Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести

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

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Чирков, Владислав Николаевич, Воронеж

Воронежский государственный университет

На правах рукописи

Чирков Владислав Николаевич

Неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести

Специальность 04.00.12 , геофизические методы поисков и разведки месторождений

полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Антонов Ю.В.

Воронеж 1998

Содержание

стр.

Введение ..........................................................................4

Глава 1. Современное состояние изученности вертикального градиента силы тяжести и собственных колебаний Земли............................................................. 10

1.1. Нормальный вертикальный градиент.......................... 10

1.2. Измерение вертикального градиента силы

тяжести.......................................................................... 13

1.3. Собственные колебания Земли................................... 15

Глава 2. Временные изменения вертикального градиента силы тяжести...................................................................22

2.1. Методика наблюдений...............................................22

2.2. Методика обработки.................................................26

2.3. Результаты измерений вариаций

вертикального градиента силы тяжести............................36

Глава 3. Связь вариаций градиента и собственных

колебаний Земли.............................................................65

Глава 4. О возможности использования вариаций в прогнозе динамической активности земной коры..............70

4.1. Анализ короткопериодных вариаций градиента..........70

4.2. Практические примеры использования вариаций вертикального градиента.................................................74

4.3. Геологическое строение Мирненского

кимберлитового поля.......................................................78

4.4. Результаты региональных измерений

вертикального градиента силы тяжести............................79

Глава 5. Возможные причины вариаций

вертикального градиента.................................................86

Заключение.....................................................................90

Список литературы .........................................................92

Введение

В последние десятилетия все больший интерес вызывают естественные вариации геопотенциальных полей, которые позволяют изучать внутреннее строение Земли вплоть до ядра. С появлением высокоточной измерительной аппаратуры наряду с сейсмическими и электромагнитными методами исследований значительное место в изучении Земли в целом 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 в основном изучались лунносолнечные вариации силы тяжести. В целом была создана более или менее, приемлемая модель для расчета таких вариаций, хотя полной согласованности между наблюдаемыми вариациями и расчетными не было. Позже начали наблюдать неприливные вариации силы тяжести, которые связаны с землетрясениями и которые позволили выявить собственные колебания Земли. В самое последнее время исследованиями на кафедре геофизики Воронежского государственного университета были обнаружены неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести. На первый взгляд неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести 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.

Поэтому было решено изучить неприливные вариации вер-

тикального градиента силы тяжести, определить основные периоды изменения вариаций, их спектральные характеристики и обосновать их возможное использование в изучении внутренней структуры Земли и земной коры. Это собственно и было основной целью диссертации. Более конкретно задачи диссертации можно сформулировать следующим образом:

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

2. Установить 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.

Решение поставленных задач проводилось с помощью проведения долговременных наблюдений вариаций вертикального градиента, выборе специальных приемов обработки для получения из данных наблюдений сведений о характере вариаций и объяснения возможных причин их появления. В диссертации защищаются следующие основные положения:

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

2. Обнаружены новые закономерности вариаций вертикального градиента: выявлены долговременные и сверхдолговременные периоды неприливных вариаций и установлена связь вариаций с землетрясениями

3. Установлена связь между собственными колебаниями Земли и неприливными вариациями вертикального градиента, а также намечены пути практического использования данных ва-

риаций

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на страницах и рисунках. В первой главе "Современное состояние изучения вертикального градиента силы тяжести и собственных колебаний Земли" рассматривается вопрос о вычислении нормального вертикального градиента и его изменении в зависимости от координат точки наблюдения. В данной главе также приводятся результаты предшествующих исследований вертикального градиента силы тяжести. Кроме этого в первой главе говорится о собственных колебаниях Земли, их разновидностях и истории их изучения.

Во второй главе "Временные изменения вертикального градиента силы тяжести" изложены методика наблюдений и обработки, а также представлены результаты проведенных исследований временных изменений вертикального градиента силы тяжести.

Измерения вертикального градиента проводились в одно и тоже время в течение полутора лет с помощью гравиметра путем измерения силы тяжести на двух высотах. Приращение силы тяжести между высотами измерения определялись с учетом линейности сползания нуль - пункта, так как между замерами проходило не более 1-3 минут. Определить погрешность единичного наблюдения не удалось, так как не было возможности разделить неприливные вариации вертикального градиента и погрешности измерения. В целом среднеквадратическая амплитуда вариаций составила ±20Е, что соответствует реальным полевым измерениям. По теоретическим расчетам точность измерения на часовом интервале не превышает ±ЗЕ, что на 2-3 порядка меньше амплитуды вариаций.

