Изучение литосферы на анголо-бразильском геотраверсе сейсмическими методами

Гылыжов, Руслан Муратович

Автореферат диссертации по теме "Изучение литосферы на анголо-бразильском геотраверсе сейсмическими методами"

На правах рукописи

Гылыжов Руслан Муратович

ИЗУЧЕНИЕ ЛИТОСФЕРЫ НА АНГОЛО-БРАЗИЛЬСКОМ ГЕОТРАВЕРСЕ СЕЙСМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: Доктор геолого-минералогических наук,

старший научный сотрудник Пийп Валентина Борисовна

Официальные оппоненты: Доктор геолого-минералогических наук,

старший научный сотрудник Дубинин Евгений Павлович

Доктор геолого-минералогических наук Углов Борис Дмитриевич

Ведущая организация: Геофизический Центр РАН

Защита диссертации состоится 19 апреля 2006 года в 14 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д 501.001.64 при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», Геологический факультет, аудитория 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геологического факультета МГУ (ГЗ МГУ, зона «А», 6-й этаж).

Автореферат разослан марта 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

^ -

Б. А. Никулин

¿РОСА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В 60-х годах прошлого века начались интенсивные исследования строения литосферы мирового океана. Наиболее информативными и точными методами исследования являются сейсмические методы. Основными проблемами при таких исследованиях можно назвать следующие: недостаточная глубинность методов отраженных волн и чрезмерно упрощенные модели разрезов, получаемые при исследованиях методами преломленных волн - глубинных сейсмических зондирований.

В настоящее время работы ГСЗ на длинных профилях выполнены практически на всех континентах и океанах, однако до настоящего времени эти работы преимущественно не обеспечивали достаточно полную систему годографов. В отличие от работ на континентах, исследования на океанах в большинстве случаев ограничивались получением одиночных годографов и обрабатывались в рамках однородно-слоистой модели. При такой обработке и интерпретации не удавалось достаточно достоверно проследить вариации скоростей, связанные с горизонтальной изменчивостью среды в пределах разнотипных структур в сложных районах. Таким образом, в районах со сложной структурой, в получаемый разрез не включались разломы и локальные неоднородности.

Новые данные об океанической литосфере дают полевые исследования методом ГСЗ на океанских геотраверсах, с использованием полных систем наблюдений с годографами большой длины, и при обработке данных на основе двухмерной модели среды. Переинтерпретация данных ГСЗ на Анголо-Бразильском геотраверсе с применением автоматической компьютерной обработки и интерпретации методом однородных функций позволила по-новому увидеть строение литосферы, различить многие детали еб строения, которые невозможно увидеть при интерпретации методом математического моделирования.

Актуальность проблемы

Строение океанической литосферы, а также природа временных и пространственных вариаций спредингового процесса, происходящего в ней, до сих

пор не достаточно изучены. В настоящее вре ^О^сИЛМИЛЯИШвнлдручных

БИБЛИОТЕКА I 1 С

ОЭ

коллективов сосредоточены на изучении современных процессов в зонах спрединга. По мере накопления данных в пределах срединно-океанических хребтов, осознаётся необходимость исследований также и вне осевых зон.

Комплексные геолого-геофизические исследования по океанским геотраверсам, на основе цифровой компиляции данных по сети наблюдений, позволяют изучить и охарактеризовать строение океанической литосферы.

Одним из фундаментальных океанских геотраверсов признается Анголо-Бразильский, расположенный в южной части Центральной Атлантики между 7° и 14° южной широты, в ключевом районе с точки зрения тектоники плит, а также в регионе который традиционно считается типовым для обстановки низкоскоростного спрединга. Поэтому переобработка и переинтерпретация данных ГСЗ на Анголо-Бразильском геотраверсе с использованием современных методов, основанных на применении моделей двухмерно-неоднородных сред, позволяющих определить более точное строение океанической литосферы, а также процессов происходящих в ней остается актуальной.

Цель работы

Построение двухмерной геолого-геофизической модели литосферы по Анголо-Бразильскому геотраверсу на основе современной компьютерной интерпретации данных сейсморазведки методом однородных функций.

Основные задачи исследования

1. Выбрать методику обработки годографов волн, исследовав различные способы интерполяции данных с целью наиболее полного выявления структурных особенностей разреза.

2. Выделить границы раздела, разломы, слои пониженных скоростей, аномальные скоростные зоны и произвести геологическую интерпретацию сейсмических разрезов с позиций тектоники плит.

3. Произвести сравнительный анализ между полученными геологическими интерпретациями и современными геологическими представлениями о строении литосферы океанов.

4. Обобщить новые данные о строении литосферы по геотраверсу.

5. Продемонстрировать сравнительную геофизическую и геологическую эффективность переинтерпретации данных ГСЗ прошлых лет методом однородных функций.

Научная новизна

Обнаружены неизвестные ранее особенности строения литосферы Атлантического океана на протяжении геотраверса: наличие двух-трёх криволинейных, неустойчивых по мощности слоёв состоящих из цепочек округлых вытянутых блоков. Эти слои отличаются относительно повышенной скоростью и повышенным градиентом скорости и находятся в среде с пониженной скоростью, видимо, относительно пластичной среде. Слои неравномерно погружаются от Срединно-Атлантического Хребта (САХ) в направлении континентов, образуя изгибы (литосферные складки) или нагромождения блоков.

Выявлены структуры литосферы, симметричные относительно САХ. На границе между флангами хребта и областью ровного акустического фундамента литосферные слои формируют весьма характерные зоны: в прослеживании среднего литосферного слоя образуются перерывы, а нижний литосферный слой погружается до глубины 75 км, образуя четко выраженную синклиналь, на бортах синклинали присутствуют поднятия высокоскоростных слоёв с выходом на поверхность дна и отражением в рельефе.

В зоне САХ на геотраверсе в подкоровой мантии выделены две области пониженной скорости, возможно, магматические камеры. В центральной части сейсмического разреза в районе САХ получена характерная клиновидная область астеносферы, поднимающаяся до глубины 15 км.

В районе африканской пассивной окраины литосферные слои испытывают скучивание и погружение до глубин около 70 км, а затем воздымаются и внедряются в континентальную кору Африки.

Показано, что зависимость скоростей в верхней мантии Ангольской котловины, от направления, обнаруженная авторами прежней интерпретации, может быть объяснена наличием мантийного диапира, совпадающего по простиранию с меридиональным профилем, а не анизотропией.

Разрезы в общих чертах согласуются с данными рельефа и гравиметрии и, в целом, не противоречат ранее полученным разрезам методом математического моделирования, а детализируют их.

Практическая ценность и личный вклад автора

Исследования - обработка, интерпретация и сравнительный анализ, геологическая интерпретация, выполнены автором лично, используя современные компьютерные технологии обработки и интерпретации данных методом однородных функций. Автором произведён значительный объём расчётов вариантов разрезов и выбраны наиболее оптимальные. Указанными исследованиями продемонстрирована чрезвычайно высокая геологическая эффективность использования метода однородных функций для переинтерпретации данных ГСЗ прошлых лет.

Приемы обработки и результаты интерпретации данных на Анголо-Бразильском геотраверсе помогут исследованию возможностей метода однородных функций при изучении геологических разрезов и его практическому использованию для интерпретации данных глубинных сейсмических зондирований в других регионах.

Защищаемые положения

1. Разрезы вдоль геотраверса, раскрывают неизвестные ранее особенности литосферы океана, где слои, представленные цепочкой округлых вытянутых высокоскоростных блоков, погружены в относительно низкоскоростное пластичное вещество мантии. Литосферные слои погружаются в направлении от оси САХ, образуя крупные изгибы - литосферные складки. Длина волны складок составляет 400-700 км, амплитуда достигает 20 км.

