Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика грави-сейсмического моделирования и строение литосферы Кавказа вдоль IX геотраверса

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Методика грави-сейсмического моделирования и строение литосферы Кавказа вдоль IX геотраверса"

АКАДЕМИЯ НАУК ГРУЗИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ

На правах рукописи

ГВАНЦЕЛАДЗЕ ТАМАЗ АКАКИЕВИЧ

УДК 550.831

МЕТОДИКА ГРАВИ-СЕЙСМИЧБСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И СТРОЕНИЕ ЛГГОСФЕга КАВКАЗА ВДОЛЬ IX ГЕОГРАВЕРСА.

Специальность 04.00.2г - геофизика

АВТОРЕФЕРАТ ~ диссертации иа соискание ученой степени кандздата физйко-ыатеыатических наук

Тбилиси - 1990

Работа выполнена в Институте геофизики АН ГССР.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

К.М.Картвелишвили.

Официальные оппонента» доктор физико-математических наук

В.И.Аронов

кандидат физико-математических наук В.Г.Абашвдзе

- ' У

Ведущая организация: Тбилисский Государственный университет

■ им.И.Джавахишвили.

Защита состоится 1" декабря 1990 г. в ?0 часов на заседании Специализированного совета К 007.14.01 в Институте геофизики АН ГССР по адресу: 380093, Тбилиси, ул.Зои Рухадзе, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геофизики АН ГССР.

Автореферат разослан <-/" ноября 1990 г. • -

Ученый секретарь специализированного совета, .

кандидат физико-математи- и / шрЛ

ческих наук Г/ У» / 7 В.И.ШРШШШЗИЛй

Общая характеристика работа.

Актуальность темы. На данном этапе развития геофизических ме-■одов поиска и разведки полезных ископаомшс возникает необходимость ;аучения строения все более глубинных недр Земли. Это позволяет юлучить сведения не только о строении земной коры и верхней мании /литосферы/, но и выявить общие закономерности как глубинного ¡«роения изучаемого региона,так и размещения полезных ископаемых.

В комплексе геофизических методов важное место занимает ?ра-1иметрия, широко используемая при изучении строения литосферы и раз-¡едки полезных ископаемых. ,

Если методические вопросы отдельных построений в гравиразвед-;е разработаны с теоретической и. практической точек зрения довольно (етально, то, ввиду своей специфики, метода построения комплексной шотностной модели литосферы больших регионов требуют как совер-¡енствования, так и разработки новых эффективных методов количест-юнной интерпретации гравиметрических данных.

Целью настоящей работы ярляется разработка эффективных алго-(итмов решения пршой й обратной задач гравиметрии для построения шотностной модели литосферы Кавказа и ее практическая реализация.

Основной метод исследований - оделенный эксперимент на £Ш.

Научная новизна;

- обоснована целесообразность построения комплексной плотное-«ой модели литосферы больших регионов на основе планетарной плот-юстной модели Нормальной Земли /ШЗ-К/;

- создана информационная система - прикладными программами

[ инструкциями, обеспечивающая обработку, интерпретацию и хранение (анных гравиметрии на. ШМ;

- разработан комбинированный метод построения плотностной модели литосферы, характеризуют, :йся высокопроизводительностью и точностью}

- предложен алгоритм решения региональной г.шейной обратной задачи гравиметрии методом укрупнения периферийных призм;

- построена грави-сейсмическая модель литосферы Кавказа вдоль IX геотраверса,

Практическая ценность заключается в разработке принципиально новых подходов решения задач количественной интерпретации гравиметрических данных и в создании алгоритмов и программ, обеспечивающих возможность автоматизации процессов построения плотностной модели литосфер! на основе планетарной плотностной Модели Земли. Программы для построения плотностной модели используются в единой информационной системе грави-сейсмических данных. В процессе исследования эффективности разработанных алгоритмов и прикладных программ применение нашли метода модельные исследований и вычислительный эксперимент.

Общие принципы анализа и предложенные методические приемы могут быть использованы в практике гравитационного моделирования для изучения строения литосферы различных регионов.

Апробация работа. Результаты диссертационной работы доклада-рались и обсуждались на семинарах Института геофизики АН ТССР; на П, Ш и 1У Всесоюзных школах-семинарах "Теория и практика интерпретации гравитационных и магнитных аномалий" /Тбилиси, 1976; Ялта, 13Я0; Киев, 198«:/, на республиканской конференции "Проблемы наук о Земле" /Тбилиси, 1978/.

