Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Особенности глубинного строения северной части Балтийского щита по данным обменных волн от землетрясений и искусственных сейсмических источников возбуждения

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Особенности глубинного строения северной части Балтийского щита по данным обменных волн от землетрясений и искусственных сейсмических источников возбуждения"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КРУПНОВА НАТАЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ОСОБЕННОСТИ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО ЩИТА ПО ДАННЫМ ОБМЕННЫХ ВОЛН ОТ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ И ИСКУССТВЕННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Специальность 25.00.10 - ГЕОФИЗИКА, ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2006 г.

Работа выполнена на кафедре физики Земли Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель: доктор фи-шко-математических наук Каштан Борис Маркович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минерал огичегких наук Павленкин Анатолий Дмитриевич

кандидат физико-математических наук Рослов Юрий Викторович

Ведущая организация: ФГУ НПП «Геологоразведка», Санкт-Петербург

Защита состоится «_» _ 2006 г. в 15 часов на заседании Диссер-

тапионного совета Д 212.232.19 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора паук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, СПб , Университетская набережная, 7/9, Геологический факультет (здание бывшего НИФИ), ауд. 347.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им \Т. Горького в СПбГУ по тому же адресу.

Автореферат разослан «_» _ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. А. Шапгканов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Настоящая работа посвящена изучению глубинного строения земной коры северной части Балтийского щита (Печенгско-Аллареченский район). Исследуемый район располагается на Кольском полуострове на северо-западе Мурманской области Российской Федерации. Это промышленно развитый район, где производится разработка месторождений медно-никелевых руд, которые совместно с месторождениями Норильского района являются основным источником добычи никеля в России. На сегодняшний день практически все месторождения, расположенные близко к поверхности земли, уже открыты и разрабатываются.

Актуальность диссертации определяется необходимостью расширения минераге-нических перспектив Печенгско-Аллареченского района и разработки современных представлений о его глубинном строении.

Геофизические исследования на территории Печенгско-Аллареченского района проводятся с 1958 г. и включают обширный комплекс методов. В хода разведочных и научно-исследовательских работ, в частности сейсмическими методами, накоплена огромная геолого-геофизическая информация по строению и истории района. Однако необходимо отметить, что для такого длительного периода сейсмических исследований закономерна несопоставимость отдельных результатов работ, обусловленная рядом принципиальных причин. Каждый из используемых методов по-своему освещает неоднородности земной коры. При этом не существует достаточной ясности в вопросах природы сейсмических волн и характере сейсмических границ в сложнопостроен-ных средах, подобных Балтийскому щиту. В результате региональных профильных исследований информация о строении земной коры представлена в виде двумерных разрезов. В то же время при сложной тектонике региона трехмерные модели среды могут дополнить и расширить имеющуюся информацию, в частности, позволят проследить изменение по площади скоростных особенностей, выявленных при бурении СГ-3. Имеющийся к настоящему времени огромный сейсмический материал по Балтийскому щиту, достижения в методике анализа волновых полей, использование современной вычислительной техники для обработки сейсмических данных позволяют провести обобщение и дать обоснованную интерпретацию материала на качественно новом уровне с целью разработки современных представлений о строении земной

коры иегиона. ИОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

коры региона. БИБЛИОТЕКА

С.-Петербург

ОЭ гоо^акт^о^.

Цель и задачи работы

Целью работы являлось получение новых сведений об особенностях глубинного строения земной коры северной части Балтийского щита по данным обменных волн от землетрясений и искусственных сейсмических источников возбуждения.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Систематизация данных взрывной сейсмологии (времена первых вступлений продольных волн).

2. Анализ полученных данных методом лучевой сейсмической томографии. Построение трехмерной скоростной модели региона.

3. Построение сейсмотомографического (СТ) разреза по профилю Приречный-Печенга-Лиинахамари (профиль Ш).

4. Создание единой базы данных метода обменных волн от землетрясений (МОВЗ).

5. Переобработка и переинтерпретация сейсмических материалов, полученных на разных этапах исследований МОВЗ.

6. Построение уточненного глубинного разреза по профилю Ш.

7. Сопоставление полученных разрезов по профилю Ш и построение сводного разреза МОВЗ-СТ.

Исходный материал

В настоящей работе для сейсмотомографического анализа использованы материалы взрывной сейсмологии, полученные по данному региону на длинных профилях Печенга-Ловно, Никель-Умбозеро, Полар, Кварц, 1-ЕВ, АР-1 и при регистрации крупных взрывов сетью сейсмологических станций. Сигналы зарегистрированы на удалениях 5-250 км от пунктов взрыва.

Также в настоящей работе собраны в общую базу и совместно проанализировав ны данные, полученные на разных этапах исследований МОВЗ, проведенных СЗФ «Невскгеология» в Печенгско-Аллареченском районе (за период с 1988 по 1995 гг.)

