Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Неприливные вариации вертикальнго градиента силы тяжести

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Неприливные вариации вертикальнго градиента силы тяжести"

Ко ОД ■ 1 ДМ 1933

На правах рукописи

Чирков Владислав Николаевич

Неприливные вариации вертикальнс/о градиента силы тяжести

Специальность 04.00.12 геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата г-еолого-минералогических наук

Воронеж 1998

Работа выполнена

на кафедре геофизики Воронежского государственного университета

Научный руководитель:

Чл.. - корр. РАЕН, доктор технических наук профессор Антонов Ю.В.

Официальные оппоненты: Чл. - корр. РАЕН, доктор геолого-

минералогических наук профессор Конценебин Ю.'П. (Саратовский государственный университет)

Канд. тех. наук Ипполитов О.М. (ГГП "Воронежгеология")

Ведущее предприятие: ГГП "Воронежгеология"

Защита состоится 17 декабря 1 998г. в 1_5 часов на заседании диссертационного совета Д 063.48.04 при Воронежском государственном университете.

Адрес: 394693 г. Воронеж, Университетская пл. 1. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского университета.

1

Автореферат разослан "/¿^ " 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совет;а доктор геолого-минералогических наук

профессор Г.В. Холмовой

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние десятилетия все больший интерес вызывают естественные вариации геопотенциальных полей, которые позволяют изучать внутреннее строение Земли вплоть до ядра. В последнее время наряду с сейсмическими, электромагнитными и другими методами значительное место в изучении Земли стали занимать вариации гравитационного поля. Дело в том, что гравитационное поле в отличие от других полей позволяет изучать более глубокие слои Земли, так как для силы тяжести не существует никаких экранов, как, например, в электромагнитном поле или в прохождении сейсмических колебаний.

На первом этапе изучались лунносоЛнечные вариации силы тяжести. Была создана приемлемая модель для расчета вариаций. Позже начали наблюдать неприливные вариации силы тяжести, и которые позволили выявить собственные колебания Земли. В последнее время на кафедре геофизики ВГУ были обнаружены не-приливцые вариации вертикального градиента силы тяжести. На первый взгляд неприливные вариации градиента логично вытекали из вариаций силы тяжести. Но элементарные расчеты показали, что амплитуда таких вариаций должна быть ничтожна, а экспериментально наблюдаемые амплитуды на несколько порядков выше. Несомненно, тема исследований актуальна и носит преимущественно фундаментальный характер.

Цель работы. Изучить неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести, определить основные периоды изменения вариаций, их спектральные характеристики и обосновать их возможное использование в изучении внутренней структуры Земли и земной коры.

Задачи исследований. Задачи диссертации можно сформулировать следующим образом:

1 .Разработать методику наблюдений и обработки неприливных вариаций вертикального градиента силы тяжести.

2. Изучить связь между вариациями градиента и собственными колебаниями Земли.

3. Дать оценку возможного использования неприливных вариаций градиента при изучении Земли.

4. Сделать предположения о возможных причинах неприливных вариаций вертикального градиента.

Фактический материал и методы исследований. В диссертации представлены результаты четырехлетних исследований вертикального градиента силы тяжести. Основой предлагаемой работы являются полуторолетние стационарные исследования вертикального градиента силы тяжести, которые были проведены

автором на кафедре геофизики ВГУ. Кроме того в диссерта!^ использованы данные полученные на кафедре геофизики проведении синхронных наблюдений вариаций вертикальногс градиента в г. Воронеже и в г. Мирный (Якутия), а также данные полученные при проведении работ, которые были направлены н: изучение возможности использования неприливных вариаций е оценке динамической активности земной коры и сейсмотектонического районирования. Для сравнительного анализа наблюдение в диссертации использован временной ряд наблюдений, полученный доц. Слюсаревым, с его разрешения.

Научная новизна. В диссертации представлены результать: четырехлетних исследований вертикального градиента силы тяжести. Основные результаты, определяющие теоретическую V практическую значимость выполненных исследований, состоит е следующем.

1. Впервые были проведены стационарные измерения неприливных вариаций вертикального градиента силы тяжести и разработана методика измерений и обработки наблюденных вариаций градиента, позволившие выявить и охарактеризовать основные периоды вариаций градиента.

2. Обнаружены новые закономерности изменения вариаци? во времени. В частности выявлена зона аномальных изменение вертикального градиента и их связь с землетрясениями. Выявлены новые долговременные периоды вариаций и обнаружена и> возможная зависимость от положения оси вращения Землив пространстве, а также доказана реальность существования неприливных вариаций вертикального градиента.

3. Доказана связь собственных колебаний Земли с неприливными вариациями вертикального градиента, для чего бьи проведен уникальный эксперимент по синхронному измереник вариаций в г. Мирном (Якутия) и в г. Воронеже

4. Намечены пути практического использования неприливных вариаций в геологоразведочном деле. На примере наблюдений над разломными зонами был установлен критерий определения динамической активности земной коры. В качестве критерия определена среднеквадратическая погрешность единичного измерения градиента. По указанному критерию можно проводить тектоническое и сейсмотектоническое районирование.

5. Установлено, что неприливные вариации начинаются задолго до землетрясений, что позволяет высказать предположение, что источником собственных колебаний Земли являются не землетрясения, а наоборот, собственные колебания являются спусковым механизмом для землетрясений.