¿{убликации. Основные результаты диссертации представлены е 6 печатных работах и 2 депонированных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на Ш страницах машинописного текста и содержит 22 рисуннов и 21 таблиц. Список литератур« включает 100 наименований. Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук К.М.Кэптвелгшшили за постоянное внимание и помощь в выполнении настоящего исследования.

РАШИ •

В введении дается краткое описание современного состояния проблемы, к которой относится диссертационная работа, обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая ценность порученных результатов. Обсуждаются основные положения диссертации.

В первоЛ главе рассмотрены особенности и дано обоснование построения грави-сейсмической модели строения земной горы и верхней мантии Земли /литосферы/ на основе планетарной плотностной модели Земли. При этом под грави-сейсмической моделью понимается такая шгат-ностная модель, построенная в комплексе гравиметрических и сейсмометрических данных, гравитационшй эффект которой совпадает с наблюденным полем аномалий силы тмкести.

При построении плотностной модели региона возникает пробле!/а -относительно какой "нормы" /у сдельных авторов разная терминология -"нормальные колонки", "функции приведения", "модели приведения" и др./ следует образовывать аномальные /избыточные/ массы, а затем вести счет сос ветствующсгравитационного эффекта, который, в окончательном счете, сравнивается с наблюденным полем.

Наиболее простым /физически мало обоснованным/ и распрс храненным следует в качестве "нормы" признать выбор двух подходов, с водящих г л к тому, что в хорошо изученном регионе проводится вычисление гравитационного &$$екта земной кори и все дальнейший расчеты ведутся относительно этой "нормы", или жег все расчеты ведутся относительно верхней мантии. В конечном счете оба подхода сводятся к тому, что в качестве "нормы" принимаются т.н. "стандартные колонки" земной кори и верхне* мантии для океанов и материков. В работе дан анализ параметров "стандартных колонов" разных авторов, предложенное в разное вре-от и 1ютазашо> ад» привязка результатов интерпретации к какой-либо "стандартной хюкишв"'» не приведенной к Нормальной модели' Земли, может служить пргчизгой неверных геологических вывопов.

Исходя из того положения» основой гравиметрических построений является аномалия силы чшжесав представляющая собой разность между наблюденной к пораальгой'/тшоретичестой/ силами тяжестч, возникает необходимость обосновал®? фивичеввой сущности нормальных формул силы тяжести.

Исследованиями М.'А.Алексидзе и ЙГ.К^Картведишвшш показано, что требования геофизики и геодезии к нормальным* формулам силы тяжести, по существу, являются принципиально различными:: геофизика нуждается в том, чтобы нормальной формуле отвечало некоторое содержательное распределение масс, геодезия ае в етом не нудцается. Исходя из этих требований, К.М.Картвелишвяли в конце 70-х годов для практических целей в качестве "нормы"' предложил планетарную плотностную модель Нормальной Земли с континентальным типом коры /Ш3-К/, которая построена путем модифицирования сферически-симметричной плотноетной модели из сории РЕМ , предложенной в 1975 году Дзивонскии, Хейлзом и Лэпвудом.

. - v -

В модели ПМЗ-К земная кора представлена двумя слоями: верхняя

о

земная кора мотносты> НО юл и плотностью г/см и нижняя зешал корд мощностью 15 им и плотностью 2.9'¿ vía?. Нине земной коры идет верхняя мантия, представленная тремя слоями с градиентной плотностью. Далее, вплоть до центра модели, имеет место нарастание плотности с глубиной.

Пссле публикации монографии К.М.Картвелишвили "Планетарная плотностная модель и нормальное гравитационное поле Земли" появилась серия публикаций, в которых делается попытка усовершенствования методики количественной интерпретации данных гравитационного поля на основе "видоизменения" ПМЗ-К. Отмечая оригинальность, принципиальность и конструктивность разработок ПМЗ-К ряд исследователей указывает, что "на практика полная и строгая реализагшя итого подхода по разным причинам затруднена". Однако, следует подчерк, у ti,, что физического обоснования замечания - "по разным причинам затруднена" ни в одной из работ в явной форме не дается.

Из всех предложений последнего времени, касавшихся проблемы построения наиболее достоверной планетарной плотностной модели Нормальной Земли следует подчеркнуть теорию и идею М.А.Алексидзо построения т.н. смешанной модели Земли на основе согласования сферически-симметричных плотности« моделей ШЗ-К и ПМЗ-0. Однако, настоящая идея практически еще не реализована. ,

Детальный анализ вопроса выбора "нормы" для региональной количественной интерпретации гравиметрических данных приводит к выводу, что на данном этапе наиболее обоснованным в качестве планетарной плотностной модели Нормальной Земли следует принять модель ШЗ-К.

