 70 илн. лет характеризуется повсеместным распространением проводящего слоя в астеносфере, имеющего интегральнуи проводимость 8000 - 10000 См, и центр, располоаенный в интервале глубин от 80 до 120 км. Ндельное сопротивление в зтоы слое не превышает 10 Он*м, что свидетельствует о появлении кидкой фазы в результате частичного плавления пород верхней мантии (ОЫепЬигЕ, 1Э81, Ваньян, Шиловский, 1983).

Примем в соответствии с лабораторными экспериментами Иура-си, Купиро и Фуджи, что при объемном содзраании базальтового расплава, превышающем 1,5-22, основная доля расплава образует связную сеть пленок. В центральной части астеносферного проводящего слоя удельное сопротитвление по результатам интерпретации не превышает 10 Оа*м, а удельное сопротивление скелета выше 100 0м*м. В этом случае содержание объемное содеряание расплава равно примерно 1,52. Эта оценка хорошо согласуется с новейиими данными сейсники (2 - З/О.

- 16 -

Западнее, в интервале возраста литосферы от 70 до 100 млн. лет экспериментальные работы не проводились. Донные ГНТЗ , выполненные на западных древних окраинах северной части Тихого океана, свидетельсьтвдшт от отсутствии или слабом развитии про-—водящего астеносферного слоя. Интегральная прозодиипсть астеносферы здесь на порядок ¡¡еньше, чем в восточной части Тихого океана. При прочих равных условиях зто говорит о той, что базальтовой выплавки такве на порядок меньше. Повидикоиу, долена существовать переходная зона от сеееро-зосточной, более молодой, к древней северо-западной части Тихого океана.

Злектроыагнкткке исследования, в тоы числе и доинне ГИТЗ, выполненные п окраинннх морях Тихого океана С Охотском, ©илип-пинскоа и Тасыаноеои) говорят о наличии так проводящего астенос-ферного слоя (Баньян, Пяловский, 1383, Рервизоп вЬ а!., 1387, !Л11еу еь а1., 1939) с параиетрани близкими к слое в северо-восточной части Тихого океана.

Многолетние исследования глубинной злактропроводности астеносфера на континентах (проект ЗЛАС) показали наличие проводящего слоя з астеносфере континентов ливь в некоторых наиболее активных регионах (Байкальская рифтоЕая зона. Провинция Бассейнов и Хребтов, Пакнонская зпадина). Параметры этого слоя для различных регионов различна, однако его интегральная проводимость в два три раза иеньше, чем в северо-восточной части Тихого океана.

Таким образом электропроводность астеносферы северной части Тихого океана характеризуется рядом особенностей:

1) существенное отличие глубинного геозлектрического разреза восточной и западных частей исследуемого региона,

2) повсеместное наличием в восточной части проводяцего ас-теносферного слоя, латеральные изменения которого не выделяются на фоне разброса экспериментальных данных.

Интегральное сопротивление литосферы. Возникающее при береговой эффекте аномальное поле ТЫ -моды, позволило оценить интегральное поперчного сопротивления разреза Т, которое в севе-

8 2.

ро-восточной части Тихого океана разно (0,8 - 2) 10 0м*м, Полученная оценка и данные из работы (СЬауе & Сох, 1383), а такге оценка полученная в работе Кувшинова, леват в интервале 10 - 10 0ы*ц . Эти значения, а такке работы в Тасмановом море (ЬШец е1 а!, 1989) основаны на анализе затухания берегового эффекта для Н-поляризации. Основной вклад в величину интегрального сопротивления вносит верхний 10-20 километровый слой океанской литосферы.

Судя по полученным даннин, он характеризуется аномально относительно низким удельным сопротивлением около 1000 0м*н.

Близкая по физическому смыслу методика определения интегрального сопротивления была использована при интерпретации результатов эксперимента "Хибины" и советскофкнском проекта 13. Величина интегрального поперечного сопротивления литосферы легит з интервале от 10 до 10 0ы»ы (Ваньян др., 1338).

В обоих рассмотренных случаях величину Т формирует вертикальная составляющая удельного электрического сопротивления.

Другим источником информации об удельной сопротивлении океанской литосферы являится яастотные зондирования, выполненный в северо-восточной части Тихого океана С Сох е1 а1., 1986). Интерпретация этих экспериментов позволила получить значения удельного электрического сопротивления первых 20-30 км верхней мантии, которая составила около 100000 0м*м, Интегральное сопротивление по

9 2.

данным частотных зондирований составляет примерно 10 - 10 0м»м. В данном случае основной вклад в интегральное сопротивления вносит продольная компонента удельного электрического сопротивления.

Анизотропия океанской лнтосферц, Лабораторные данные свидетельствуй! , что значения удельного электрического сопротивления пород, слагающих верхнуш мантиш и нигние слои континентальной коры, для интервала глубин 10 - 30 км Си соответствующих им температур) отличаится не существенно и леяат в интервале 10 106 0м*м.

Сравнение приведенных выше оценок интегрального сопротивления показывает, что интегральное попереченое сопротивление океанской литосферы значительно меньше, чем континентальной, как по глобальным оценкам, так и по результатам глубинных дипольных зондирований на Балтийском щите. Интегральное продольное сопротивление верхней мантии северо-восточной части Тихого океана оказывается, наж я следовало ояидагъ близким к значениям полученным на континенте.

Различие интегральных поперечного и продольного сопротивлений верхней мантии в северно-восточной части Тихого океана объясняется, по-еидимому , вертикальной какроанизотропией удельного электрического сопротивления.