Практическое значение. Поскольку с уменьшением периода колебаний в действие вступают все более верхние части геологического разреза, то, очевидно, можно попытаться использовать это обстоятельство для практических целей. Например, средне-периодные колебания использовать для определения добротности мантии Земли. В самой верхней части картина колебаний начинает резко усложняться из-за изменчивости упругих свойств горных пород, вызванных изменением литологии и целостности отложений (разломы). Так как при измерении вертикального градиента наблюдается дискретность, то выявить и учесть короткопе-риодные вариации невозможно из-за того, что шаг дискретизации наблюдений сопоставим или больше периодов колебаний. Тогда такие колебания уже выступают в качестве помех случайного характера. Для проверки была использована съемка вертикального градиента силы тяжести над алмазоносной Ботуобинской ким-берлитовой трубкой (Якутия). Подобные зоны повышенной дисперсии Угг были выделены также при профильных измерениях на трубке Амакинская (Якутия), а также на трубках Ломоносовская и Полярная (Архангельская область). Указанная методика оценки динамической активности использовалась и. при региональных исследованиях на Мирненском алмазоносном поле.

Необходимо отметить, что выявленная связь дисперсии вариаций градиента с разломными зонами может.иметь и другое важное значение. Очевидно, что интенсивность погрешности зависит от активности разломных зон. Если разломная зонз является «залеченной», т. е. массив горных пород становится более или менее однородным, то такая разломная зона вряд ли проявится в дисперсии наблюдений. Следовательно, указанное свойство можно использовать для оценки тектонической активности разломов и соответственно для сейсмотектонического районирования, начиная с регионального и кончая инженерно-геологическим при строительстве промышленных и гражданских объектов. Можно также отметить, что, несмотря на удовлетворительные результаты использования вариаций градиента для геологических целей в указанном направлении нужны еще многие дополнительные исследования в аппаратурном, методическом и прикладном направлениях.

Апробация работы и публикации. Результаты работ докладывались на ежегодных научных конференциях Воронежского университета, а также на международном семинаре им. Г.Д. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" в г. Воронеже (1996г.) и в г. Ухте (1997г.).

По теме диссертации в период 1996-1998г.г. опубликовано í статей.

Объем и структура работы. Диссертация включает: 91 страниц, в том числе 8 таблиц, 25 рисунков. В списке литературь: учтены 55 опубликованных работ.

Содержание диссертации раскрывается во введении, 5 главах (1- современное состояние изучения вертикального градиенте силы тяжести и собственных колебаний Земли, 2 - временные изменения вертикального градиента силы тяжести, 3 - связь вариаций градиента и собственных колебаний Земли, 4 - о возможности использования вариаций в прогнозе динамической активности земной коры, 5 - возможные причины вариаций вертикального градиента) и заключении.

Первое защищаемое положение обосновывается в главе 2; второе - в главе 2, 5; третье — в главе 3, 4.

Предшествующие исследования. Измерение вертикального градиента силы тяжести всегда.было в поле зрения гравиметристов, так как нормальное значение градиента для Земли было вычислено теоретически и необходимо было проверить эти вычисления экспериментально. Однако эксперименты наталкивались на ряд трудностей. Нельзя было по техническим причинам изготовить вертикальный градиентометр по типу вариометра Этвеша, Такой прибор не изготовлен до сих пор. Поэтому единственным путем измерения вертикального градиента оставался путь измерения силы тяжести на двух высотах с очень высокой точностью, а высоко точных гравиметров до середины нынешнего века не существовало. Оставался единственный способ повышения точности измерений градиента: увеличение разности высот.

Первые измерения вертикального градиента были проведены 3. Хаммером на высотных зданиях Нью-Йорка, Вашингтона и Питсбурга. Во всех этих пунктах измеренные значения градиента почти совпали с теоретическими. Видимо, это обстоятельство и предопределило в дальнейшем некоторое охлаждение к измерениям градиента.

Заслуживают внимания работы, выполненные в Польше 3. Файклевичем. Про,ведено несколько тысяч измерений преимущественно для решения инженерно - геологических задач на небольших площадях.

Следует отметить исследования, проведенные на юго-западе Британской Колумбии (Канада). Здесь б ылд выполнена съсмкз вертикального градиента путем повысотных измерений силы тяжести на региональном профиле длиной 430 километров. Оказалось, что значения вертикального градиента на 300 - 500 этвеш ниже стандартного значения. В бывшем СССР первые измерения

вертикального градиента были получены В.К. Балавадзе на территории Грузии. Измерения градиента проводились на триангуляционных вышках. В результате проведенных -работ Балавадзе В.К. отметил большое несовпадение измеренных аномалий градиента с геологическим строением, но объяснил это несовпадение с недостаточной изученностью плотности геологического разреза.

С 1985 года на кафедре геофизики Воронежского государственного университета начинаются исследования- по планомерному изучению вертикального градиента силы тяжести. Измерения проводились на региональном и локальном уровнях. В результате работ впервые были обнаружены в орогенных областях Тянь-Шаня и Памира региональные аномалии по амплитуде сопоставимые с изменениями в Британской Колумбии. Параллельно проводились работы по использованию вертикального градиента при картировании, поисках и разведке рудных и нефтегазовых месторождений, а также при инженерно-геологических изысканиях. В результате этих работ впервые были обнаружены неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести.

Основные защищаемые положения.

1. Разработана и усовершенствована методика наблюдений и обработки вертикального градиента силы тяжести.

Учитывая современное техническое состояние гравиметрической аппаратуры, оптимально достижимой точностью при измерении вертикального градиента можно считать ±10 Е. Такая точность достигается примерно при пяти измерениях на нижней площадке и четырех - на верхней. Дальнейшее увеличение кратности ведет к значительному увеличению затрат на измерения при небольшом повышении точности. На точность измерений влияют следующие факторы.

Устойчивость подставки и динамическое состояние земной коры во многом определяют уровень помех при измерениях вертикального градиента. Подставка должна быть устойчивой и не иметь собственных колебаний, совпадающих с собственными колебаниями гравиметрической системы. Желательно подставку изготовлять из труб, а не из сплошного металла, так как в последнем случае проявляется большее дрожание.