Обработка наблюдений проводилась с помощью методов осреднения, путем вычисления периодограмм и спектров. Были построены временные ряды изменения вариаций вертикального градиента, а затем они были обработаны с различным шагом осреднения. В результате обработки установлены зональные изменения вариаций градиента. Доказано существование вариаций путем синхронных наблюдений двумя гравиметрами и указано на возможную связь между вариациями градиента и землетрясениями. Определены основные периоды колебаний. Отмечаются как сравнительно непродолжительные периоды колебаний, которые можно связать с периодами собственных колебаний Земли, а также длиннопериодные длительностью в месяц и более, природа которых пока не известна.

В третьей главе "Связь вариаций градиента и собственных колебаний Земли" приводятся результаты синхронных наблюдений вариаций вертикального градиента в гг. Воронеже и Мирном (Якутия) с целью доказательства связи вариаций градиента и собственных колебаний Земли. В 1996 году в мае - июне в г. Воронеже и г. Мирном (Саха - Якутия) синхронно измерялись вариации вертикального градиента. Кривые изменения градиента в обоих пунктах полностью совпали по форме без сдвига по фазе. Такое совпадение вариаций на столь больших расстояниях возможно только в случае, если источник генерирования вариаций Угг находится в ядре Земли. Причем периоды вариаций вертикального градиента совпали с периодами собственных колебаний Земли, что свидетельствует о тесной связи собственных колебаний Земли и неприливных вариаций градиента.

Четвертая глава "О возможности использования вариаций в прогнозе динамической активности земной коры" содержит в се-

бе результаты исследований, которые были направлены на изучение возможности использования вариаций вертикального градиента в прогнозе динамической активности земной коры. Для этого были проведены специальные измерения вариаций вертикального градиента силы тяжести в двух пунктах, расположенных друг от друга на расстоянии 25 км. Один из пунктов располагается в зоне Лосевско - Мамонского разлома. Данные измерения были обработаны и определены наиболее значимые периоды вариаций, а потом было проведено сравнение с периодами вариаций силы тяжести, измеренные в Калифорнийском университете Лос-Анжелеса после Чилийского землетрясения в 1960г. Периоды вариаций практически полностью совпадают с полученными периодами в Калифорнии, а также с теоретическими расчетами на моделях Буллена и Гутенберга. Однако, начиная с границы, кора-мантия в спектре, полученном для Воронежа появляются периоды отличные от калифорнийских периодов. Это позволяет сделать вывод о различном геологическом строении верхней части земной коры, что известно давно по обычным геологическим данным.

Было установлено, что в дни сейсмической активности появляется много дополнительных короткопериодных периодов, в то время как основные периоды выделяются на протяжении всего времени измерений. Подчеркнем, что дополнительные периоды практически все короткопериодные, что связывается с самыми верхними слоями земной коры, их нарушенностью в структурном и вещественном отношении. Причем дополнительные периоды появляются в основном в зоне Лосевско-Мамонского разлома. Перечисленные обстоятельства позволили выдвинуть предположение об использовании вариаций градиента для изучения дина-

мической активности разломных зон. С этой целью были проанализированы измерения вертикального градиента над Ботуобин-ской алмазоносной трубкой и над одним из региональных профилей в Мирненском алмазоносном районе. В качестве критерия оценки было использовано среднеквадратическое отклонение единичного измерения. Оказалось, что все разломные зоны отмечаются повышенной погрешностью измерения.

В конце главы делается вывод о возможном применении вариаций градиента для изучения динамической активности земной коры и сейсмотектонического районирования.

В пятой главе "Возможные причины вариаций вертикального градиента" обсуждаются причины, которые могут вызывать вариации вертикального градиента. Делается предположение, что собственные колебания Земли являются причиной или спусковым механизмом для землетрясений.

В заключении говорится о результатах, которые были достигнуты в процессе написания диссертации.

Для написания диссертации автором были использованы полуторагодичные измерения неприливных вариаций вертикального градиента и литературные данные по собственным колебаниям Земли, и частично литературные данные по измерению вертикального градиента силы тяжести на кафедре геофизики. Для сравнительного анализа наблюдений в диссертации использован временной ряд наблюдений, полученный доц. Слюсаревым, с его разрешения. Автор благодарит всех сотрудников кафедры геофизики, помогавших при выполнении научных исследований.

>

10

Глава 1

Современное состояние изученности вертикального градиента силы тяжести и собственных колебаний Земли

1.1. Нормальный вертикальный градиент

Рассмотрим вопрос о вычислении значений нормальной силы тяжести, в какой - либо точке уровенной поверхности нормального потенциала. Высоты точек над поверхностью уровенно-го эллипсоида, отложенные по нормали к его поверхности, называются геодезическими высотами. Допустим, что требуется вычислить значение нормальной силы тяжести в точке, геодезическая высота Н которой известна. Считая, что высота Н по сравнению с большой полуосью эллипсоида является малой величиной порядка квадрата сжатия, можно воспользоваться разложением величины § в ряд Тейлора по аргументу Н, ограничиваясь первыми членами разложения

-«•■с-1-1'

где п - направление внешней нормали.