Поскольку работы МОВЗ предусматривают непрерывную регистрацию сейсмических колебаний, на записях регистрируются не только землетрясения, но и взрывы различного генезиса (промышленные взрывы в карьерах горнообогатительных комбинатов, специальные взрывы), сигналы пневмоизлучателей. Зарегистрирован-

ные взрывы включены в общую базу данных для томографического анализа, что повысило его детальность.

Научная новизна работы

В процессе исследований и подготовки настоящей работы собран и обработан огромный материал уникальных по своей детальности наблюдений взрывной сейсмологии.

Новый этап интерпретации материалов связан с переходом к трехмерному изучению среды методом сейсмической томографии. По результатам томографического анализа получена трехмерная модель среды, отображающая детальное распределение скоростных неоднородностей в земной коре исследуемого региона.

В ходе работы впервые создана единая база данных метода обменных волн от землетрясений для Печенгско-Аллареченского района.

Для анализа обменных волн от землетрясений усовершенствован пакет обрабатывающих программ. В частности, автоматизированы этапы построения временного разреза, вычисления эпицентраяьных расстояний, азимутов и углов выхода обменных волн.

Практическая ценность

Следует особо отметить самостоятельную значимость собранной базы данных взрывной сейсмологии, она может быть свободно адаптирована для любых последующих методических приемов обработки и интерпретации.

Разработанный пакет программ для анализа обменных волн от землетрясений значительно ускоряет, упрощает обработку данных и может быть использован при дальнейших исследованиях МОВЗ.

В результате проведенного исследования выделены тектонические структуры, определены новые сейсмогесшогические признаки перспективности площадей Печенгско-Аллареченского рудного района.

Апробация работы

Основные результаты исследований, представленных в работе, докладывались на —Четвертых геофизических чтениях им. В. В. Федынского (Москва, 2002 г.), — Международной конференции «Наука о земле и образование: задачи, проблемы,

перспективы» (Санкт-Петербург, 2002 г.),

— 4-й Международной конференции «Проблемы геокосмоса» (Санкт-Петербург, 2002г.),

— 8-й Международной конференции «Глубинное строение и геодинамика Фенноскан-дии, окраинных и внутриплатформенных транзитных зон» (Петрозаводск, 2002 г.), а также на семинарах лаборатории динамики упругих сред кафедры физики Земли физического факультета СПбГУ и на заседании кафедры геофизики геологического факультета СПбГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ (2 статьи и 5 публикаций в виде тезисов докладов).

Защищаемые положения

1. Построенная по данным о временах пробега продольных волн детальная трехмерная скоростная модель Печенгско-Аллареченского района подтверждает наличие на глубине 8-12 км инверсии скорости Р-волн (зоны волновода) и позволяет проследить ее положение в пространстве. Выделена область повышения скорости продольных волн до 7 км/с на глубине 20-25 км под Печенгской структурой.

2. В результате анализа единой базы данных МОВЗ для Печенгско-Аллареченского района уточнена 1лубина границы Мохоровичича под Печенгской структурой — 3536 км, при уровне 37-40 км в обрамляющих структурах.

3. Сопоставление сейсмотомографического и глубинного разрезов по профилю Приречный-Печенга-Лиинахамари позволило установить связь тектонических зон, контролирующих рудные узлы Печенгского рудного поля, с нижнекоровой высокоскоростной аномалией. По аналогии глубинного строения площадь, расположенная на северо-востоке Печенгско-Аллареченского района может рассматриваться как ру-доперспективная.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы — 73 страницы машинописного текста, включая 21 рисунок и библиографию из 51 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования. Кратко изложены структура и содержание работы, дается характеристика научной новизны и практической ценности полученных результатов.

В главе 1 представлен обзор исследований, имеющих отношение к настоящей работе. Кратко рассмотрено геотектоническое районирование восточной части Балтийского щита. Ввиду того, что целью работы являлось получение новых сведений о строении литосферы региона по сейсмическим данным, в обзоре показана изученность северо-восточной части Балтийского щита сейсмическими методами, приводятся имеющиеся к настоящему времени сведения о строении земной коры региона.

В результате исследований методом глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) получены сведения о скоростной характеристике земной коры и рельефе поверхности Мохоровичича. Данные метода обменных волн от землетрясений (МОВЗ) позволили исследовать блоковую структуру земной коры, выделить зоны разломов и тектонических нарушений. Сложные структуры верхней части коры изучены методом обменных волн (MOB) и его модификацией — методом общей глубинной точки (МОГТ). Бурение на территории Печенгско-Аллареченского района сверхглубокой скважины СГ-3 предоставило исключительную возможность определить реальный состав и сейсмические характеристики среды до глубины 12 км, в том числе выделить зону пониженных скоростей на глубинах порядка 6-9 км. В районе СГ-3 выполнены скважинные наблюдения методами вертикального сейсмического профилирования (ВСП), акустического каротажа (АК), детальные профильные и площадные наблюдения МОГТ, МОВЗ.