2. В осевой зоне САХ в районе трансформного разлома Габон на сейсмическом разрезе выделяется клиновидное поднятие астеносферы до глубины 15 км и две магматические подкоровые камеры размерами 20 х 5 км. На разрезах геотраверса в астеносфере скорость увеличивается с глубиной от значений 7.8-8.4 до 9.2 км/с, линии равных скоростей имеют наклон 2-6' в сторону от оси САХ. Такой наклон изолиний предположительно может совпадать с направлением течения вещества астеносферы.

3. Существуют следующие, симметричные относительно САХ структуры: на границе между флангами хребта и котловинами средний литосферный слой образует перерывы, а нижний литосферный слой погружается до глубины около 75 км, формируя чётко выраженную синклиналь, на бортах синклинали присутствуют поднятия высокоскоростных пород с выходом на поверхность дна и отражением в рельефе.

4. В зоне сочленения Ангольской котловины с континентальной корой Африки океанические литосферные слои сначала погружаются до глубины 70 км, а затем воздымаются и внедряются в относительно низкоскоростную континентальную литосферу Африки.

Фактический материал

В работе были использованы годографы первых вступлений ГСЗ по профилям АБГТ, приведенные в открытой публикации: «Глубинное сейсмическое зондирование литосферы на Анголо-Бразильском геотраверсе» под ред. Зверева С.М., Косминской И.П., Тулиной Ю.В., М., 1996. В качестве дополнительных материалов использовались карты гравитационных полей вдоль АБГТ, любезно предоставленные заведующим кафедрой гравиразведки геологического факультета МГУ Булычёвым A.A.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях: на Ломоносовских чтениях, Москва, 2004 и на ХХХУШ тектоническом совещании, Москва, 2005.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и выводов общим объёмом 158 страниц, включая 73 рисунка. Список литературы составляет 96 наименований, в том числе 29 на иностранных языках.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, ведущему научному сотруднику В.Б. Пийп за постоянное внимание и помощь при выполнении работы.

Автор искренне признателен сотрудникам кафедры сейсмометрии и геоакустики МГУ: доктору физико-математических наук, профессору, M.JI.

Владову, кандидатам геолого-минералогических наук A.B. Старовойтову, Е.А. Ефимовой и Н.В. Шалаевой; заведующему кафедрой гравиразведки кафедры геофизики МГУ доктору геолого-минералогических наук А.А Булычёву; а также коллективу ИФЗ Звереву С.М., Тулиной Ю.В. Павленковой Н.И. и Бурмину В.Ю. за консультации и ценные замечания.

Особую благодарность автор выражает Панкиной Маргарите Павловне за постоянную помощь и поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа начинается с введения, где раскрывается актуальность и значимость выбранной темы, обозначена цель и конкретизированы задачи, поставленные перед автором, представлена личная оценка практической ценности, основных научных результатов, научная новизна исследования, приведены объём и структура работы.

Глава 1. Современные представления о строении литосферы океанов.

Главу открывает обзор сведений о строении коры и мрнтии океанов, а также о состоянии вещества в этих геосферах, полученых в основном по сейсмическим наблюдениям, путем интерпретации годографов сейсмических волн и с учётом известных соотношений, которые связывают между собой градиенты плотности и значения скоростей распространения продольных и поперечных волн в среде. Описаны взгляды на механизм тектоники плит, которые коротко излагаются следующим образом (Лобковский, Никишин, Хаин, 2004):

1. Мантийная конвекция движет литосферные плиты - плиты движутся как айсберги вместе с движущимся веществом астеносферы.

2. Особенностью литосферных плит является их жесткость. Плиты движутся за счёт сил, создаваемых на границах плит: а) отталкивание от срединно-океанического хребта; б) гравитационное затягивание в зоны субдукции; в) силы коллизии плавучих континентальных масс; г) силы отталкивания от зоны континентального рифта. При этом предполагается, что подошва океанической литосферы плоская и наклонная в сторону от срединно-океанического хребта, и поэтому литосфера раздвигается, как «сани скатываются с горы».

Приведены примеры геологического строения некоторых отдельных трансформных разломов Атлантического океана по данным различных авторов (Мазарович, 2000, Коган и др., 2000, Разницин, 2004) . Современные геолого-геофизические исследования в зоне трансформных разломов свидетельствуют о гетерогенности и магматической и тектонической расслоенное™ и о чешуйчато-блоковом строении коры трансформных разломов. Ценные сведения о сейсмической гетерогенности и блоково-слоистом строении океанской коры Атлантики получены методом глубинного сейсмического профилирования -методом отраженных волн (Коган, 1986). Во втором и третьем слоях выделяются блоки земной коры, имеющие соответственно размеры 3,6-4 и 1,5-2 км. Проанализированы данные по геологическому строению, подводных окраин материков и переходных зон Атлантического океана (Ьеуёеп е1 а!., 1978; ЬопагсН, Е™еп& 1971; ИаЫшткг, 1976).

Приведены сведения о вулканно-магматической системе САХ и её структуре, а также взгляды некоторых исследователей на природу магматических очагов. Сорохтин О.Г. (Сорохтин, 1985) полагает, что формирование рифтовой долины на низкоспрединговых хребтах (к ним относятся САХ, Кольбейнсей, Мона, Книповича) определяется тем, что поступление магмы из астеносферы не успевает компенсировать пространство между расходящимися плитами. Сопровождая вращение блоков в сторону оси рифта, в опустошенную камеру обрушиваются нависающие края молодой земной коры. Блоки, опустившиеся в камеру, увеличивают давление на протрузию и вызывают усиленное поступление астеносферного вещества и формирование новых экструзивных зон. Причиной формирования ступенчатого рельефа рифтовых зон является периодическое повторение явлений обрушения и наполнения магматической камеры.

Л.П. Зоненшайн, М.И. Кузьмин, Ю.А. Богданов (Зоненшайн, Кузьмин, Богданов, 1985) предполагают, что проседание блоков во внутреннем рифте сменяется при спрединге их воздыманием за счет наращивания коры снизу при кристаллизации магмы в камере по «сталактитовому» способу и постепенным их всплыванием. Это происходит, когда «сталактит», состоящий из изотропного габбро, уходит в более плотный расплав.

Представлена эволюция взглядов на зависимость рельефа и глубин срединно-океанских хребтов от глубинных процессов подъема и кристаллизации магматических расплавов (Sempere, Macdonald, 1987, Силантьев, 1995, Cannat et al., 1997, Пущаровский, 2001, Пейве и др., 2003).

Проанализированы геофизические данные о наличии магматических камер под рифтовыми зонами. (Андерсон, Дзевонский, 1984; Кропоткин и др., 1987; Detrick et al., 1986; Langmuir, 1987).

Приведены сейсмические разрезы осевой зоны САХ (Fowler, 1976; Purdy, Detrick, 1986). Рассмотрены результаты сейсмических работ методом отраженных волн, проведенные в районах Срединно-Атлантического Хребта и в том числе на Анголо-Бразильском геотраверсе (Коган, 1986; Разницин, Пилипенко, 1997). Этими авторами отмечается, что существуют участки коры с отчетливо выраженным блоковым и чешуйчатым строением. Линейные размеры блоков и чешуй, разделённых взбросами и надвигами, наклоненными в сторону оси САХ, составляют в среднем 2-5 км. Одновременно авторы высказывают мнение о чрезвычайно упрощенной модели среды при интерпретации материалов ГСЗ, результаты которой дают некоторые количественные характеристики разрезов, но не позволяют видеть внутреннюю структуру слоёв. Сформулирован следующий вывод:

В связи со значительным успехом в развитии компьютерных технологий, совершенствованием методов интерпретации, прогресс в изучении строения литосферы океанов может быть связан с переинтерпретацией геофизических исследований прошлых лет, с помощью современных или новых компьютерных технологий и методов. Метод однородных функции обращения годографов первых волн ГСЗ является одним из таких методов. Применение этого метода и соответствующих ему компьютерных технологий для переобработки и переинтерпретации данных ГСЗ по Анголо-Бразильскому геотраверсу позволило получить существенно новые данные о строении литосферы в исследуемом регионе.

Глава 2. Новые возможности, которые дает метод однородных функций при исследовании глубинных разрезов.