Одним из основных направлений построения плотностной модели лию! Ъвгм является1 моделирование, ускшаг ивающеч пряыу» <*ункцко-

налььую связь между строением геологической среды и гравитационным полем. При этом отмеченная связь реализуется в рамках метода подбора путем расчета гравитационного эсЕфекта от модели изучаемой среды. Исходя из того, что при построении плотностной модели литосферы плотностше границы раздела слоев коры и мантии имеют более или менее пологую форму, в качестве аппроксимирующих тел в работе лринима ется прямоугольная призма /параллелепипед/. На первой ле стадии моделирования следует решить вопрос относительно методики расчета пря мого гравитационного эффекта от многослойной среды, а, именно, гравитационный аффект следует расчитывать с абсолютной или избыточной плотностью. Решение этого вопроса зависит от задаваемой исходной информации модели первого приближения и параметров ПМЗ-К.

Исходной информацией модели многослойной среды является /на основе данных различных геолого-геофизических предпосылок/: Нь глубины залегания подошв плотноствдх границ раздела слоев и соответ ствующие им плотности ^ , а также, в случае их наличия, средние пластовые скорости VI , которые на основе корреляционных зависимостей ме<.ду плотностью и скоростью пересчлтывготся в ^ . '

За параметры ПМЗ-К принимаются глубины залегания Н<. нормаль г :а уровней первых трех зон модели ПМЗ-К и соответствующие втим зонам ПЛОТНОСТИ €Г. .

Имея эти исходные данные,следует организовать вычислительный процесс гравитационного эффекта многослойной плотностной модели сре ды, который можно проводит; "в двух вариантах. Первый, называемый "Кол*нка" расчитывается с абсолютной плотностью, а второй - "Аномалия" с избыточно!, птностыо. Касаюсь вопроса предпочтен'« того или иного варианта, следует исходить из возможности эффективного опредв' лония гравитации,кого эффекта раздельно от отдельных структурных

/олооп/ и отделыяис г-'-'рух-ур, последующе»--, анализа и |ия на суммарное поло. На примере многослойной физический модели, )лизкой к реальной среде, показано, что для целей построения плот-юстной модели литосферы предпочтение следует отдан, варианту "Ано-«алия",

При построении плотностиой модели литосфера на осгопе ЙЛЗ-К зозникает необходимость строгой классификации составля чих наблюденного поля Д С| , ибо дидДерен-'иация наблюденной кривой Л ^ эчень наглядна, и позволяет судить о характере распределения аномаль-шх масс, в каядом из отдельных слоев^ зешой коры и мантии. Подобно аномалии силы тяжести, представляющей собой разность между наблюденным и нормальным значениями силы тяжести, за аномальное строение зешой коры и мантии принимается любое отклонение реального плотпостного строения изучаемого региона от плотностной модели

шз-к.

Дальненшшл этапом процесса моделирования /по варианту "Аномалия"/ является создание структуры и алгоритма образования аномальных масс на основе исходного материала /Н^.^.^с, 2(,1бь/\ заданных в узлах квадратной сетки и хранящихся в базе дань-сс.

Для этого регион исследования разбивается на вертикальнее колонки /призмы/ с основанием дЬх = лЬу и мощностью 1-! . В реальны>: условиях з каждой колонке может присуствовать определенное количество реальных слоев, плотностные различия которых от параметров ПМЗ-К образуют аномальные массы, соэцаягие наблндсга;ую ячомали» дg . В зависимости гт расположения реальных слоев относительно нормальных уровней 2 I, 2 2 11 2 з в кэтдоР колонке образуются аномальные подслойки в $орме прямоугольных призм с основаниями дЬх- дЬу и высотами, величины которых зависят от взаимного расположения верхней и нижней кромок относительно нормальных уровней.

Слой - это среда, заключенная между двумя смежными отличными от нуля глубинами /Н1 г Н^ /. За верхнюю кромку слоя берется Н1-1 ф О , за нижнюю - НсфС. За порядковый номер слоя принимается номер нижней кромки слоя. Таким образом, выделение слоя означает определение номера слоя / С /и его верхней и нижней кромок. Затем путем сравнения и Не с параметрами ПМЗ-К

/ 2.1, 2 г , И з / происходит деление слоя на подслойки, с аномальными плотностями / ^¿-(э -,, /•

В работе приводится алгоритм образования аномальных подслоек на примере произвольного I -го слоя. При этом, если I -ый слой попадает в интервал одного ^ -го нормального уровня, то слой не подразделяется на подслойки и сам является аномальным с избыточной плотностью 9(.~ б1/пря условии Предлагаемый алгоритм

образования аномальных масс практически реализован при построении грави-сейсиической модели литосферы Кавказского региона и работает в автоматизированном режиме с информационной системой грави-сейсми-чесних данных Кавказа - ГРАНШ*.