Большие неприятности приносят мелкие землетрясения. Обычно мелкие высокочастотные землетрясения фиксируются резкими скачками отсчетов до ± (0,05 - 0,07) мГал на нижней и верхней площадках. В районах тектонически-активных это на-

блюдается очень часто, в платформенных условиях заметно меньше, хотя отдельные дни бывают активно сейсмическими вплоть до сейсмических бурь. Большая сейсмическая активность наблюдается преимущественно в осенне-зимний период.

Длиннопериодные ускорения, видимо, учитываются вместе со сползанием нуль - пункта, хотя по амплитуде намного превосходят высокочастотные. Основное влияние оказывают среднепе-риодные землетрясения, которые трудно фиксируются.

Методика наблюдений выбиралась исходя из результато! полученных на кафедре геофизики в предыдущие годы. Наблюдения за изменением вертикального градиента проводились в помещении, что исключало влияние на результаты измерения такого мешающего фактора как ветер. В тоже время не являются помехой землетрясения, которые по сути дела являются объекте?» исследования. Измерения проводились в течение одного часа, { одно и тоже время суток. Вертикальный градиент измеряли с по мощью микрогального гравиметра с ценой деления 0,4 мГал/об. путем измерения силы тяжести на двух уровнях с разностью вы сот 0,75м.

Градиент вычислялся как разность среднего из двух значе ннй силы тяжести внизу и одного значения наверху или наобо рот. Интервал времени между двумя соседними замерами н; нижней (верхней) точ.ке составлял 3-5минут, поэтому смещение нуль>пункта можно считать линейным, что подтверждается полу ченными данными.

Показано, что точность определения вертикального гради ента за часовой период, исходя из характеристики гравиметра можно оценить порядка ! - 3 эгвеша, но прямым способом по грешность измерений определить нельзя. Дело в том, что нельз повторить процесс измерений в тех же условиях, так как грави тационное поле меняется. Если попытаться определить точност единичного наблюдения в часовом периоде, то мы получим вели чину вариаций вертикального градиента. Отделить погрешност измерений от вариаций невозможно. Поэтому так называемую погрешность измерений в часовом периоде условно будем назы вать среднеквадратичной величиной изменения амплитуды не приливных вариаций градиента. Среднеквадратичная величин изменения амплитуды неприливных вариаций в часовом интерва ле составила ±17,6 этвеш.

Полученные измерения вертикального градиента силы тяже сти требуют сложной обработки статическими методами. Данны методы обработки дают возможность выделять вариации тог или иного типа и выяснять закономерности их протекания. Ста тический подход довольно широко используется при обработк

-еофизической информации. Нами использовались уже апробированные и хорошо зарекомендовавшие себя методы и применялись эни в зависимости от того, какой полезный сигнал нужно выделить. В ■частности использовались метод осреднения в различных модификациях, спектральный анализ (построение периодограмм, оценка спектральной плотности и т.д.).

Осреднение в скользящем окае. Осреднение в основном использовано для подавления погрешностей измерения. В частности такое осреднение проводилось для данных за весь период наблюдений (рис. 1). В качестве интервала осреднения принимался интервал равный лунному и солнечному месяцам, а также интервал в 14 дней, который выделяется на статистических периодограммах. Результаты осреднения во всех случаях примерно одинаковы. Результаты осреднения с интервалом в тридцать один день приведены на рис. 2.

Следует отметить, что наряду с погрешностями измерений осреднение также уменьшает влияние случайных кратковременных возмущений вариаций вертикального градиента. По существу кратковременные возмущения имеют те же статистические характеристики, что и погрешности измерения. Вариации вертикального градиента, имеющие большую длительность, хорошо проявляются на осредненных графиках. Кстати, на рис. 1 и 2 приведено сравнение наблюденных и осредненных значений вертикального градиента Vzz полученных Чирковым В.Н. и независимых измерений, выполненных за этот же период Слюсаревым C.B.. Анализируя данный рисунок можно сделать вывод о совпадении основных долговременных вариаций вертикального градиента, по обоим гравиметрам.

Следующей модификацией метода осреднения служило "по-интервальное" осреднение, когда в качестве единичного измерения выступает интервал измерений. Такой подход к обработке объясняется целью выделения тех или иных закономерностей изменения вертикального градиента в определенном интервале.

Кривая изменения вертикального градиента силы тяжести представляет собой сложные периодические изменения с различными периодами, амплитудами и фазами. Установить какую - либо зависимость в ходе вариаций на отдельных кривых не представляется возможным. Однако, суммируя кривые вариаций за длительный промежуток времени (неделя, месяц или год) можно выделить те или иные периодические вариации. Такая обработка заключается в том, что с кривых изменения вертикального градиента Vzz снимаются для каждого минутного промежутка времени значения ординат, для каждой минуты часа эти значения суммируются, и выводится среднее значение.

Vzz, дел x 103

01.12.96 20.01.97 11.03.97 30.04.97 19.06.97 08.08.97 . 27.09.97 16.11.97

Рис. 1. Графики вариаций Vzz: 1 - измеренные Чирковым В.Н.; 2 - измеренные Слюсаревым C.B.; 3 - катастрофические землетрясения.

А, дел х 103

3700 ;

3600 3500 3400

ззоо ;

3200 | 3100 : 3000 2900 | 2800

2700 01.12.96

♦

20.01.97

11.03 97

30.04.97

19,06.97

03 08.97

27.09.97

.....1

-2

♦ 3

Дни

16.11.97

Рис. 2. Графики вариаций Vzz осредненные за месяц: 1 - измерения Чиркова В.Н.; 2 - измерения Слюсарева C.B.; 3 -катастрафические землетрясения.