В главе описывается метод однородных функций или метод простой инверсии, основанный на локальной аппроксимации реальных сред однородными функциями двух координат.

Выбор для сейсмической интерпретации модели среды с однородной функцией скорости определяется следующим. Доминирующим свойством геологических разрезов является подобие поверхностей раздела геологических слоев. Это видно на примере различного рода складок. Однородные скоростные функции обладают соответствующим свойством - изолинии скорости для таких функций подобны друг другу.

Метод однородных функций (Рпр, 2001), позволяет полностью автоматизировать обработку и интерпретацию данных инженерной сейсморазведки. Вместе с тем он позволяет интерпретировать самые сложные случаи в исследованиях: двухмерно-неоднородные среды со складками различного масштаба в регионах с горным рельефом, выделять и картировать оползни и карст (Оу1у]оу, Рпр, 2002). Метод не имеет ограничений по глубине исследования и позволяет обрабатывать и интерпретировать данные любых сейсмических исследований методом преломленных волн, в частности выделять форму различных границ, слоев, тектонических нарушений и неоднородностей в земной коре и мантии (Пийп, Гылыжов, 2005; Пийп, Гылыжов, Тинакин, 2004). Метод однородных функций обобщает все существующие методы традиционной интерпретации данных на случай двухмерно-неоднородных сред. В отличие от методов двухмерного моделирования и методов томографии, метод однородных функций не требует начальной модели. Решения, получаемые методом однородных функций, устойчивы. В главе приведены результаты численного моделирования (Рир, 2001), когда для ряда заданных моделей и рассчитанных по ним теоретическим годографам восстановлены методом однородных функций исходные разрезы. Расчеты показывают высокую точность и устойчивость метода.

Рассмотрены возможности компьютерной программы «Годограф».

В последнем параграфе главы рассмотрены ограничения, разрешающая способность и скоростные погрешности метода однородных функций.

Сформулированы следующие выводы к главе 2:

1. Метод однородных функций осуществляет простую автоматическую двухмерную инверсию годографов первых вступлений преломленных волн. Он не требует начальной модели, и предварительное распознавание и отождествление волн на годографах не используется.

2. Скоростные разрезы, вычисленные методом однородных функций, достаточно хорошо соответствуют наблюденным годографам.

3. Метод однородных функций может быть использован для обращения любой системы годографов преломленных волн, полученных как малоглубинными, так и глубинными сейсмическими методами.

4. Метод однородных функций позволяет отобразить на вычисляемых разрезах различные сложные геологические среды, включая границы слоев, разрывы, складчатые зоны и скоростные аномалии.

5. Ограничения метода связаны с ограниченным объемом наблюдений, которые можно обработать одновременно в программном пакете ГОДОГРАФ и также с тем, что метод разработан в настоящее время только для двухмерной среды.

Глава 3. Геофизические исследования на Анголо-Бразильском геотраверсе (АБГТ) в 1980-1986 гг.

В главе приводится описание комплекса геолого-геофизических исследований, проведенного в период 1980-1987 гг. на Анголо-Бразильском геотраверсе в Южной Атлантике. Участниками работ ГСЗ на Анголо-Бразильском геотраверсе помимо ИФЗ АН СССР, были Морская Арктическая геологоразведочная экспедиция НПО «Севморгеология» Мингео СССР, Вычислительный центр Сибирского отделения АН СССР, Институт геохимии и аналитической химии АН СССР, Военно-морской флот СССР (Мирчинк, Погребицкий, 1986).

Для проведения этого мероприятия было организовано четыре крупные морские экспедиции в Южную Атлантику, в которых участвовало одновременно два или три судна. Было произведено большое количество излучений пневмоисточниками, 104 постановки автономных донных сейсмических станций, 482 взрыва общей массой зарядов 235 тонн. Подготовкой и проведением морских экспедиций руководил С.М. Зверев (Зверев и др., 1996).

Описаны результаты интерпретации волнового поля и глубинного строения осевой зоны Срединно-Атлангаческого хребта, выполненные Павленковой H.A. и Павленковой Н.И. По мнению авторов, волновая картина в зоне САХ характеризуется крайней неустойчивостью, тем не менее, для всех станций характерен ряд общих черт волнового поля, они касаются числа регулярных волн и закономерностей изменения кажущихся скоростей первых волн, по мере удаления от источника.

Для построения сейсмического разреза авторы (Павленкова, Пшеник, 1983) использовали метод математического моделирования. Этот метод заключается в многократных расчетах годографов и лучей сейсмических волн для некоторых приближенных моделей и выборе на этой основе такой модели, которая наилучшим образом объясняет все особенности наблюдаемой волновой картины, и для которой расчетные времена пробега волн с некоторой заданной точностью совпадут с наблюдёнными годографами.

Для решения вопроса о природе высоких скоростей в Ангольской котловине был выполнен трехмерный эксперимент, для которого выбран наиболее спокойный участок котловины, через который проходил профиль ГСЗ 1980 г. и где уже были выполнены батиметрические, гравиметрические и магнитометрические исследования по программе АБГТ (Мирчинк, Погребицкий, 1986). Приведены результаты интерпретации указанного эксперимента.

Кратко излагаются результаты изучения строения литосферы по Анголо-Бразильскому геотраверсу по комплексу геофизических методов, с использованием информации о поле высот геоида в океанах по спутниковым альтиметрическим данным (Булычёв и др., 1995, 1997, 2001). Приводятся разрезы по профилям Анголо-Бразильского геотраверса, которые были получены методом сейсмогравиггационного моделирования В.И. Старостенко и A.C. Костюкевичем в 1994 г. На разрезах геотраверса авторами отмечается блоковая расчлененность слоев и наличие зоны инверсии.

Сформулирован следующий вывод:

Проведенную интерпретацию сейсмических данных, авторы работы «Глубинное сейсмическое зондирование литосферы на Анголо-Бразильском геотраверсе» (Зверев и др., 1996), признают незавершенной. Они считают, что

«объем однозначной информации, извлекаемой из материалов, будет возрастать по мере включения в арсенал приемов и средств, применяемых при интерпретации, все большего количества сейсмических критериев, а также по мере использования современных вычислительных возможностей». Результатам именно таких исследований по извлечению дополнительной информации из сейсмических материалов по Анголо-Бразильскому геотраверсу посвящена настоящая работа.

Глава Методика и результаты интерпретации данных по АБГТ методом однородных функций.

В первом параграфе главы обоснован выбор параметров обработки и интерпретации годографов волн на АБГТ методом однородных функций. Рассмотрены два варианта интерполяции в отношении источников. Для этого исследованы разрезы по профилю Бразильской котловины. Установлено, что оптимальным является вариант добавления двух - четырех интерполированных годографов в местах с наиболее редкой системой наблюдений.

Второй параграф главы посвящен изучению строения литосферы Бразильской котловины и холмогорья. Приводятся разрезы, полученные авторами из Института Физики Земли при обработке и интерпретации данных в 1990-х годах.

Для построения нового разреза использованы годографы, полученные в районе Бразильской котловины и Западного фланга САХ Шемелевой И.Б., Ярошевской Г.А., Кандауровой H.A., Павленковой H.A.

Разрез, вычисленный методом однородных функций, представляет собой фид-модель, когда скорости вычислены в узлах заданной прямоугольной сетки. Все полученные на Анголо-Бразильском геотраверсе разрезы представлены в двух видах: как скоростные разрезы в изолиниях скорости (рис.1) и в виде поверхностей с освещенным рельефом (рис. 2). При изображении скоростного поля как поверхности с освещенным рельефом хорошо выделяются все границы раздела и тектонические нарушения.