ГРАВ1САВ - программное сЗесмчение обработки, ннтерпр тации и хранения данных гравиметрии на ЭВМ. В ней описываются структуры Слж данных и прикладные программы, даны инструкции пользования ими. Создание ГРАВ!(АВа продгктовано необходимостью перехода от разрозненных комплексов программ обработки и интепретацш! данных гравчмет-рич к унифицированной автоматизированной системе, имеющей современное единое программно совместимое информационное обеспечение в виде банка данных.

Программы, входящие в ГРАЕКАВ, разделяются на обрабатывающие и интеггретациоише, образующие две подси-теш и использующие две с::еш данных. Естественно, что ш$>ор*ацзш, полученная в результат« прогр~чн обработки, в большинстве случаев является входной инфорыа-

цией для програш интерпретации. В интерпретационной части кроме данных, являющихся исход1шми и результативными, хранится также дополнительная информация.

В ГРАВКАВ включены следущие прикладные программы: PACT - вычисление гравитационного аффекта набора слоев с переменной латеральной плотностью; УПП - решение региональной линейной обратной задачи методом укрупнения периферийных призм; SL 01 - образование аномальных масс /подслоек/ набора слоев с переменной латеральной плотностью. Прикладные программы ГРАВКАВа написаны на алгоритмическом языке Р L /I •

Схема FE3 - служит для хранения и переработки информации на различных этапах обработки грави-сейсмических материалов, включая вычисление аномалий силы тяжести, вычисление физических параметров призмы, вычисление аномальных плотностей отдельных призм, вычисление плотности слоя по зависимости (Э = j ^v) и т.

Схема SET - предназначена для хранения и перемещения информации в процессе геологической интерпретации гравиметрических данных.

Информация, содержащаяся в базе данных системы ГРАВКАВ составляет 330000 значений. Каждому массиву присвоено свое имя, организованное в виде файлов прямого доступа.

Касаясь общих принципов моделирования методом подбора ап-проксимационным подходом В.Н.Страхов указывает на необходимость нахождения средств одновременного преодоления трех трудностей

а/ достижения высокой степени простош и наглядности используемого аппроксимацнонного процесса;

б/ достижения высокой точности вычисления элементов внешних

полей;

- тг -

в/ достижения довольно высокой производительности труда. Вопрос простоты и наглядности аппроксимационного процесса в работе находит свое положительное решение, если в качестве аппроксимирующих тел использовать прямоугольные призмы. Последние две трудности могут быть преодолены путем разработки эффективных приемов вычисления гравитационного эффекта, отличающихся быстродействием вычислительного процесса. Последние, в свою очередь, связаны с решением ряда методических вопросов, наиболее существенными из которых следующие:

а/ установление величины интервала учета аномальных масс, вне которого неучтеннс^ влияние аномальных масс не будет превосходить наперед заданной величины 6;

б/ установление величины зоны вокург точки вычисления, вне которой сложные аппроксимирующие тела могут быть заменены наименее простыми /сфера, материальная линия и др./, при условии сохранения необходимой точности щ числения аффекта А ^ . Вводятся вспомогательные понятия;

а/ исходная зона /ИЗ/ - область всего изучаемого региона; б/ зона гравитационной модели /ЗМ/ - область, в кавдой точке которой гравитационный эффект вычисляется с точностью 6 ;

в/ результативная зона /РЬ/ • область вокруг точки вычисления, в которой .грвитационный эффект вычисляется с точностью 6* . В свою рче^ одь _РЗ подразделяется на центральную /ЦЗ/ и дальнюю /ДЗ/ зоны,

Несомненно-, что если КЗ будет представлять собой квадрат со стороной £ , то ЗМ по периметру будет отстоять от границы ИЗ на. расстоянии С, т.е, ЗМ всегда бупет меньше ИЗ.