Введя обозначения

получим

ё=ё0-к1Н+к2Н2 , (1.1.3)

Ввиду малости коэффициента к2 вторым поправочным членом в большинстве случаев можно пренебречь. Численное значение этого коэффициента равно 0,0723 мГал/км, что равнозначно 0,7 этвеш.

Величина — называется вертикальным градиентом нор-dn

мальной силы тяжести, она характеризует изменение нормальной

силы тяжести по высоте.

„ dg Вычислим величину вертикального градиента — в точке,

dn

находящейся на самом эллипсоиде. Расположим оси координат следующим образом: ось z совместим с направлением нормальной силы тяжести, ось х направим по касательной к меридиану на север, а ось у по касательной к параллели на восток. Кривизны уровенной поверхности в этой точке по осям х и у обозначим через рх и ру Тогда рх и ру следует рассматривать в качестве радиусов кривизны меридиана М и первого вертикала N эллипсоида. Согласно обозначениям, принятым в высшей геодезии,

з

рх = М = а(1 - е2)/(1 - е2 sin2 р)2,

Рх ^ з W (1-1.4)

ру =N = a/(l-e2sin2p)2, где е - эксцентриситет эллипсоида, а - полуось эллипсоида. После этого формулу для второй производной потенциала силы тяжести можно записать в виде

Sg Sg S2U 1 1 2 /11^

= ==-go(— + — )-2та , (1.1.5)

5n 5z 5z М N

где га - угловая скорость вращения Земли.

После подстановки значений М и N получим

^ = -8°(2-е2-е22^2р)^1-е28шар-2шг, (1.1.6)

5п а(1-е )

Если только удерживать члены порядка е2, то

= lo (2 + е2 - е2 sin2 (3)(1 - 0,5е2 sin2 р) - 2та2 = g0 [(2 + е2 - 2е2 sin2 р) - 2та21/ а (1.1.7 ) 8п а

Выразим с той же степенью приближения эксцентриситет

2 2 2 через сжатие: е =2а, га - через величину q=ra a/ge, и учитывая,

что go=ge(l + P2sin р-(31 sin 2Р), удерживая малые первого порядка, получим

g0=ge[l+(2q/5 - a)sin2|3],

(1.1.8)

где (3 - относительный избыток силы тяжести на полюсе по сравнению с экватором; р = ^ + а - коэффициент сжатия эл-

липсоида; ge - значение силы тяжести на экваторе. Тогда

6п

"2g<

1 + а - q - (За - ~)sin2 Р

/а.

(1.1.9)

Или, после подстановки зт2[3 = (1- со82(3)/2, в более удобной форме

5Я

§g = 2ge (1 а j 9q 5n a 2 4

За-:

1 +

2(1 - — + — 2 4

(1.1.10)

^ = -0,30855(1 + 0,00071 eos 2р) мГ a л / м, 8п

где - q=in a/ge отношение центробежной силы на экваторе к силе тяжести на экваторе.

Подставив численные значения величин, входящих в полученное выражение, получим

(1.1.11)

Вертикальный градиент слабо зависит от широты и от полюса до экватора изменяется всего на 6 этвеш, что сопоставимо или меньше погрешности измерений. На этот факт обратим внимание. Дело в том, что изменение силы тяжести от полюса до экватора идет примерно с градиентом 0,8 мГал/км, и это изменение должно быть учтено при обработке наблюдений силы тяжести в редукции Буге. Наоборот, для вертикального градиента учет изменения нормального градиента для любой широты не нужен.

Как уже отмечалось выше градиент не зависит от высоты

над уровнем моря. Таким образом, любые пространственные изменения градиента должны определятся другими причинами, которые будут рассмотрены ниже.

1.2. Измерение вертикального градиента силы тяжести.

В данной главе попытаемся дать анализ современных исследований по изучению вертикального градиента силы тяжести и его неприливных вариаций, которые на сегодня установлены достаточно надежно. Вместе с проблемой вертикального градиента в этой главе, забегая несколько вперед, будет рассмотрена и проблема собственных колебаний Земли. Это объясняется тем, что собственные колебания Земли тесно связаны с вариациями градиента.

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. В первую очередь из-за того, что нельзя было по техническим причинам изготовить вертикальный градиентометр по типу вариометра Этвеша. Такой прибор не изготовлен до сих пор. Все попытки по его созданию заканчивались неудачей. Поэтому единственным путем измерения вертикального градиента оставался путь измерения силы тяжести на двух высотах с очень высокой точностью, а высокоточных гравиметров до середины нынешнего века не существовало. Оставался единственный способ повышения точности измерений градиента: увеличение разности высот.

Первые зарубежные измерения вертикального градиента бы-

ли проведены 3. Хаммером на высотных зданиях Нью-Йорка, Вашингтона и Питсбурга [55]. Как ни странно, но во всех этих пунктах измеренные значения градиента практически совпали с теоретиче