Указывается, что согласно накопленной сейсмической информации и данным сверхглубокого бурения земная кора здесь имеет весьма сложное строение. Интерпретация материалов глубинных сейсмических исследований отличается значительной неоднозначностью в связи со сложной структурой литосферы.

Определена необходимость уточнения глубинного строения путем обобщения имеющихся сейсмических данных (времена первых вступлений продольных волн) и их томографического анализа. На рис. 1 приведена схема гео!рафического положения района исследований, обозначена линия профиля Приречный-Печенга-Лиинахама-ри, по которому в работе выполнено сопоставление скоростного разреза с глубинным разрезом МОВЗ.

29' 30' 31' 32" 33'

В| Иг Из

Рис. 1 Географическое положение района исследований 1 — границы исследуемого региона; 2 — линия профиля Приречный-Лиинахамари (профиль 1П); 3 — положение скважины СГ-3.

Глава 2 посвящена описанию методов анализа сейсмических данных, применяемых в настоящей работе. В первой части главы рассмотрены основы методики томографической инверсии. Метод лучевой сейсмической томографии позволяет получить трехмерную скоростную модель среды (поправки к априорной скоростной модели), используя данные о временах первых вступлений продольных волн от близких источников.

Обработка данных выполнялась с помощью пакета программ ПЛвТОМО- Решение задачи лучевой томографии в алгоритме И^ТОМО описало во второй части главы 2. Томографическая обработка разбивается на два этапа — решение прямой и обратной задач. Решение прямой задачи состоит в расчете траекторий и времени пробега волн между источниками и приемниками д ля некоторой опорной скоростной модели. При решении обратной задачи невязки между теоретическими и наблюден-

ными временами пробега, используются для расчета поправок к опорной скоростной модели.

Начальная скоростная модель среды, задаваемая на первом этапе, может быть определена как одно-, двух- или трехмерная. Под одномерной моделью подразумевав ется определение скорости как функции глубины, заданной практически на неограниченном количестве горизонтальных слоев. Скорость в каждом слое может быть постоянной, иметь положительный или отрицательный градиент. В двух- или трехмерном случае скорость определяется на плоской или объемной сетке таким образом, что ее значение в каждой ячейке сетки считается постоянным.

Методика лучевого трассирования также зависит от типа опорной среды. В случае одномерной скоростной модели расчет лучевых траекторий производится методом пристрелки, а в двух- или трехмерном случаях для этой цели используется метод расчета волновых фронтов.

Для решения обратной задачи заданная область разбивается на ячейки (прямоугольные блоки) с фиксированными значениями скорости. Поправки к исходной скоростной модели, постоянные в каждом блоке, оцениваются по невязкам времен пробега. Для обеспечения единственности решения на него в алгоритме накладывается ограничение — вводится допущение о наибольшей простоте или максимальной гладкости решения.

В третьей части главы 2 рассматривается метод обменных волн от землетрясений (МОВЗ). Метод основан на регистрации и последующей интерпретации проходящих обменных волн типа РЭ, т. е. волн, сменивших тип Р на тип Э на границах раздела в области выхода продольных волн от удаленных землетрясений и регистрируемых как поперечные (на горизонтальных компонентах записи) сразу же после первых волн Р.

Сформулированы основные критерии выделения обменных валн на сейсмограмме. Описана методика наблюдения и интерпретации данных МОВЗ. Основные этапы интерпретации проходящих волн РБ заключаются в выделении и корреляции волн Р и РЭ, построении временного разреза (разность времен прихода AtpS^p к станциям записи волн РЭ и Р вдоль линии профиля), определении скоростных параметров среды, необходимых для трансформации временного разреза в глубинный, вычислении глубин до границ обмена и сейсмических сносов, построении глубинных разрезов.

В четвертой части главы 2 подробно рассмотрена методика обработки данных МОВЗ, которая применялась в работе над диссертацией.

Так как основной объем полевых материалов представлен в аналоговом виде, выделение и снятие времен вступлений прямых и обменных волн проводилось интерпретаторами вручную. В результате выделения обменных волн составлена таблица, где указаны номер землетрясения, номер пункта наблюдения и соответствующее значение (\tps-p-

Информативные землетрясения, принятые в обработку, идентифицируются по сейсмическим каталогам, определяются координаты эпицентра и глубина очага.