Установлено, «то среднеквадратическая погрешность вычисления аноиади». сшш тдаосу» гля Кавказок го региона £г лГал. Учи-

. - 13 -

мвая и другие погрешности"-задакия необходимых исходных данных ста-¡овится ясным, что при моделировании размер результативной зоны должен быть' установлен с таким расчетом, чтобы £ ~ - 7-10 мГал,

Величина КЗ для каждого конкретного региона, и в частности ухя Кавказа, должна устанавливаться на основе численных экспериментов. С етой целью выбраны три характерные точки, лежащие на прямой зубширотного направления. Причем две крайние точки /1,П/ располо-шны на берегу Черного и Каспийского морей, а третья . .ежду ними. Зчет гравитационного эффекта по формуле призмы ведется от всех ан*>-гальных призм /подслоек/, составляющих ИЗ. Общее число призм 250000, i счет ведется по зонам. Квадрат /10 х 10 км/, -в центре которого тходится точка вычисления, < принимается за нулевую зону, следующая ja нулевой зоной, первая зона, включает в себе 8 кг дратов, вторая юна - 16 квадратов и т.д. Общее число зон - 341. На печать вызолились значения гравитационных эффектов, соответствующие выделении слоям по всем i -ым зонам как в отдельности, так и сушаршй эффект. Анализ результатов вычислений, представленных в „идо таблиц i графиков показывает, что основная доля в суммарном эффекте Ag триходится на нулевую зону первого слоя. Затем, начиная с первой зоны, эффект первого слоя быстро падает, а эффекты второго, третьего и четвертого слоев сначала незначительно увеличиваются, а затем вдают. Начиная с тридцатой зоны остаточный эффект /разность между суммарным эффектом первых тридцати зон и эффектом всей исходной шомаяьной зоны/ ни в одном случае не превосходит - 10 мГал.

На основе результатов исследования установлено, «то в качест-зе результативной зоны для Кавказского региона следует принять квадрат со стороной 600 км. При условии, что в каждой колонке при-:уствует 5 подслоек, общее число аномальных призм, составляющих '

РЗ будет порядка 36000. Именно от этого количества аномальных призм следует расчитывать гравитационный эффект, т.е. вместо 250000, составляющих исходную зону.

Следовательно, введение результативной зоны позволяет сократить объем вычислений более, чем в 7 раз, а это значит, что быстро-дейсиие вычислительного процесса на ЭВМ повышается в столько же раз. При этом, исключена возможность игнорирования эффектом удаленных масс от точки вычисления.

Следующим этапом повышения производительности труда является кг~.с разработка экономичных алгоритмов решения прямой задачи для аппроксимирующих тел /призмы/, так и замена эффекта призм эффектом точечных источников /сфер/.

В работе точные формулы эффекта. Д ^ призмы модернизированы, и вычисления проводятся по более компактной схеме цутем сокращения числа функций в точной формуле в четыре раза. За счет модернизации формулы время счета сокращается в 2 раза. При этом, во время счета входит и время "накладных расходов" /время необходимое для установления параметров отдельной подслойки из массива РЗ, координат точки вычисления, считывания исходной информации в оперативную память и т.д./. . .

Касаясь вопроса замены эффекта призмы эффектом сферы, необходимо учитывать соотношение горизонтальных и вертикальных размеров призмы и расстояние до точки вычисления.

При условии совмещения центра сферы с центром тяжести призмы и равенстве их масс эффект сферы, которым заменяется эффект призмы имеет вид ^

/ Т'» ХгЛ^ЛгХ^ ~ ноордииаты вершизт призмы, а X, у, г -юординаты .точки вычисления.

Второй более точный вариант замены эффекта призмы эффектом сфе->ы сводится к следующему. Призма высотой 5г.- 5« заменяется эквива-гентным по массе цилиндром, радиус которого ~

Затем, исходя из условия равенства эффектов сфера и циливдра 1а их общей оси определяется глубина погружения центра сферы

г

-'/'У. , ; Ш .

Окончательно, эффект -сферы, которой заменяется призма, в про-[звольной точке с координатами /х, у, о/ вычисляется по формуле

/3/.

[исленными экспериментами, проведенными на 250000 аномальных призмах, мевщих весьма различные вертикальные размеры (дЬ/^Ч ~ 0.1 -г 5) I расположенных на разных глубинах и расстояниях от точки вычисления юказали, что если эффект Д£| в первых пяти зонах /центральная зо-:а/ вычислять по формуле призмы, а с пятой по 30-уго зону /дальняя зо-га/ по формуле сферы, то погрешность от такой замены не будет пре-юсходить 0.1 кГал. Учитывая, что из 36000 аномальных призм, в сред-[ем составляющих РЗ, вне центральной зоны остаются 35000, вычисление

эффекта Ag от такого большого количества аномальных призм с погрешностью О, I мГал делает безупречным замену эффекта призш эффектом сферы.

Установлено, что для Кавказского региона в качестве центральной зоны следует принять квадрат размером 100 х IOC км, и эффект аномальных призм внутри него рассчитывать по модернизированной формуле призмы, а в дальней зоне по формуле сферы.