На вычисленном в районе Бразильской котловины и холмогорья разрезе (рис. 1) получено распределение скорости, и визуально определяется градиент скорости (по расстоянию между изолиниями скорости). На разрезе выделяются несколько слоёв, разделённых зонами пониженных скоростей, характерна

блоковая структура слоёв. Отдельные блоки с повышенными скоростями размером 20x150 км, окружены породами с пониженными значениями скоростей. Блоки имеют вытянутую по горизонтали, округлую форму. Такие блоки, по всей видимости, представлены относительно закристаллизованными породами, помещенными в относительно пластичные низкоскоростные породы. Предполагается, что природа возникновения этих блоков может быть связана с неравномерным распределением температуры в верхней мантии, в результате чего, . может происходить «намораживание» снизу пород верхней мантии. Изменение

1 напряжений может приводить к возникновению структур, обусловленных

I растаскиванием хрупкого пласта, заключенного между пластичными слоями, на

отдельные блоки и или линзы.

В верхней мантии выделяются два слоя, которые обозначены в работе как В2 (средний литосферный слой) и ВЗ (нижний литосферный слой). Слой В1 (подкоровый литосферный слой) на данном разрезе не прослежен, он прослеживается в районе Ангольской котловины. Скорость в этих слоях возрастает с глубиной от 8 до 8.6 км/сек в слое В2, и от 8.0 до 8.8 км/сек в ВЗ. Градиент скорости также повышен по сравнению с ОПС (область пониженных скоростей), он в среднем равен 0.04 с-1. Сверху и снизу эти слои окружены породами с меньшей скоростью, средняя скорость в которых составила 7.8-8.0 км/сек.

В области пикетов 400-1000 км наблюдается погружение слоя ВЗ до глубины 70 км, при этом, образуется крупный прогиб, ограниченный поднятиями. В центральной части структуры высокоскоростной слой В2 истончается и разбит на отдельные блоки. Аналогичная структура выделена в симметричной относительно САХ области сочленения Ангольской котловины с западным флангом хребта.

Подошва слоя ВЗ является кровлей астеносферы. При переходе из литосферы в астеносферу наблюдается понижение скорости от 8.8 км/сек до 8.0 км/сек. Градиент скорости в астеносфере понижен и составляет примерно 0.025 с"1. В целом выделенные слои В2 и ВЗ образуют крупные изгибы - (литосферные складки), с длиной волны около 700 км и амплитудой до 20 км.

В астеносфере наблюдается общий наклон (падение) изолиний скорости на запад 2-4' в сторону от оси САХ. Возможно, наклон изолиний совпадает с направлением течения вещества в астеносфере.

Рис. 1. Разрез в районе Бразильской котловины и холмогорья, полученный методом однородных функций. Изолинии скорости проведены через 0,2 км/с. Над разрезом приведён график кривых изменения плотности асгеносферы, плотности подкоровой литосферы, мощности литосферы, возраста и глубины дна, построенных для широты геотраверса.

Полученный автором разрез проверен решением прямой задачи. Наблюдённые и рассчитанные годо1рафы удовлетворительно совпадают, среднеквадратическое отклонение составляет менее 0.85 сек. Вычисленные лучи проникают на всю глубину разреза. Для решения прямой задачи использована программа Рц^ото (авторы Дитмар, Рослов). Приведено сопоставление разрезов: полученного автором и разреза, вычисленного методом математического моделирования 1996 г. Павленковой Н.И (Зверев и др., 1996). Эти разрезы, хотя

значительно различаются визуально, по своим средним характеристикам не противоречат друг другу.

При сравнении старых и новых разрезов по Бразильской котловине и холмогорью, отмечено, что авторы прежней интерпретации выделяли слои с пониженными скоростями, а при новой интерпретации были выделены слои с повышенными скоростями. Это связано с тем, что слои с повышенными скоростями и градиентами скорости, имеют рельеф, разбиты на блоки 1 определенной формы - округлые, выпуклые или вогнутые, и таким образом, они

хорошо выделяются на разрезе. А области или слои с пониженными скоростями -í это пластичные области литосферы, они обладают относительно аморфной

структурой, и как бы, являются вмещающей средой для слоёв с повышенной скоростью.

В третьем параграфе главы рассматриваются результаты переинтерпретации данных по профилю через Срединно-Атлантический хребет (Гылыжов, Пийп 2005).

Для построения разреза в зоне САХ использованы первые вступления годографов преломленных волн в том виде, в каком они были получены Павленковой Н.И. (Зверев и др., 1996).

На рис. 2 показан скоростной разрез через Срединно-Атлантический хребет, полученный методом однородных функций. На разрезе в виде поверхности с освещенным рельефом изображены также изолинии скорости с шагом 0,5 км/сек. - Полученный автоматически разрез литосферы по профилю в районе САХ хорошо

согласуется с обобщенными сведениями по разрезам рифтовой зоны и океанической коры.

Граница Мохо (пунктирная линия) расположена на глубине около 5 км от дна. Скорость в верхней мантии вблизи границы М изменяется от 7,4 до 8 км/с. В коре наблюдается более высокий градиент скорости, чем в верхней мантии. Литосферные слои В1, В2 с повышенными скоростями (8-8.5 км/с), представленные блоками округлого сечения (чешуями) размером около 50-100 км, поднимаются в восточном направлении от оси САХ. Слой ВЗ подстилается астеносферой, образующей клиновидное поднятие под пикетом 1650 км. Глубина кровли астеносферы постепенно увеличивается от 15 км на западе до 50 км на

востоке. Скорость на кровле астеносферы уменьшается скачком сверху вниз от 8,4-8,6 до 7,8 км/с. Астеносфера характеризуется пониженным положительным градиентом скорости. На разрезе выделены две магматические камеры.

расстояние, км

Рис. 2. Разрез в районе Срединно-Атлантического хребта, полученный методом однородных функций. Разрез представлен как поверхность с освещенным рельефом. Изолинии скорости проведены через 0,5 км/с. Треугольники показывают расположение станций. А, В1, В2, ВЗ - обозначения литосферных слоёв. Штриховыми овалами показаны магматические камеры. Границы раздела слоев изображены штриховыми линиями.

Полученный автором разрез (рис. 2) был проверен решением прямой задачи. Наблюденные годографы и годографы, полученные в результате решения прямой задачи, довольно хорошо совпали. Среднеквадратическое отклонение составило менее 0,3 с. Показано, что новый разрез по своим средним характеристикам не противоречит данным прежней интерпретации. Однако он значительно детальнее прежнего разреза и является более простым и ясным в геологическом смысле.

В четвертом параграфе главы обсуждаются результаты, полученные при обработке, интерпретации данных и построении разрезов Ангольской котловины и подножья Африки.

На разрезах (рис.3) хорошо выделяется граница между земной корой и верхней мантией по резкому уменьшению градиента скорости. Отчетливо видна блоковая структура слоёв в верхней мантии. Размер отдельных блоков составляет от 10-100 км. Выделяются блоки с относительно высокой скоростью по сравнению с окружающими породами. Эти блоки, по всей видимости, представлены более плотными породами, помещенными в более пластичные породы литосферы. В мантии блоки формируют три слоя, которые по мере продвижения к востоку начинают погружаться, достигая глубины 70 км. Скорость сейсмических волн в каждом слое возрастает сверху вниз.

100-Ц---1-1-1-1-1-1-1-1-,-1-1- Из

3300 3400 3500 3800 3700 3800 3900 4000 4100 4200 4300 4400

расстояния, км

Рис. 3. Скоростные разрезы по субширотному (внизу) и субмеридиональному (вверху) профилям в районе Ангольской котловины и подножья Африки в одинаковом масштабе, построенные методом однородных функций

На разрезе присутствует множество тектонических нарушений, (областей в которых происходит быстрое изменение свойств разреза). В зоне сочленения с континентальной корой (пикет 4100 км), выделяется структурный шов, где происходит изменение характера разреза, и по направлению к континенту

наблюдается погружение и нагромождение блоков всех литосферных слоев до глубины 70 км. Затем происходит подъем этих слоев, уменьшение их мощностей и внедрение отдельных блоков океанической литосферы в структуры континентальной коры. В верхней части разреза наблюдается также увеличение мощности осадков. Такие структуры характерны для пассивных континентальных окраин (Дубинин, Ушаков, 2001).