При такой обработке вариации случайного характера, а также имеющие другой период взаимно компенсируются, если только число слагаемых достаточно велико; поэтому среднее значение свободно от каких - либо других вариаций. В качестве интервала осреднения при обработке использовался часовой интервал. Этот интервал обосновывается тем, что основным фоном собственных колебаний Земли, по статическим данным, является период в 54-60 минут. Осреднения проводились на различных временных интервалах: по неделям, по месяцам и в целом пс всему периоду наблюдений.

Данные полученные в результате, проведенных исследование обрабатывались также с помощью программы «MESOSAUR» Данная программа позволяет проводить различную обработку полученных данных, строить графики.и вычислять периодограммы вариаций вертикального градиента силы тяжести.

Периодограмма ряда Х( 1 ),...,Х(п) в данной программе определяется как набор коэффициентов в разложении временногс ряда по гармоникам ехр(2jt.itot/п) и выражает амплитуду соответ ствующей гармоники и ее вклад в общую дисперсию процесса Временной ряд в свою очередь есть совокупность измерений не которой переменной (будем обозначать ее X), производимых ni мере возрастания времени. Теоретически, измерения могут реги стрироваться непрерывно, но обычно они осуществляются чере: равные промежутки времени и нумеруются аналогично выборю (объема п): Х={ Х(1), Х(2), ..., Х(п)}. Временной ряд является таким образом, совокупностью наблюдений случайного процесса

Для стационарного временного ряда периодограмму можн< рассматривать как оценку спектральной плотности временногс ряда. Наличие в ряду детерминированных периодических компо нент проявляет себя в периодограмме в виде ярко выраженны; пиков на соответствующих частотах. Периодограмма - xopouiei средство для выявления скрытых периодичностей. Для нестацио нарных рядов периодограмма содержит резкий подъем в облает! низких частот (больших периодов)

2. Обнаружены новые закономерности вариант' вертикального градиента: выявлены долговременные i свсрхдолговременные периоды иепрнливных вариаций и ус тановлена связь вариаций с землетрясениями. Полученные ре зультаты показали, что вертикальный градиент силы тяжести из меняется во времени и что вариации Vzz существуют реально Обратимся к рис. 1, 2. На указанных рисунках приведены данны измерений, проведенные Чирковым В.Н. и Слюсаревым C.B. i одни и те же дни. После осреднения (рис. 2) с интервалом в сол нечный месяц наблюдаются в основном совпадение вариаци!

вертикального градиента, период которых составляет от 2 до 3 недель. Некоторые смещения и изменения амплитуд объясняется прежде всего статистическими характеристиками. Наблюдения проводились в разное время суток. Кроме того, использовались наблюдателями приборы различной конструкции.

Особенно следует отметить наличие мощного минимума в изменении вертикального градиента силы тяжести в декабре 1996года. В течение двух недель амплитуда вертикального градиента изменилась более чем на 150 делений, что соответствует примерно 800 Е. Характерно, что после этого последовала мощная серия катастрофических землетрясений в январе 1997 года. Таким образом, видим непосредственную связь изменений вертикального градиента перед землетрясениями. Следует также отметить, что наряду с приливными вариациями, уверенно выделяется широкий спектр короткопериодных колебаний, с периодом до одного часа.

По результатам проведенных наблюдений построены графики изменения вертикального градиента силы тяжести. Кроме того, построен осредненный график изменения вертикального градиента в течение часа за весь период наблюдений. Также дано сравнение изменений Vzz в период с 12.0 1-25.02.1997г. и за этот же период 1998 года.

Изучая вариации вертикального градиента силы тяжести в течение часа можно заметить, что вертикальный градиент изменяется с течением времени, причем амплитуда этих вариаций различна. В отдельные дни амплитуда вариаций 100 - 150 этвеш, а в некоторые дни 500 этвеш и более. Такое, почти пятикратное превышение амплитуд в разные дни может быть объяснено различной сейсмической активностью. Стоит также отметить, что форма кривых может повторяться 2-3 дня подряд лишь с небольшим смещением 'во времени.

Так как период наблюдения составлял около одного часа в день, то на периодограммах построенных по результатам наблюдений выделяются периоды не более 34 минут. Выделяются следующие основные периоды: 34; 32; 31; 30; 22; 21,33; 20,67; 20; 16,5; 15,5; 14,4; 13,2; 12,4; 11,33 и 10,33 минута. Стоит отметить, что в результате спектрального анализа удается выделить периоды собственных колебаний до 2 минут. Однако достоверными считаются периоды только до 10 минут, что обусловлено дискретным характером измерений вертикального градиента силы тяжести.

Выделенные периоды вариаций согласуются с теоретически вычисленными периодами для моделей Гутенберга и Буллена, а также с полученными экспериментально в Калифорнийском уни-

верситете Лос - Анжелоса (УКЛА) в 1960 году после Чилийского землетрясения (табл. 1). Стоит при этом отметить одну деталь что в Калифорнийском университете анализировались измерена силы тяжести, а в Воронеже анализировались измерения верти кального градиента. Но такое различие существенно ничего н< меняет, а наоборот подтверждает наличие собственных колеба ний Земли при измерениях различных компонент гравитационно го поля.

Кроме того, учитывая, что сила тяжести является функцие1 массы, а вертикальный градиент - функцией изменения плотно сти, то появляются новые возможности изучения внутренней строения Земли.