Предложенную методику вычисления гравитационного эффекта гогот-ностной модели литосферы путем введения результативной зоны, модернизации формулы призмы й замены эффекта призмы эффектом. сферы называем комбинированным методом, , '

Оценка эффективности и высокопроизводительности комбинированного метода построения плотностной модели литосферы, по сравнению с методом построения в "лоб" /когда в исследуемой точке эффект Ag от всего исходного массива вычисляется по формуле призмы/ показывает, что время счета в одной точке от всего массива ИЗ по формуле призмы составляем 3,6 ч., а комбинированным методом 0,0?. ч. Таким образом, комбинированный метод высокопроизводителен и сокращает вре! ; счета на ЭВМ, по сравнению со счетом в "лоб" в 47 раз.

Особенность комбинированного метода заключается в том, что он с успехом может быть исюльзован и для вычисления поправки за избыточную плотность /разность мезду истинной И стандартной плотностью/ тогографических масс,, при вычислении местной топографической редукции, составной часть» которой является и влияние рельефа. Установлено, что общепринятая стандартная плотность 2.67 г/см® для Кавказского региона всегда занижена по сравнению с истинной плотностью, что приводит к появлению фиктивных аномалий. Величина избыточной плотность сГ<> варьирует в значительных пределах - от 0.07 до 0.40 г/см®. Составлена схема распределения поправки за избыточную 'плотность Sq

топографических масс для Кавказского региона. Указанная поправка всегда одного знака и достигает 30 мГал. Сравнение схемы поправок со схемой избыточной плотности указывает на их определенную качественную взаимосвязь, а именно, зоны высоких горизонтальных градиентов соответствуют зонам высоких градиентов латерального изменения о ,

Построены номограммы, позволяющие по значениям высоты тошен наблюдения Н для фиксированных значений находить поправку с точностью 0Д-0.6 мГал. Подобный подхед определения поправки практически исключает проведение дополнительных трудоемких и громоздких вычислений, связанных с отсчлюм средних высот дневного рельефа по то-покартам и обеспечивает необходимую точность введения поправки за избыточную плотность в аномалию силы тяжести.

Во второй главе для решения региональной линейной обратной задачи гравиметрии предлагается метод укрупнения периферийных призм и интерпретация по девяткам призм. Рассматриваемая обратная задача равноценна следующей вариационной задаче - ищутся такие значения плотности , чтобы норма разности

досчитала минимального значения.

Здесь (М)- заданные значения аномалии силы тяжести в точке ! на плоскости отчосимости,

(и) *" поле силы тяжести, К-ой призмы в точке М с еди-ичной плотностью.

Метод укрупнения периферийных призм позволяв* из П призм, сос-авляющих слой, взять 33 призму и произвести минимизацию нормы разнос-

^(н)-Й^(н)

/б/

- 18 -

Учитывая, что на данном этапе в момент нахождения плотное пых характеристик данной центральной девятки призм соответствую щие характеристики призм, находявросся выше и левее данной девятки уже известны, то вместо /5/ на каадом этапе минимизируется выражение

23

/6/

УМ-^шм).

Дяя получения рассматривается система однородных и ад дативных функционалов { Р^ , и требуется, чтобы о»

равнялась нулю на разности /б/. Это дает для систему

" 23 ;

^л?* г , ! = ' /7/

I» В^РЧСУ)

В программе предусмотрены следующие возможности определения коэффициентов .

функционалы рг, определяются в гильбертовом пространстве Ре (%)= (Т«-. ^*) » тогда получается система

(функционалы определяются в банаховом пространстве С всех

непрерывных, функций - Н^к (Р^) » т0ГДа получается сис

цъчцр^'ф; ¿^г,..,23.

где Pl - узлы коллокании, совпадающие с точками, находящимися на поверхности S непосредственно над центрами рассматриваемых призм.'

Составленная программа апробировалась на многочисленных физических моделях. Модельные исследования показали эффективность и высок}® точность предлагаемого алгоритма решения обратной задачи гравиметрии.

Третья глава посвящена построению грави-сейсмической модели литосферы Кавказа вдоль IX геотраверса на основе разработок, первой и второй глав диссертации. Геотраверс IX протяженностью <Ю00 км пролегает в субширотном направлении Черное море -Каспийское море и проходит через сверхглубокую Саатлинскую сква-кину. Дается географо-тектоиическоб полоаекйо геотраверса и характеристика гравитационного поля региона.