- 13 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В занлачении сфорыулирозаны основные выводы и результаты, которые сеодятся к сяедуацеиу:

1). Нетодические выводы:

- затухание электромагнитного поля е океанское водной слов позволяет использовать аппроксимации его гонкой проводящей пленкой, что существенно упрощает численное моделирование,

- анализ априорой геолого-геофизической информации и введение интегральных параметров глубинного гаозлектрического разреза позволили существенно сузить класс моделей и минимизировать количество неизвестных параметров,

- разработанная оригинальная иетодика численного моделирования учитывающая особенности донннх ГНТЗ позволила внявить специфические особенности искажений электромагнитных полей на дне океана,

- внполеннов численное моделирование и анализ результатов расчетов для различных идеальных моделей берегового эффекта выявили определазций вклад берегового аффекта на результаты донннх ГИТЗ в обЕИрнсй области,, простиравшейся на 1000 - 1500 км от тихоокеанского побереаья, что делает нгвозыовшш применение традиционней интерпретации в райках одномерных кодедей,

- преддогганная раздельная интерпретация двух под электромагнитного поля позволила существенно повысить достоверность получаемых численных оценок интегральных параметров глубинного ге-озлектрического разреза,

- разработанная автором методика интерпертации донных ГНТЗ применима для либых акваторий, вклвчая окраинные и внутренние иоря.

2), Геологические выводы:

- впервые независимые от традиционных геотермических и сейсмологических методов получены достоверные численные оценки параметров слоя частичного плавления в северо-восточной части Тихого океана,

- выявлено отличие степени частичного плавления в астеносфере ыекду северо-восточной и северо-западной частями Тихого океана,

- ка основании анализа значений интегрального сопротивления верхних слоев литосферы обнаружена вертикальная макроанизотропия удельного электрического сопротивления в северо-восточной части Тихого океана, что моает свидетельствовать о наличии глубинных

разломов или разломных зон, обеспечивавших гальваническую связь океанского водного слоя с глубинными проводящими слоями,

- сделано предполоаение о наличии зависимости интегрального поперечного сопротивления верхних слоев литосферы от ее возраста аналогичное известной зависимости для теплового потока.

Основные положения диссертационной работы опубликовананы в следующих работах:

1. Баньян Л.Л., Демидова Т.Д., Пальшин H.A. и Егоров И.В. Численное моделирование геометрических ИГД-зондирований на постоянном токе. В сб.: Глубинная электропроводность Балтийского цита, Карельский филиал АН СССР, Петрозаводск, 1S86. стр. 89-101.

2. Ваньян Л.Л., Демидова Т.Й., Пальиин H.A. и Егоров И.В. 0 глубинном дипольном зондировании Балтийского щита. Физика Земли No 8, 1986, стр. 53-71.

3. Напуал, L.L., Dealdnva, Т.A., Yegorcv, I.U. <5 Palshin, N.A. Numerical nodelling of the deep DC-soundings. Geoexploration, 24, 1987, pp. 125-130.

4. Палъшин H.A. Электропроводность литосферы и астеносферы верхней мантии. Проблемы геофизики океанского дна. Тезисы докладов I Всесоизной конференции по океанской геофизике. Том II. Москва. 1987.

5. Пальиин H.A. Типичные геозлектрические модели Тихого окэана. II Всесовзное совещание рабочей группы ЗЛАС "Нормальные разрезы верхней мантии", тезисы докладов, Киев, 1987.

6. Ваньян Л.Л., Демидова Т.А., Пальиин H.A., Еамалэтдинов А.А, и Кукса В,И. Об интерпретации глубинных электрических зондирований северо-восточной части Балтийского щита. Физика Земли No 4, 1988, стр. 30-54.

7. Пальиин H.A. О математической модели донных ГМТЗ, Известия ВИЗов. Серия геология и разведка. No Б, 1988, стр. 138-140.

8. Пальиин H.A. Денные глубинные магнитотеллурические зондирования s северо-восточной части Тихого океана. Тихоокеанская геология No б, 1988, стр. 103-106.

9. Ваньян Л.Л., Окулесский Б,Д., Семенов В.И, и Палывин H.A. Океанская астеносфера вблизи Гавайских островов по результатам анализа магнитотеллурических данных. Тихоокеанская геология No 3, 1988, 14-17.

10. Kaikkonen, P., Uanyan, L.L., T.A.Demodova, Т.A.,

Yeyorcv, I.U. & Palshin, К.ft. Kuiserical modelling of deep dipole-dipole KHD-sounding. PEPI, 50, 1986, pp. 226-229.

11. Баньян Л.Л., Палышн К.А. Частичное плавление под северной частьи Тихоокеанской плиты по электромагнитный и геотермическим данным. Б сб.: Астеносфера по комплексу геофизических методов, Киев, Наукова дуака, 1988, стр. 157-181.

12. Ваньян Л.Л., Пальник Н.А. Искааения донных МТЗ в приб-резной зона. Физика Земли No 8, 1990, стр. 109-111.'

13. Uanyan, L.L., Palshin, N.A., Koldaev, D., Сох, С,, Constable, S. Anysotropy of the oceanic lithosphere. Abstracts, X Workshop on EK induction in ths Earth. Ensenada, Mexico, 1990.

14. Даиидсза Т.ft., Пальник Н.Й., Медведев Ф.А. Электропроводность коры Баренцева коря по данный МГД-зондирований. Физика Земли Но 4, 1930, стр. 47-53.

15. Uavnyan, L.L., Denidova, Т.А., Vegorov, I.U., Palshin, К.ft. and Kedvedev, F.ft. Interpretation of DC-Sounding data from the Barents Sea Shelf. PEPI, 69, lSSt, pp. 4-?.