Слои с повышенной скоростью подстилаются астеносферой - областью с пониженными скоростями от 8 до 9-9.5 км/с, и пониженным градиентом скорости. В астеносфере отсутствуют четко выраженные границы раздела. Линии равных скоростей в астеносфере наклонены на запад в сторону от оси С АХ под углами 36'. Возможно, что такой наклон изолиний отвечает направлению течения вещества астеносферы.

На разрезе (рис.3) в районе пересечения с меридиональным профилем прослеживается четкий структурный шов или разлом. Здесь по данным аномального магнитного поля структуры океанической коры граничат с в континентальными. По разные стороны от указанного шва резко меняются свойства астеносферы, а в верхней мантии прослеживается мантийный диапир, внутри которого скорость уменьшается по сравнению с вмещающими блоками до 8.5 км/с. Размеры диапира увеличиваются с глубиной от 10 км на глубине 20 км до примерно 50 км на глубине 30 км. Диапир имеет сравнительно небольшие размеры, и потому точно определить скорость внутри мантийного диапира невозможно. Кроме того, известно, что скорость внутри волноводов не может быть определена однозначно, а диапир является областью с пониженной скоростью.

Разрез по субмеридиональному профилю в изолиниях скорости с шагом 0.2 км/сек представлен на этом же рис 3. Субмеридиональный профиль почти целиком лежит в зоне структурного шва, и находится внутри узкого в поперечном сечении и вытянутого в меридиональном направлении диапира на протяжении 500 км.

Построенные в точке пересечения субширотного и субмеридионального профилей вертикальные скоростные зависимости показывают, что скорость и ее градиент для профилей хорошо совпадают в области коры. В верхней мантии скорости по субширотному направлению значительно больше. Такой же результат получен авторами прежней интерпретации при рассмотрении скоростей

полученных по азимутальным наблюдениям и рассматривается ими как доказательство анизотропии в верхней мантии в районе Ангольской котловины. Так как полученный нами график показывает соотношение скоростей в одной и той же точке, по разным направлениям, то это как раз и характеризует анизотропию мантии. Однако, в диссертации сделан вывод, о невозможности однозначно подтвердить наличие или отсутствие анизотропии в районе Ангольской котловины, так как различие скоростей в зоне диапира может быть объяснено недостаточной точностью определения скорости внутри диапира по субширотному профилю.

Разрезы, вычисленные методом однородных функций, проверены решением прямой кинематической задачи сейсмики. Для расчетов лучей и времен пробега волн первых вступлений использована программа ИЯвТОМО (авторы Дитмар П.Г и Рослов В.Ю.) (Дитмар, Рослов, Чернышев, 1993). Среднеквадратическое отклонение наблюденных годографов от теоретических для субширотного профиля получено менее 0.4 сек. Среднеквадратическое отклонение для субмеридионального профиля составило 0.18 сек.

В пятом параграфе главы приведен разрез общего протяженного профиля по Ангольскому холмогорью, котловине и подножью Африки, а в шестом параграфе рассматривается сводный разрез по Анголо-Бразильскому геотраверсу. Сформулированы следующие выводы:

1. Произведена интерпретация годографов первых волн по Анголо-Бразильскому геотраверсу методом однородных функций.

2. На всех разрезах в верхней мантии получены два-три высокоскоростных (88.5 км/с) и высокоградиентных литосферных слоя, разделенных областями с пониженной скоростью (7.6 - 7.8 км/с). Все высокоскоростные слои разбиты на блоки округлой формы, размером от 20-50 до 100-150 км. Указанные слои погружены в относительно низкоскоростное вещество мантии. Они неравномерно погружаются от оси Срединно-Атлантического хребта по направлению к континентам, образуя крупные изгибы - литосферные складки. Длина волны складок составляет 400-700 км, амплитуда достигает 20 км. В астеносфере по геотраверсу выявлен наклон линий равных скоростей под углами 2-6" с падением в

сторону от САХ. Возможно, это связано с направлением течения вещества астеносферы.

3. В районе Ангольского шельфа на разрезе получены структуры, характеризующие сочленение океанской коры Ангольской котловины с континентальной корой Африканской плиты. Океанические литосферные слои в зоне сочленения сначала погружаются до глубины 70 км, а затем воздымаются и внедряются в относительно низкоскоростную континентальную литосферу.

4. В зоне сочленения флангов хребта с котловинами выделены симметричные структуры протяженностью около 600 км, характеризующиеся погружением нижнего литосферного слоя до глубины около 75 км, на 1фаях структур существуют симметричные поднятия высокоскоростных пород с выходом на поверхность дна.

5. В рифтовой зоне САХ на сейсмическом разрезе получено клиновидное поднятие астеносферы до глубины около 15 км, а также две подкоровые магматические камеры размером 20x5 км.

6. Разрезы хорошо согласуются с данными гравиметрии, рельефом дна и кривыми возраста пород.

7. Достоверность разрезов подтверждена расчетами теоретических годо1рафов и сейсмических лучей.

Заключение

Обработка и интерпретация данных ГСЗ методом однородных функций, а также, сравнение полученных разрезов с ранее полученными разрезами других методов, показали, что переинтерпретация данных методом однородных функций, хотя и подтвердила прежнюю интерпретацию, вместе с тем позволила получить более детальные и вместе с тем более простые и ясные в геологическом смысле разрезы литосферы Атлантического океана на Анголо-Бразильском геотраверсе, а также выделить ряд геологических структур и элементов, не обнаруженных ранее.

На разрезе в районе геотраверса в верхней мантии выделены три литосферных слоя: В1 (подкоровый литосферный слой), В2 (средний литосферный слой и ВЗ (нижний литосферный слой). Скорости распространения сейсмических волн в этих слоях повышены, в районе Бразильской котловины и холмогорья они составляют 7.8-8.6 км/сек в слое В2 и 8.0-8.8 км/сек в слое ВЗ. Слой В2 имеет

20

мощность 10-15 км и хорошо прослеживается в восточной и западной частях разреза. Слой ВЗ имеет мощность 20-25 км и хорошо прослеживается по всему разрезу. Сверху и снизу слои окружены вмещающими породами с меньшей скоростью, средняя скорость в которых составила 7.8-8.0 км/сек. Мощность литосферы в этом районе колеблется в пределах 50-75 км. На разрезе в районе Ангольской котловины в верхней мантии получены три высокоскоростных слоя, разделенных слоями с пониженной скоростью. Скорость сейсмических волн в каждом слое возрастает сверху вниз: в первом от 8 до 8.5 км/с, во втором и третьем от 8.5 до 9-9.5 км/с.

Слои образуют крупные изгибы - литосферные складки.

На профиле через осевую зону Срединно-Атлантического хребта выделены две магматические камеры размером 20x5 км, расположенные в верхней мантии в зоне трансформного разлома Габон. Камеры окружены серией разломов и зонами повышенных скоростей. Кровля астеносферы погружается к западу от трансформного разлома от 15 км до 60 км на расстоянии 200 км. Строение литосферы, полученное нами на профиле через Срединно-Атлантаческий хребет, имеет черты, характерные для разрезов через срединные океанические хребты в других районах Мирового океана.

В районе подножья Африки на разрезе получены структуры, характеризующие сочленение океанической литосферы Ангольской котловины с континентальной литосферой Африки. Высокоскоростные океанические литосферные слои сначала погружаются до значительной глубины, а затем внедряются в относительно низкоскоростную континентальную кору.

На разрезе в районе пересечения с меридиональным профилем прослеживается структурный шов или разлом, пересекающий верхнюю мантию и астеносферу под углом 15° и падающий в сторону континента. По разные стороны от указанного шва резко меняются свойства астеносферы, а в верхней мантии прослеживается мантийный диапир, внутри которого границы раздела не прослеживаются.