При анализе вариаций за год получены следующие наиболе значимые периоды: 191; 96; 54; 42; 32; 26; 19; 11; 10; 9; 8,5; 7,8 7,5 и 6,6 дней. Можно предположить, что период в 26 дней свя зан с лунным месяцем и влиянием луны на длиннопериодные ва риации градиента. Тогда логично можно увязать весеннюю осеннюю активность, а также минимальные и максимальные ам плитуды зимой и летом с изменения наклона оси Земли относи тельно Солнца. Тогда незакономерные флуктуации в движени Солнца и Луны могут порождать неприливные вариации градиек та, но для опровержения или доказательства высказанных прел положений необходимы дополнительные исследования.

При анализе кривой за весь период наблюдений, построеь ной по осредненным изменениям Vгх за неделю, следует отме тить, что максимального значения вертикальный градиент сил тяжести достигает в апреле - мае и в октябре - ноябре. Лето амплитуда вариаций вертикального градиента невелика, а зиме она вырастает в два и более раза. В результате спектральног анализа данной кривой выделяются следующие основные пери< ды: 2,08; 2,7; 3; 3,38; 4,5; 5,4; 6; 7,71; 13,5; 27 недели.

При анализе кривой за весь период, построенной по осре^ ненным изменениям Угг за месяц еще более отчетливо видно, чл вертикальный градиент силы тяжести достигает своего максим; ма в апреле - мае и октябре - ноябре. Изучая график изменен! вертикального градиента силы тяжести в период с 12.01. г 25.02.97г. и в период с 12.01. по 25.02.98г. можно отметить сх жесть полученных кривых. Спектральный анализ данных кривь показал, что для кривой построенной по результатам наблюден! проведенным в 1997 году выделяются периоды: 2,67; 3,43; 3,6 6,85; 4,8; 8; 12; 24 дня, а для кривой построенной по результат; наблюдений проведенным в 1998 году выделяются периоды: 2, 2,44; 3,38; 4,4; 6,29; 8,8; 22 дня.

Таблица 1

Периоды собственных колебаний Земли, наблюденных с помощью гравиметра, и сопоставление их теоретическими данными

Теоретические и экспериментальные значения периодов

собственных колебаний

Теоретические значения периодов Эксперименталные значения

(мин) периодов (мин)

Модель Модель УКЛА ВГУ ВГУ

Буллеиа Гутенберга 29.05- 7.07-3.08.95

24.06.95.

351,57 352,22 320,5

176 158,7

117,41 121,7

90,42 88.26 88,23 102.6/85.82

71.9 69.98 70,44 74,49/64,98

59,02 58.64 60,96

53.7 53.7 52.8/54,98 50.53 52,68

44,48 44.32 44,11 44,18

40,64 40.73 39,13 40,56/37,85

35.5 35.33 35,24/35,87 35.22 35,33/33,49

32.02 32,12/30,34

28.99 29.91 29,35 28,74

27.09 27,46/26.36

25,73 25.54 25,58/25,85 25.16 25,3

" 24.75 24.32 24.64 23.48 24.57/23,55

22.02 22.57/21,56

20.65 20.72 20.46 20.72 20,56

19.83 19.66 19.85 19,57 19,64

18,54 18.68/18,18

17,94 17.63 17,68/17,88 17,61 17,82/17,28

16,77 16,7

16,12 15.92 16.07 16,01 16,15/15,82

15,49 15,15 15,03 15,31 15,43/15.14

14,38 14.11 14,3 14,68 14,79/14,42

14.09 14,11

13,64 13.44 13,53 13,55 13,87/13,46

13,58 13.25 13,42 13.05 13,13

12,32 12.05 12,24 12.58 12.82/12,56

12,25 11,96 12,08 12,15 12,31/12,09

11,95 11,74 11,78 11,74 11,81/11,67

11,36 11,44/11,19

11,01 11,04

10,77 10,54 10,57 10,68 10,88/10,68

9,99 10,21 10,36 10,43/10,18

Таким образом, длиннопериодные вариации, период которых более одного дня, очевидно, теряют характер неприливных и начинают повторяться на следующий год. Очевидно, причины их возникновения связаны с Солнцем и его планенетарной системой.

Выбранная методика наблюдений и обработки неприливных вариаций вертикального градиента позволяют решить основную задачу: изучение неприливных вариаций вертикального градиента силы тяжести. Показано, что неприливные вариации существуют, и основные периоды неприливных вариаций удовлетворительно согласуются с периодами собственных колебаний Земли. Отмечается удовлетворительное совпадение с теоретическими моделями и экспериментальными данными других исследователей. Высказано предположение о возможной связи неприливных вариаций с лунно-солнечной системой и землетрясениями.

3. Установлена связь между собственными колебаниям» Земли н неприливными вариациями вертикального градиента. а также намечены пути их практического использования. Неприливные вариации вертикального градиента существуют и имеют достаточно большую амплитуду изменения. Потому возникает вопрос, а чем вызваны эти вариации? Спектральные характеристики вариаций совпадают с характеристиками изменения вариаций силы тяжести, отмеченными во время Чилийского землетрясения в Калифорнийском университете. Это совпадение дает повод предположить, что вариации вертикального градиента и собственные колебания Земли связаны между собой. Впервьи предположение о связи вариаций вертикального градиента и собственных колебаний Земли было высказано в работах Антонове Ю.В. и Слюсарева C.B. при анализе изменений вертикальногс градиента во время Молдавского( 1990г) и Кавказского землетря сений( 1991 г.).

Чтобы убедится, что наблюдаемые вариации вертикальной градиента связаны с собственными колебаниями, а не с измери тельными системами приборов, в мае-июне 1995г. в течение : дней были проведены одновременно режимные наблюдения V22 гг. Воронеже и Мирном (Якутия). По стечению обстоятельств эт] наблюдения совпали с Новогорским землетрясением на о. Саха лин, поэтому в эти дни отмечались очень интенсивные вариаци градиента. Полученные результаты приведены на рисунке 3. И графиков видно, что наблюдаемые вариации Vzz совпадают п фазе, несмотря на то, что точки наблюдения находятся друг о друга на расстоянии 6 часов по долготе и около тысячи километ ров по широте. Причем, колебания совпадают не только по фазе но и имеют.абсолютно одинаковые периоды.