Начальные параметры /Н,_, ^i., М. / модель*первого приближения заданы на основе имеющихся и настично заново переинтерпрети-ооеапннх материалов глубинного сейсмического зондирования /Рад-Еябов М.М., Иоселиани М.С.,Диасамвдзе Ш.П./. Эти материалы да-от более полную информацию о неоднородности строения литосферы. 3 частности литосферу в континентальной части геотраг рса /Дзи-зульский массив, Сяатлшский выступ и др./ удалось расчленить ia восемь слоев. . « . ' ' .

Для плотностных характеристик осадочного чехла использо-зались данные латерального распределения плотности /Балавадзе 5,К.,ГОенгелая Г.Ш./, а для отдельных горизонтов использовалась известная зависимость плотности от скорости /Павленкова Н.И./.

На основе анализа гравитационного поля, пересчитанного на азные уровни /5,10,30,50,100,150 км/ верхнего полупространства |риняао, что ответственными за наблюденное поле Д являются

- го -

илотноспше неоднородности литосферы до глубина 120 км.

Первые га расчеты гравитационного эффекта от плотностной моде и литосферы на участке Черноморского бассейна дали удовлетвори! злыще результаты - расчетное и наблюденное поле совпали с точностью - 10 ыГал. Для региональных построений указанное расхождение следует считать приемлимым приближением. Для отделышх участков геотраверса расхождение достигало значительных величин. Это особенно касается переходне'"1 зоны от моря к континенту, которая по своему составу и строению является наиболее сложной. Детальный аьализ вклада эффектов отдельных слоев в создании суммарного гравитационного поля привел к необходимости изменения морфологии и глубин залегания поверхностей раздела, а также плотностей слоев на отделышх участках.

В средней части геотраверса в районе пересечения с профилем ГСЗ Волгоград-Нахичевань, по. сейсмическим данным отмечалось существование волновода. Оставалось неясны.! восточное окончание

' ' • .л/

слоя Н^ пониженной скорости, расположенного над поверхностью Мохо. На основе моделирования стало возможным наиболее достоверно оконтурить восточное окончание слоя

Построенная грави-сейсмическая модель литосферы Кавказа вдоль IX геотраверса позволила выделить несколько региональных блоков, которые разделяются между собой глубинными разломами. Выделяются участки с резким изменением скорости и плотности как в вертикальном, так и латеральном направлениях, что указывает на явную дифференциацию. литосферы в литолого-петрофизическом отношениях. На всем протяжении геотраверса прослеживаетзя ярко выраженная слоисто-блоковая структура литосферы.

Указывая на ограниченные возможности гравиметрического

метода установлено, что процесс интерпретации гравиметрических да!гаък слезет рассматривать как последовательность выдвигаемых интерпретатором гипотез и их проверки. Основываясь на решении обратной задачи методом укрупнения периферийных призм проведена проверка двух гипотез.

1. Принимается гипотеза, что ответственной за наблюденную аномалию Д является осадочный слой /в качестве гравитационно? подели взяты трехмерная плоптостняя недель яемюЯ корн Кавказа по Шенгелая Г.И!./. Путем регаения прямой задачи для масс, расположенных между подошвой осадочного чехла и поверхностью Мохо в значение Д С| вводится геологическая редукция. Тогда решение обратной задачи для остаточной аномалии должно дать распределение аномальной плотности в осадочном чехле относительно ПМЗ-К. Вое становленная затем истинная плотность осадочного чехла изменяет-

о

ся в пределах 2,68-2,71 г/см , что противоречит экспериментальным данным. Значит принятая гипотеза неправдоподобна.

2. Во второй гипотезе ответственной за аномалию пр га икается верхняя мантия до глубины 1У0 км. Решение обратной за, ;ачя для невязок /разность между наблюденной и эффектом корн/ позволило построить схе: у расгфеделения аномальной плотности в верхней мантии. Эта схема , подтверждая правомочность второй гипотезы, указывает на то, что в целом верхняя мантия под Кавказом уплотнена относительно ПЫЗ-К.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, получек, не в работе, состоят в следующем:

- 22 -

1. При построении грави-сеЙсмической модели литосферы следует исходить из единой планетарной плотностной модели Нормальной Земли /ПМЗ-К/, позволяющей переход от избыточных плотностей, полученных в результате интерпретации, к абсолютным плотностям, допускающим геологичес-ую трактовку. . .

2. В силу задания исходной информации, подлежащей интерпре-

г |

. тации с определенной точностью с не имеет смысла строить гра-ви-сейсми зскую модель с точностью большей £* .

3. Из всей территории, для которой строится грави-сейсми-ческая модель, достоверная модель /с точностью £ / может быть по. строена только лтаь для ограцичишой области-зоны гравитационной модели. : ; ' .