В целом на всех разрезах выявлено блоковое строение литосферы. Блоки имеют округлую вытянутую форму, размер блоков от 20-50 до 100-150 км. Достоверность разрезов подтверждается совпадением по своим средним

скоростным характеристиками с разрезами, построенными ранее, решением прямой кинематической задачи сейсмики, а также их непротиворечивой и ясной геологической интерпретацией и сопоставлением с другими данными, полученными различными геофизическими методами.

Выводы

1. На Анголо-Бразильском геотраверсе, в верхней мантии существуют два-три высокоскоростных (8-8.5 км/с) и высокоградиентных литосферных слоя, разделенных областями с пониженной скоростью (7.6 - 7.8 км/с). Все высокоскоростные слои разбиты на блоки округлой формы, размером от 20-50 до 100 км. Указанные слои погружены в относительно низкоскоростное вещество мантии. Они неравномерно погружаются от оси Срединно-Атлантического хребта по направлению к континентам, образуя крупные изгибы - литосферные складки. Длина волны складок составляет 400-700 км, амплитуда достигает 20 км. Таким образом, в районе геотраверса подошва океанических плит не является плоской.

2. В астеносфере выявлен наклон линий равных скоростей под углами 2-6' с падением (наклоном) в сторону от САХ. Возможно, это связано с направлением течений вещества астеносферы.

3. В районе Ангольского шельфа на разрезе получены структуры, характеризующие сочленение океанской литосферы Ангольской котловины с континентальной литосферой Африки. Океанические литосферные слои в зоне сочленения сначала погружаются до глубины 70 км а затем воздымаются и внедряются в относительно низкоскоростную континентальную литосферу.

4. В зоне сочленения флангов хребта с котловинами выделены симметричные структуры, характеризующиеся погружением нижнего литосферного слоя до глубины 75 км, на краях структур существуют симметричные поднятия высокоскоростных пород с выходом на поверхность дна.

5. В рифтовой зоне САХ на сейсмическом разрезе получено клиновидное поднятие астеносферы до глубины около 15 км, а также две подкоровые магматические камеры размером 20x5 км.

6. Разрезы хорошо согласз'ются с данными гравиметрии, рельефом дна и кривыми возраста пород.

7. Достоверность разрезов подтверждена расчетами теоретических годографов и сейсмических лучей.

8. Проведенная интерпретация демонстрирует высокую геофизическую и геологическую эффективность переинтерпретации данных глубинного сейсмического зондирования прошлых лет методом однородных функций.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Гылыжов P.M., Пийп В.Б. Строение литосферы Срединно-Атлантического хребта на Анголо-Бразильском геотраверсе по сейсмическим данным. Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2005. № 4. С.50-56.

2. Пийп В.Б., Гылыжов P.M., Тинакин А.П. Строение литосферы по Анголо-Бразильскому геотраверсу по сейсмическим данным Тезисы научной конференции ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ 2004 года, Секция ГЕОЛОГИЯ. Навстречу 250-летию Московского университета. Подсекция: Геофизика.

3. Пийп В.Б., Гылыжов P.M. Строение литосферы на Анголо-Бразильском геотраверсе по данным новой интерпретации материалов ГСЗ. Тектоника земной коры и мантии. Тектонические закономерности размещения полезных ископаемых. Материалы XXXVIII тектонического совещания. Том 2. Москва. ГЕОС 2005.с 89-91.

4. Gylyjov R.M., Piip V.B. Automatic processing and interpretation of engineering seismic data in mountain Caucasus area. EAGE 64th Conference & Exhibition -Florence, Italy, 27-30 May 2002, P048.

*

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж ¡.^Оэкз. Заказ № ¡1С

ft »

XO ОС ft

52 96

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Гылыжов, Руслан Муратович

Введение.

Актуальность проблемы.

Цель работы.

Основные задачи исследования.

Научная новизна.

Практическая ценность и личный вклад автора.

Защищаемые положения.

Фактический материал.

Благодарности.

Глава 1. Современные представления о строении литосферы океанов.

1.1 Введение.

1.2 Земная кора под океанами или океаническая кора. ф 1.3 Мантия Земли и механизмы тектоники плит.

1.4 Геолого-геофизическая изученность глубинного строения Атлантического океана.

• 1.4.1 Глубинное строение трансформпых разломов.

1.4.2 Геолого-геофизические разрезы, подводных окраин материков и переходных зон.

1.5 Геолого-геофизическая изученность строения литосферы Срединно-Атлантического Хребта.

1.5.1 Рельеф Срединно-Атлантического Хребта.

1.5.2 Примеры геологического строения САХ в зонах трансформных разломов ф 1.5.3 Вулкано-магматическая система САХ.

1.5.4 Геолого-геофизическая изученность магматических камер.

1.6 Выводы.

Глава 2. Новые возможности, которые даёт метод однородных функций при исследовании глубинных разрезов.

2.1 Свойства годографов и метод решения обратной задачи для среды, где скорость является однородной функцией.

2.2 Программа ГОДОГРАФ.

2.3 Численное моделирование.

2.4 Ограничения, разрешающая способность и скоростные погрешности метода однородных функций.

2.5 Выводы.

Глава 3. Геофизические исследования на Анголо-Бразильском геотраверсе (АБГТ) в 1980-1986 гг.

3.1 Методика сейсмических работ на АБГТ.

3.2 Волновое поле и глубинное строение осевой зоны Срединно-Атлантического хребта по результатам интерпретации Н.А Павленковой и Н.И Павленковой.

3.2.1 Характеристика волнового поля.

3.2.2 Построение сейсмического разреза.

3.3 Анизотропная модель верхней мантии Ангольской котловины.

3.4 Модели строения литосферы по АБГТ по данным о высотах геоида.

3.5 Сейсмогравитационное моделирование на Анголо-Бразильском геотраверсе.

3.6 Выводы.

Глава 4. Методика и результаты интерпретации данных по АБГТ методом однородных функций.

4.1 Параметры обработки и интерпретации годографов волн на АБГТ методом однородных функций.

4.1.1 Исследование различных способов интерполяции данных с целью наиболее полного выявления структурных особенностей разреза.

4.2 Строение литосферы Бразильской котловины и холмогорья.

4.2.1 Обработка и интерпретация данных в 1990-х годах авторами из Института Физики Земли.

4.2.2 Обработка и интерпретация методом однородных функций.

4.2.3 Сравнение разрезов, полученных методом однородных функций и методом математического моделирования.

4.3 Новые черты строения литосферы САХ.

4.3.1 Обработка и интерпретация данных в 80-х-90-х годах.

4.3.2 Обработка и переинтерпретация методом однородных функций.

4.3.3 Сравнение разрезов полученных методом однородных функций и методом математического моделирования.

4.4 Строение литосферы Ангольской котловины и подножья Африки.

4.4.1 Обработка, интерпретация данных, построение разрезов при прежней интерпретации данных.

4.4.2 Обработка и переинтерпретация методом однородных функций.

4.4.3 Субмеридиональный профиль.

4.4.4 Сравнение разрезов полученных методом однородных функций и методом математического моделирования.

4.5 Общий профиль по Ангольскому холмогорью, котловине и подножью Африки

4.5.1 Обработка и переинтерпретация методом однородных функций.

4.5.2 Сравнение разрезов полученных методом однородных функций и методом математического моделирования.

4.6 Сводный разрез по Анголо-Бразильскому геотраверсу.

4.7 Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Изучение литосферы на анголо-бразильском геотраверсе сейсмическими методами"

В 60-х годах прошлого века начались интенсивные исследования строения литосферы мирового океана. Наиболее информативными и точными методами исследования являются сейсмические методы. Основными проблемами при таких исследованиях можно назвать следующие: недостаточная глубинность методов отраженных волн и чрезмерно упрощенные модели разрезов, получаемые при исследованиях методами преломленных волн - глубинных сейсмических зондирований.