Время московское

Рис. 3. Графики изменения вертикального градиента силы тяжести при синхронных наблюдениях в г. Воронеже и в г. Мирном (Якутия).

Таким образом, довольно уверенно можно сделать выводы с том, что короткоиериодные вариации Чгг связаны с собственными колебаниями Земли.

Сделаем несколько замечаний относительно графиков вертикального градиента. Ко времени, близкому к 9ч. ЗОмин., в течение всех дней измерений вариаций отмечается минимум, чтс лишний раз свидетельствует о связи собственных колебаний < вариациями градиента. Обращает так же на себя внимание разни ца амплитуд вариаций в гг. Мирном и Воронеже. В Воронеже ам плитуды значительно больше, что, очевидно, связано с тектони ческой напряженностью Земли в целом: напряженность уменьша ется с юга на север. Поскольку с уменьшением периода колеба ний в действие вступают все более верхние части геологической разреза, то, очевидно, можно попытаться использовать это об стоятельство для практических целей. Например, среднепериод ные колебания использовать для определения добротности ман тии Земли. В самой верхней части картина колебаний начинас резко усложняться из-за изменчивости упругих свойств горны пород, вызванных изменением литологии и целостности отложе ний (разломы). Так как измерения вертикального градиента дне кретны, то выявить и учесть короткопериодные вариации невоз можно из-за того, что шаг дискретизации наблюдений сопоста вим или больше периодов колебаний. Тогда такие колебания уж выступают в качестве помех случайного характера. А если эт так, то можно попытаться каким - то образом дать оценку влия ния короткопериодных колебаний с позиции случайных величи> Самой простой оценкой при измерениях является дисперсия вг риаций градиента (или среднеквадратичное отклонение "едини1: ного измерения), поэтому можно попытаться найти зависимое! между дисперсией вариаций градиента и геологическим строене ем исследуемого участка, площадью региона и т. п.

С целью исследования возможности использования вариг ций в прогнозе динамической активности земной коры были пр< ведены два этапа измерений градиента силы тяжести в различны местах и различными приборами: с 29.05.95. по24.06.95. в г. В< ронеже (ВГУ) и с 7.07.95. по 3.08.95. в 25 километрах от г. В< ронежа. Рассчитанные по вариациям градиента периоды собс венных колебаний Земли приведены в таблице 1, в сравнении теоретическими спектрами частот для моделей Буллена и Гуте; берга, и экспериментальными значениями собственных- колеб ний Земли, полученными в Калифорнийском университете По Анжелеса (УКЛА) в 1960 году после Чилийского землетрясения

Из таблицы 1 видно, что выделенные периоды вариаш практически- полностью совпадают с теоретическими и получе

ными экспериментально собственными колебаниями Земли из наблюдений вариаций силы тяжести в УКЛА. Особенно это относится к периодам в диапазоне 90-35минут. Следовательно, .можно сделать предположение, что ядро и мантия как в районе Лос-Анжелеса, так и Воронежа имеет сходное строение. Однако, начиная с границы кора-мантия (период 35,33 мин.) и выше в спектре, полученном для Воронежа, выделяются дополнительные периоды: 32,02; 27,09; 18,54; 16,77; 14,09; 11,36 и 11,01 минута. Это позволяет сделать вывод о различном строении верхней части земной коры в этих регионах, что вполне соответствует их геолого-географическому положению. Анализ показал, что в то время как, основные периоды выделяются на протяжении всего времени измерений, дополнительные периоды появляются в дни повышенной сейсмической активности, когда амплитуды колебаний резко увеличиваются в несколько раз.

Следует отметить, что, несмотря на совпадение экспериментальных данных между собой и с данными теории, при изучении собственных колебаний Земли использовалась различная аппаратура и способы измерений. Так измерения в УКЛА выполнены маятниковым гравиметром, а определение периодов проводилось по значениям силы тяжести, в то время как в Воронеже использовались пружинные гравиметры (два), а для вычисления периодов использовались значения вертикального градиента силы тяжести. Но, несмотря на это, были получены одинаковые периоды собственных колебаний. Это позволяет говорить о том, что методика используемая при измерении вертикального градиента силы тяжести позволяет уверенно выделять собственные колебания Земли и они реальны.

Как уже отмечалось выше, в дни повышенной сейсмической активности увеличивается количество периодов в диапазоне 2-6 минут. Появление таких периодов, видимо, можно объяснить следующими обстоятельствами. Внутреннее строение Земли определяет только разрешенные частоты основных тонов собственных колебаний. В верхней части Земли, чем ближе мы находимся к дневной поверхности, тем больше проявляются плотностные неоднородности и разрывные зоны, в которых приходящие от ядра собственные колебания начинают расщепляться и создавать целый спектр короткопериодных колебаний. Неоднородность этого спектра тем выше, чем больше вещественная неоднородность геологического разреза. Это своего рода помехи типа мик-росейсм проявляются при измерениях градиента в изменении отсчетов прибора. Поэтому возникает вопрос, а нельзя ли использовать это обстоятельство для целей оценки неоднородности геологического разреза? А поскольку неоднородность в строении

земной коры напрямую связана с активностью того или иного региона, то мы можем оценить динамическую активность земной коры.