4. Для Кавказского региона результативная зона имеет разме-; ры 600 х 600 км. Достигаемая при этом точность построения грави-

; тационной модели /в терминах аномалии рилы тяжести/ литосферы порядка £ 10 мГал.

5. С целью повышения быстродействия вычислительного процес-.< са, результативная" зона подразделяется на центральную и дальнюю.

В первой эффект Л $ о* аномальных масс вычисляется по точно»! модернизированной формуле призмы, а в дальней - по формуле сферы. . Для Кавказского региона центральная зона имеет размеры 100 х 100 т» Достигаемая при етом точность вычисления гравитационного ефг фекта о* го&х аномальны? масс результативной зоны - порядка 0,1

.'«Тел» • ' ■■*

; , ' ,.6. Предлагаемый комбинированный метод построения гравитационной модели литосферы повышает быстродействие вычислительного процесоа в 4? раз, ■ :

Л^рлбсгед «фф^ктвщрД алгоритм решения региональной

- 23 -

обратной задачи гравиметрии матодом укрупнения периферийных призм.

8. Разработанные алгоритмы и прикладные программы с материалами банка данных позволили построить грави-^ейсмическу» мо-цсяь литосферы Кавказа.

9. Результаты грави-сейсмического моделирования показали, ЧТ' наблюденная аномалия силы тяже ото обуглевши», неоднородно^-гм) яитзе&еры до гдуйаш 120 ям. Вменилось также, что верхняя ...¿ьгая под Черноморо-Кавказскиы регионом плотнее по сравнения с планетарной плотностной моделью Земли, Построенный грави-сейсми-теский разрез по IX геотраверсу может служить основой для построения площадной модели литосферы Кавказского региона.

Oo-Hosisra результата опублмсоваш я следуетта статьях;

I» О/t одном алгоритме решение обратной задачи гравиметрии, ^ссбщенкя <Ш ГССР, 1975„ -г.,79, 'Т- И,

'¿„ 0 кределах корректности обратных гада* гравшгетрий ■v\H СССР, 1981» «г. 257, !S 4 /еова. с М.А.Алексчцзе и- Н.В.Декано-

;й£БИЯМ/«

3. Исследование вопросов яп?алрб?ацив региегшльнах геофи-клвсаик полей, Деп.ЗййГГИ ?805852GS 198« /соьа* с М.А.Алеясвд- ■

К.МЛСаргв&яишвили и др./.

4. К методике образования аномечывше масс для построения ■равитационной кодеяк зекяой коры а верхней шнтии. Сообшения

¿\ ГССР, 1985, т.119, 3 3 /сов?», е Л.М.Картвблипзили, Я.Ш.Мицдв-ш и др./.

5. Комбинированный ые^од построения гравитационной модели :итосферы земли. Сообщения АН ГССР, 1986, т.КЗ, К? 2 /совм. с

- 24 -

К.М.Картвелшвили, П.Ш.Ыивделй и др./,

. 6. Методц и алгоритмы построения гравитационной модели литосферы. КН. "Изучение литосферы геофизическими методами". Киев, 1966, "Еаунова думка", /совы, с Б.К.Балавадзе,К.М.Карт-велишвили в др./.

7. Построение пространственной сейсмо-гравитационной модели литосфер« территории Кавказа. Деп. ВИНИТИ, 01840034023, 1987 / овм. с К.М.Киртвелиптили, П.Ш.Миндели и др./.

8. Об аномалиях силы тяжести в горных районах. Геофизический журнал, 1987, *.9, Р 4 /совы, с К.М.Картвелипшюш, М.М.НиколаДшвили и др./.

дЗдбвЭСМЭ Фддд& омзоь аэ

¿^Зп-ЬопЬд^о дпрэро$здо1> дзапроуо ро ^одлоОооО СпюпОдуЪпЬ ¿сЮйуеЗ^ IX дЭПф^^ЗЗ^'-жЬ ¿оО^од

Ъ&ЗО Ошз

волана №

ь.я»ЛАтззвгпь ы.л ьм&з^кзьмипэоь шмптпьлЬ рсгпл .«дз.+АЗлаоь ьдьзсэт&пь «»»ип. оал-

»Апапкг лпмлыоь ипом « 7. ТБИЛИССКАЯ КНИЖНАЯ ФАБРИКА и<*. и. 'ивчлвлдзе ГОСУДАРСТВЕННОГО КОМИТЕТА ПО ПЕЧАТИ Г. ,ЗИНСК<>« ССР ПР. ГГ. Р05АКНДЗЕ У 5.

ззазэтл»