В настоящее время работы ГСЗ на длинных профилях выполнены практически на всех континентах и океанах, однако до настоящего времени эти работы преимущественно не обеспечивали достаточно полную систему годографов. В отличие от работ на континентах, исследования на океанах в большинстве случаев ограничивались получением одиночных годографов и обрабатывались в рамках однородно-слоистой модели. При такой обработке и интерпретации не удавалось достаточно достоверно проследить вариации скоростей, связанные с горизонтальной изменчивостью среды в пределах разнотипных структур в сложных районах. Таким образом, в районах со сложной структурой, в получаемый разрез не включались разломы и локальные неоднородности.

Новые данные об океанической литосфере дают полевые исследования методом ГСЗ на океанских геотраверсах, с использованием полных систем наблюдений с годографами большой длины, и при обработке данных на основе двухмерной модели среды. Переинтерпретация данных ГСЗ на Анголо-Бразильском геотраверсе с применением автоматической компьютерной обработки и интерпретации методом однородных функций позволила по-новому увидеть строение литосферы, различить многие детали её строения, которые невозможно увидеть при интерпретации методом математического моделирования.

Актуальность проблемы

Строение океанической литосферы, а также природа временных и пространственных вариаций спредингового процесса, происходящего в ней, до сих пор не достаточно изучены. В настоящее время, усилия многих научных коллективов сосредоточены на изучении современных процессов в зонах спрединга. По мере накопления данных в пределах срединно-океанических хребтов, осознаётся необходимость исследований также и вне осевых зон.

Комплексные геолого-геофизические исследования по океанским геотраверсам, на основе цифровой компиляции данных по сети наблюдений, позволяют изучить и охарактеризовать строение океанической литосферы.

Одним из фундаментальных океанских геотраверсов признается Анголо-Бразильский, расположенный в южной части Центральной Атлантики между 7° и 14° южной широты, в ключевом районе с точки зрения тектоники плит, а также в регионе который традиционно считается типовым для обстановки низкоскоростного спрединга. Поэтому переобработка и переиптерпретация данных ГСЗ на Анголо-Бразильском геотраверсе с использованием современных методов, основанных на применении моделей двухмерно-неоднородных сред, позволяющих определить более точное строение океанической литосферы, а также процессов происходящих в ней остается актуальной.

Цель работы

Построение двухмерной геолого-геофизической модели литосферы по Анголо-Бразильскому геотраверсу на основе современной компьютерной интерпретации данных сейсморазведки методом однородных функций.

Основные задачи исследования

1. Выбрать методику обработки годографов волн, исследовав различные способы интерполяции данных с целью наиболее полного выявления структурных особенностей разреза.

2. Выделить границы раздела, разломы, слои пониженных скоростей, аномальные скоростные зоны и произвести геологическую интерпретацию сейсмических разрезов с позиций тектоники плит.

3. Произвести сравнительный анализ между полученными геологическими интерпретациями и современными геологическими представлениями о строении литосферы океанов.

4. Обобщить новые данные о строении литосферы по геотраверсу.

5. Продемонстрировать сравнительную геофизическую и геологическую эффективность переинтерпретации данных ГСЗ прошлых лет методом однородных функций

Научная новизна

Обнаружены неизвестные ранее особенности строения литосферы Атлантического океана на протяжении геотраверса: наличие двух-трёх криволинейных, неустойчивых по мощности слоев состоящих из цепочек округлых вытянутых блоков. Эти слои отличаются относительно повышенной скоростью и повышенным градиентом скорости и находятся в среде с пониженной скоростью, видимо, относительно пластичной среде. Слои неравномерно погружаются от Средиппо-Антлантического Хребта в направлении континентов, образуя изгибы (литосферные складки) или нагромождения блоков.

Выявлены структуры литосферы, симметричные относительно САХ. На границе между флангами хребта в области ровного акустического фундамента литосферные слои формируют весьма характерные зоны: в прослеживании среднего литосферного слоя образуются перерывы, а нижний литосферный слой погружается до глубины 75 км, образуя четко выраженную синклиналь, па бортах синклинали присутствуют поднятия высокоскоростных слоев с выходом на поверхность дна и отражением в рельефе.

В зоне САХ на геотраверсе в подкоровой мантии выделены две области пониженной скорости, возможно, магматические камеры. В центральной части сейсмического разреза в районе САХ получена характерная клиновидная область астеносферы, поднимающаяся до глубины 15 км.

В районе африканской пассивной окраины литосферные слои испытывают скучиванье и погружение до глубин около 70 км, а затем воздымаются и внедряются в континентальную кору Африки.

Показано, что зависимость скоростей в верхней мантии Ангольской котловины, от направления, обнаруженная авторами прежней интерпретации, может быть объяснена наличием мантийного диапира, совпадающего по простиранию с меридиональным профилем, без привлечения анизотропии.

Разрезы в общих чертах согласуются с данными рельефа и гравиметрии и, в целом, не противоречат ранее полученным методом математического моделирования разрезам, а детализируют их.

Практическая ценность и личный вклад автора

Исследования - обработка, интерпретация и сравнительный анализ, геологическая интерпретация, выполнены автором лично, используя современные компьютерные технологии обработки и интерпретации данных методом однородных функций. Автором произведён значительный объём расчётов вариантов разрезов и выбраны наиболее оптимальные. Указанными исследованиями продемонстрирована чрезвычайно высокая геологическая эффективность использования метода однородных функций для переинтерпретации данных ГСЗ прошлых лет.

Приёмы обработки и результаты интерпретации данных на Анголо-Бразильском геотраверсе помогут исследованию возможностей метода однородных функций при изучении геологических разрезов и его практическому использованию для интерпретации данных глубинных сейсмических зондирований в других регионах.

Защищаемые положения

1. Разрезы вдоль геотраверса, раскрывают неизвестные ранее особенности литосферы океана, где слои, представленные цепочкой округлых вытянутых высокоскоростных блоков, погружены в относительно пизкоскоростпое пластичное вещество мантии. Литосферные слои погружаются в направлении от оси САХ, образуя крупные изгибы - литосферные складки. Длина волны складок составляет 400-700 км, амплитуда достигает 20 км.

2. В осевой зоне САХ в районе трансформного разлома Габон на сейсмическом разрезе выделяется клиновидное поднятие астеносферы до глубины 15 км и две магматические подкоровые камеры размерами 20 х 5 км. На разрезах геотраверса в астеносфере скорость увеличивается с глубиной от значений 7.8-8.4 до 9.2 км/с, линии равных скоростей имеют наклон 2-6° в сторону от оси САХ. Такой наклон изолиний предположительно может совпадать с направлением течения вещества астеносферы.

3. Существуют следующие, симметричные относительно САХ структуры: на границе между флангами хребта и котловинами средний литосферный слой образует перерывы, а нижний литосферный слой погружается до глубины около 75 км, формируя чётко выраженную синклиналь, на бортах синклинали присутствуют поднятия высокоскоростных пород с выходом на поверхность дна и отражением в рельефе.

4. В зоне сочленения Ангольской котловины с континентальной корой Африки океанические литосферные слои сначала погружаются до глубины 70 км, а затем воздымаются и внедряются в относительно низкоскоростную континентальную литосферу Африки.

Фактический материал

В работе были использованы годографы первых вступлений ГСЗ по профилям АБГТ, приведенные в открытой публикации: «Глубинное сейсмическое зондирование литосферы на Анголо-Бразильском геотраверсе» под ред. Зверева С.М., Косминской И.П., Тулиной Ю.В., М., 1996. В качестве дополнительных материалов использовались карты гравитационных полей вдоль АБГТ, любезно предоставленные заведующим кафедрой гравиразведки геологического факультета МГУ Булычёвым А.А.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, ведущему научному сотруднику В.Б. Пийп за постоянное внимание и помощь при выполнении работы.

Автор искренне признателен сотрудникам кафедры сейсмометрии и геоакустики МГУ: доктору физико-математических наук, профессору, M.JI. Владову, кандидатам геолого-минералогических паук А.В. Старовойтову, Е.А. Ефимовой и Н.В. Шалаевой; заведующему кафедрой гравиразведки кафедры геофизики МГУ доктору геолого-минералогических наук А.А Булычёву; а также коллективу ИФЗ Звереву С.М., Тулиной Ю.В. Павленковой Н.И. и Бурмину В.Ю. за консультации и ценные замечания.