В качестве критерия оценки динамической активности было принято среднеквадратическое отклонение единичного наблюдения. Дело в том, короткопериодные вариации ведут себя как случайные погрешности, так как период этих возмущений часто меньше отрезка времени между измерениями. Характеристики самих гравиметров не зависят от собственных колебаний Земли, они определяются только измерительной системой гравиметров, ее механическими свойствами. И где бы мы не измеряли вариации вертикального градиента, техническая погрешность прибора остается одинаковой. Но в зонах, где существуют неоднородности, появляется как бы дополнительная погрешность и в целом дисперсия вариаций увеличивается. По увеличению среднеквад-ратического отклонения можно судить о динамической активности района.

Для проверки была использована съемка вертикального градиента силы тяжести над алмазоносной Ботуобинской кимберли-товой трубкой (Якутия).

Трубка залегает примерно на глубине 90 м. в зоне пересечения разломных зон. Данная трубка установлена уже бурением, не ее контур четко не определен.

Измерения У/г проводились микрогальным гравиметром с ценой деления 1,091мГал/об. путем измерения разности силы тяжести на вышке высотой 0,755м. На каждой точке было выполнено по семь измерений, после чего определялось среднее значение Угг. Шаг съемки по профилю Ю-20м., а между профилями 40м. £ результате проведенных измерений была построена карта Уг; над трубкой. Контур трубки, выделенный по бурению, совпадае' с пониженными значениями Vгг , которые соответствуют мощно! зоне разуплотнения, обусловленной тектоническим нарушением.

Так как в каждом пункте наблюдения проводилась целая се рия замеров для определения вертикального градиента, то дл) каждого пункта была определена среднеквадратическое отклоне ние. Величина дисперсии определялась по методике для неболь ших объемов выборки. Для каждого пункта была определена дис Персия и по полученным данным построена карта дисперсий. Зо ны повышенной дисперсии \'гх совпадают с зоной разуплотнени: выделенной по карте Vгг и соответствуют зонам контакта трубк! с вмещающими породами, по которым, вероятно, и происходи] вынос кимберлитовых пород. Величина периода собственны: колебаний Земли тесно связана с глубиной источника колебания а именно, с.глубиной зоны сдвига пород. Так источник сферой

дальных колебаний с периодом от 66 до 101 минут находится в ядре, для колебаний с периодом 59 минут - он находится на границе ядро-мантия, а для колебаний с периодом 35,3 минут - он находится на границе кора-мантия. Причем последние колебания имеют наибольшую амплитуду, поскольку находятся ближе к поверхности. Связь периода собственных колебаний Земли с глубиной их источника позволяет сделать вывод, что выделенные зоны повышенной дисперсии У22. связаны с тектоническими нарушениями, которые имеют глубинное заложение, а это хорошо согласуется с глубиной образования кимберлитовых пород и алмазов.

Подобные зоны повышенной дисперсии У22 были выделены также при профильных измерениях на трубке Амакинская (Якутия), а также на трубках Ломоносовская и Полярная (Архангельская область). Указанная методика оценки динамической активности использовалась и при региональных исследованиях на Мирненском алмазоносном поле.

Мирненское кимберлитовое поле, расположенное в зоне сочленения Вилюйской впадины и Катанагского поднятия, приурочено к одноименному выступу кристаллического фундамента. Фундамент, сложенный архейскими метаморфитами, залегает на глубине 2-6 км и перекрыт терригенно-карбонатными отложениями рифей-нижнепалеозойского структурного яруса (У-О). Раннепалеозойские отложения с угловым несогласием перекрыты терригенными образованиями позднепалеозойско-

раннемезозойского структурного яруса (С2-Т1) мощностью от первых до 200-300м. С этой активизацией платформы связан интенсивный трапповый магматизм (Т|), продукты которого большей частью распространены на севере рассматриваемой территории. Верхний - среднемезозойский структурный ярус, сформирован песчано-глинистыми отложениями нижней юры мощностью до 100 м и залегает не повсеместно.

Платформенный чехол, особенно в зонах унаследовано развивающихся разломов интенсивно дислоцирован многочисленными дизъюнктивами. Судя по характеру залегания подошвы холмолохской свиты, являющейся маркирующим горизонтом, по крайней мере, с верхнего карбона перемещения вдоль разрывов были субвертикальными и достигали нескольких сотен метров.

Трубки взрыва, в том числе и кимберлитовые, сформировались в среднем палеозое в результате активизации разломов Ви-люйско-Мархинской системы субмеридианального простирания и Ангаро-Вилюйской системы северо-восточного простирания. Параллельно инъецировались дайки долеритов не выходящие на дневную поверхность.

Выявленные по геолого-геофизическим данным разлом! фиксируются в структуре нижнепалеозойской толщи цепочкам грабенообразных прогибов шириной до 2-4 км и амплитудой д 40 м. Они образованы серией сбросов субпараллельных осево зоне. К краевым частям зон разломов приурочены дайки долери тов, фиксирующиеся магнитными аномалиями амплитудой в де сятки нТл и повышением гравитационного поля.

В процессе интерпретации наблюденного поля Vzz по ре гиональным профилям выполнен его качественный анализ с уче том полей Ag и AT,' а также рассчитаны плотностные модели, по зволяющие судить о глубинном строении МКП.

В качестве примера возьмем профиль I, пересекающи практически в крест основные геологические структуры изучае мого района. Измерения Vzz на флангах выполнены с шагом 3км, далее с шагом 0,5-1 км. Профиль начинается в районе Ката нагского поднятия, а заканчивается в Ыгыаттанско Кемпендяйском прогибе, являющемся одной из структур Вилюй ской впадины. Глубина залегания кристаллического фундамент с запада на восток изменяется от 2 до 6 км, что сказывается уменьшении региональной составляющей Vzz (от 3200 Е до 300 Е) и Ag в данном направлении.

Характер поля Vzz вдоль профиля в значительной степен меняется. В северо-западной его части градиент поля силы тяже сти изменяется достаточно плавно с отдельными широкими анс малиями. Отмечается высокая степень корреляции не только ме жду Vzz и Ag, что само по себе представляет большой интерес но и магнитным полем. Если из последнего отфильтровать высс кочастотную составляющую, фиксирующую области распрострг нения трапповых образований, то совершенно очевидно, что учг стку относительно разуплотненной коры отвечают низкие значе ния магнитного поля и, наоборот, более.плотные образовани фиксируются повышенными значениями ДТ. Подобное соотношс ние физических полей хорошо соотносится с структурно геологическими особенностями коры на этом участке профиле Крайняя северо-западная его часть характеризуется значител! ной, более 300 м, мощностью трапповых образований. Миниму в рассматриваемых полях обусловлен не только резким сокращс нием мощности вулканитов, но и интенсивной раздробленность) этого фрагмента коры разрывными нарушениями.

В центральной части профиля характер поля меняется, нем появляется резко выраженная высокочастотная составляю щая с амплитудой порядка 300Е, 600Е и даже 1000 Е. Судя п имеющейся геологической информации, резко дифференцироваь ный характер поля Vzz определяется интенсивной раздробление

стью пород разреза дизъюнктивными дислокациями, вмещающими дайки долеритов. Причем, чем выше плотность нарушений, тем в большей степени дифференцировано наблюденное поле. Отдельные зоны разрывов отмечаются различной интенсивности локальными минимумами или максимумами в зависимости от наличия в них интрузивных образований.

Практический интерес, с точки зрения картирования разрывных нарушений, представляет характер изменения величины дисперсии наблюденных значений градиента вдоль профиля (ОБ). Максимумы ОБ обычно совпадают с долгоживущими разломами, активизированными на современном этапе. В распределении этого параметра вдоль профиля I выделяется несколько зон его повышенной интенсивности. Первая совпадает с Улу-Тагинской зоной разломов, величина ОБ здесь достигает (1 0-;-3 0)-1 О"3 делений гравиметра. Вторая зона - с ОБ (10+20)-10"3 дел. совпадает с Чуоналтырской зоной разломов. Третья, самая интенсивная, с ОБ (10^40)-10"3 дел., отвечает зоне ограниченной Западной и Центральной разломными структурами, а в геологическом отношении характеризуется наибольшими амплитудами смещения подошвы хормолокской свиты. Значительной интенсивностью дисперсии - до 40-10'3 дел. фиксируется зона Параллельного разлома, который контролирует трубки Мир и Дачная.

Необходимо отметить, что выявленная связь среднеквадра-тического отклонения с разломными зонами может иметь и другое важное значение. Очевидно, что интенсивность дисперсии зависит от активности разломных зон. Если разломная зона является «залеченной», т. е. массив горных пород становится более или менее однородным, то такая разломная зона вряд ли проявится в дисперсии наблюдений. Следовательно, указанное свойство можно использовать для оценки тектонической активности разломов и соответственно для сейсмотектонического районирования, начиная с регионального и кончая инженерно-геологическим при строительстве промышленных и гражданских объектов.

Заключение

В результате проведенных работ:

1. Усовершенствована методика измерений неприливных вариаций вертикального градиента силы тяжести и разработана методика обработки наблюденных вариаций градиента, позволившие выявить и охарактеризовать основные периоды вариаций градиента.

2. Обнаружены новые закономерности изменения вариаций во времени. В частности выявлена зона аномальных изменений вертикального градиента и их связь с землетрясениями. Выявле-

ны новые долговременные периоды вариаций и обнаружена их возможная зависимость от положения оси вращения Земли пространстве, а также доказана реальность существования неприливных вариаций вертикального градиента.

3. Доказана связь собственных колебаний Земли с неприливными вариациями вертикального градиента, для чего был проведен уникальный эксперимент по синхронному измерению вариаций в г. Мирном (Якутия) и в г. Воронеже

4. Намечены пути практического использования неприливных вариаций в геологоразведочном деле. На примере наблюдений над разломными зонами был установлен критерий определения динамической активности земной коры. В качестве критерия оценки взято среднеквадратическое отклонение единичного измерения градиента. По указанному критерию можно проводить тектоническое и сейсмотектоническое районирование.

5. Установлено, что неприливные вариации начинаются задолго до землетрясений, что позволяет высказать предположение, что источником собственных колебаний Земли являются не землетрясения, а наоборот, собственные колебания являются спусковым механизмом для землетрясений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Результаты синхронных наблюдений за изменением вертикального градиента в Якутии и на Воронежском массиве // Вестн. ВГУ. Сер. геол. - 1996. - № 2. - С. 182-186. (соавторы Антонов Ю.В., Слюсарев C.B.)

2. Неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести П Геофизика. - 1997. - №1. - С. 41-45. (соавторы Антонов Ю.В., Слюсарев C.B.)

3. Вертикальный градиент силы тяжести и собственные колебания Земли // Вестн. ВГУ. Сер. геол. - 1997. - JVa 3. - С. 144147. (соавтор Слюсарев C.B.)

4. Временные изменения вертикального градиента силы тяжести // Вестн. ВГУ. Сер. геол. - 1996. - № 3. - С. 194-195.

5. Экспериментальные измерения приращений силы тяжести над телами правильной формы // Тезисы докладов международной конференции. Воронежский госуниверситет. - 1996. - С.

112-113. (соавторы Антонов Ю.В., Слюсарев C.B., Жаворонкин

Заказ № 55"<5 от iÛ.Yj. 1998 г. Tua. 1ÛO экз. Лаборатория оперативной полиграфии ВГУ

В.И.)