Особую благодарность автор выражает Панкиной Маргарите Павловне за постоянную помощь и поддержку.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Гылыжов, Руслан Муратович

Выводы

1. На Анголо-Бразильском геотраверсе, в верхней мантии существуют два-три высокоскоростных (8-8.5 км/с) и высокоградиентных литосферных слоя, разделенных областями с пониженной скоростью (7.6 - 7.8 км/с). Все высокоскоростные слои разбиты на блоки округлой формы, размером от 20-50 до 100 км. Указанные слои погружены в относительно низкоскоростное вещество мантии. Они неравномерно погружаются от оси Срединно-Атлантического хребта по направлению к континентам, образуя крупные изгибы - литосферные складки. Длина волны складок составляет 400700 км, амплитуда достигает 20 км. Таким образом, в районе геотраверса подошва океанических плит не является плоской.

2. В астеносфере, кровля которой выявлена на глубинах от 15 до 75 км, получен наклон линий равных скоростей под углами 2-6" с падением (наклоном) в сторону от САХ. Возможно, это связано с направлением течений вещества астеносферы.

3. В районе Ангольского шельфа на разрезе получены структуры, характеризующие сочленение океанской литосферы Ангольской котловины с континентальной литосферой Африки. Океанические литосферные слои в зоне сочленения сначала погружаются до глубины 70 км а затем воздымаются и внедряются в относительно низкоскоростную континентальную литосферу.

4. В зоне сочленения флангов хребта с котловинами выделены симметричные структуры, характеризующиеся погружением нижнего литосферного слоя до глубины 75 км, на краях структур существуют симметричные поднятия высокоскоростных пород с выходом на поверхность дна.

5. В рифтовой зоне САХ на сейсмическом разрезе получено клиновидное поднятие астеносферы до глубины около 15 км, а также две подкоровые магматические камеры размером 20x5 км.

6. Разрезы хорошо согласуются с данными гравиметрии, рельефом дна и кривыми возраста пород.

7. Достоверность разрезов подтверждена расчетами теоретических годографов и сейсмических лучей.

8. Проведенная интерпретация демонстрирует высокую геофизическую и геологическую эффективность переинтерпретации данных глубинного сейсмического зондирования прошлых лет методом однородных функций.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7,

8,

9,

10

11,

12,

13,

Заключение

Обработка и иитерпретация данных ГСЗ методом однородных функций, а также, сравнение полученных разрезов с ранее полученными разрезами других методов, показали, что переинтерпретация данных методом однородных функций, хотя и подтвердила прежнюю интерпретацию, вместе с тем позволила получить более детальные и вместе с тем более простые и ясные в геологическом смысле разрезы литосферы Атлантического океана на Анголо-Бразильском геотраверсе, а также выделить ряд геологических структур и элементов, не обнаруженных ранее.

В целом, сравнивая старые и новые разрезы по Бразильской котловине и холмогорыо, нужно отметить, что авторы прежней интерпретации выделяли слои с пониженными скоростями, а при новой интерпретации были выделены слои с повышенными скоростями. Это связано с тем, что слои с повышенными скоростями и градиентами скорости, имеют рельеф, разбиты на блоки определенной формы -округлые, выпуклые или вогнутые, и таким образом, они хорошо выделяются на разрезе. А области или слои с пониженными скоростями - это пластичные области литосферы, они обладают относительно аморфной структурой, и как бы, являются вмещающей средой для слоев с повышенной скоростью

На разрезе в районе геотраверса в верхней мантии выделены три литосферных слоя: В1 (подкоровый литосферный слой), В2 (средний литосферный слой и ВЗ (нижний литосферный слой). Скорости распространения сейсмических волн в этих слоях в районе Бразильской котловины и холмогорья составляют 7.8-8.6 км/сек в слое В2 и 8.0-8.8 км/сек в слое ВЗ. Слой В2 имеет мощность 10-15 км и хорошо прослеживается в восточной и западной частях разреза. Слой ВЗ имеет мощность 20-25 км и хорошо прослеживается по всему разрезу. Сверху и снизу слои окружены вмещающими породами с меньшей скоростью, средняя скорость в которых составила 7.8-8.0 км/сек. Мощность литосферы в этом районе колеблется в пределах 50-75 км. На разрезе в районе Ангольской котловины в верхней мантии получены три высокоскоростных слоя, разделенных слоями с пониженной скоростью. Скорость сейсмических волн в каждом слое возрастает сверху вниз: в первом от 8 до 8.5 км/с, во втором и третьем от 8.5 до 9-9.5 км/с.

Слои образуют крупные изгибы - литосферные складки.

На профиле через осевую зону Срединно-Атлантического хребта выделены две магматические камеры размером 20x5 км, расположенные в верхней мантии в зоне трансформного разлома Габон. Камеры окружены серией разломов и зонами

148 повышенных скоростей. Кровля астеносферы погружается к западу от трансформного разлома от 15 км до 60 км на расстоянии 200 км. Строение литосферы, полученное нами на профиле через Средиппо-Атлантический хребет, имеет черты, характерные для разрезов через срединные океанические хребты в других районах Мирового океана.

В районе подножья Африки на разрезе получены структуры, характеризующие сочленение океанической литосферы Ангольской котловины с континентальной литосферой Африки. Высокоскоростные океанические литосферные слои сначала погружаются до значительной глубины, а затем внедряются в относительно низкоскоростную континентальную кору. Разрез Ангольской котловины в целом характеризуется повышенными скоростями. Этот факт согласуется с исследованиями проведенными раньше

На разрезе в районе пересечения с меридиональным профилем прослеживается структурный шов или разлом, пересекающий верхнюю мантию и астеносферу под углом 15° и падающий в сторону континента. По разные стороны от указанного шва резко меняются свойства астеносферы, а в верхней мантии прослеживается мантийный диапир.

В целом на всех разрезах выявлено блоковое строение слоев литосферы. Блоки имеют округлую вытянутую форму, размер блоков от 20-50 до 100-150 км. Достоверность разрезов подтверждается совпадением по своим средним скоростным характеристиками с разрезами, построенными ранее, решением прямой кинематической задачи сейсмики, а также их непротиворечивой и ясной геологической интерпретацией и сопоставлением с другими данными, полученными различными геофизическими методами.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Гылыжов, Руслан Муратович, Москва

1. Автономная дониая сейсмическая аппаратура. Ред. Зверев С.М. М.: ИФЗ АН СССР, 1988. Деп. рукопись. ВИНИТИ № 6857/ В 88, 174 с.

2. Андерсон Дон JL, Дзевонский A.M. Сейсмическая томография // В мире науки. 1984. №2. С.16-25.

3. Атлас океанов. Атлантический и Индийский океаны. М.: ГУНИО МО СССР, 1977. 260 с.

4. Булычёв А.А., Гайнанов А.Г., Гилод Д.А. и др. Методика редуцирования спутниковых альтиметрических данных // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1995. № 5. С.64-70.

5. Булычёв А.А., Гайнанов А.Г., Гилод Д.А, Мазо Е.А. Гравитационные исследования литосферы Южной Атлантики. Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1997. № 2. С.38-50.

6. Булычёв А.А., Гилод Д.А., Кривошея К.В. Построение трехмерной плотностной модели литосферы океанов по полю высот геоида // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геология. 2001 № 6. С. 38-45.

7. Бурмин В.Ю. Численное решение обратной одномерной кинематической задачи сейсмики по годографу рефрагированных волн // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1986. № 12. С. 28-35.

8. Ганжа 0.10. Решение обратной кинематической задачи сейсморазведки методом оптимизации //Применение численных методов в исследовании литосферы. Новосибирск; Наука, 1982. С. 66 74.

9. Дитмар П.Г., Рослов Ю.В., Чернышев М.Ю. Пакет программ для интерпретации времен пробега сейсмических волн методом сейсмотографии., Изд-во ЛГУ, СПб., 1993.