Дальнейшие этапы обработки данных МОВЗ автоматизированы. Этапы, представленные на рис. 2, объединены в единый блок, что упрощает обработку данных, позволяет быстро пересчитывать координаты точек обмена на профиле. Результаты вычислений представляются в виде таблиц для построений с помощью графических программ и дальнейшей интерпретации.

Также дается оценка разрешающей способности и точности метода обменных волн от землетрясений.

Принципиальные преимущества использования проходящих обменных волн от далеких землетрясений для изучения строения земной коры состоят в том, что волны этого типа распространяются по направлениям, близким к вертикали (углы падения проходящей волны Р на границу обмена составляют примерно 10-15"), и, следовательно, на результаты построений горизонтальные неоднородности влияют меньше, чем, например, при ГСЗ. Довольно простая методика работ — использование естественных землетрясений — исключает необходимость проведения бурения и взрывов. Применение автономных станций позволяет проводить работы как в труднодоступных, так и в хорошо освоенных районах.

При исследованиях МОВЗ, как правило, прослеживается большее число границ раздела, чем при ГСЗ. Количество границ и их морфология в отдельных блоках служат дополнительными параметрами для дифференциации блоков земной коры. Использование при работах МОВЗ землетрясений различных эпицентральных зон позволяет освещать строение среды даже при профильных наблюдениях не только в плоскости разреза, но и в пределах расширяющегося книзу конуса.

Принципиальные недостатки метода связаны с тем, что получаемые данные не позволяют определять скоростную характеристику среды и какие-либо физические параметры выделяемых границ раздела, как это возможно при работах ГСЗ. Для преодоления отмеченных недостатков необходимо комплектировать наблюдения МОВЗ

Ю

Рис. 2. Блок-схема этапов автоматической обработки материалов МОВЗ.

с другими сейсмическими работами (ГСЗ, КМПВ, ВСП, изучением местных землетрясений в активных районах или попутных промышленных взрывов в освоенных горнорудных районах).

Глава 3 содержит описание исходных данных, основных этапов обработки материала, а также полученные результаты.

В первой части главы подробно описаны этапы сейсмотомографического анализа. Приведена характеристика используемого сейсмического материала, результаты обработки и окончательные построения. Собранная база сейсмических данных за 1958-1996 гг., используемая для томографической обработки, содержит 4400 лучей продольных волн, неравномерно пересекающих площадь около 48400 км2. На рис 3 представлена лучевая схема, характеризующая наличие сейсмического материала, пригодного для трехмерной томографической обработки (расположение источников и приемников, схема хода лучей — проекция в горизонтальной плоскости). На рис. 3 хорошо видно, что для исследуемой площади (Печенгско-Аллареченский район) плотность лучей во всех направлениях очень высока.

Размеры блоков, на которые разбивалась среда, составили 5x5x5 км. Глубина исследования — до 40 км. Результаты проведенного анализа представлены в виде карт-срезов на различных глубинах и разреза по профилю Првречный-Печенга-Лиинах&мари.

Во второй части главы 3 проанализирована единая база данных по обменным волнам от землетрясений, описаны основные этапы и результаты обработки МОВЗ.

В результате обработки данных МОВЗ построен уточненный глубинный сейсмический разрез по профилю Приречный-Печенга-Линахамари. На разрезе выделены границы обменов в земной коре; мощность земной коры составляет примерно 37-39 км. В центральной части профиля, соответствующей положению Печенгского рудного поля, наблюдается уменьшение мощности коры до 35-36 км По количеству и пространственному положению границ обмена выделены блоки земной коры, отличающиеся друг от друга своим глубинным строением. С учетом дифференциации земной коры на блоки, а также особенностей волновых полей на разрезе выделены зоны тектонических нарушений (зоны разломов).

В третьей части главы 3 проведено сопоставление двух разноволновых глубинных разрезов земной коры по единому профилю — разреза, полученного с помощью томографической обработки данных, и глубинного разреза МОВЗ (рис. 4).

Рис. 3. Схема хода лучей Р-волн, используемых при томографическом анализе 1 — источники; 2 — приемники; 3 — лучевые проекции в горизонтальной плоскости; 4 — границы исследуемого региона.

В2 Шз Ша ш5

Рис. 4. Сопоставление сейсмотомографического разреза по профилю Приречный-Линнахамари с глубинным разрезом МОВЗ.

1 - точки наблюдений МОВЗ и их номера; 2 - границы, выделенные по обменным волнам ; 3 — граница Мохоровичича; 4 — вн> трикоровые разломы; 5 — транскоровые разломы по данным МОВЗ.

Отмечается принципиальная согласованность областей высокого значения градиента скорости, определенных в результате томографического анализа, с выделенными по данным МОВЗ зонами тектонических нарушений. Зона волновода выделена границами раздела по данным обменных волн. Прослеживается связь зон глубинных тектонических нарушений, контролирующих рудные узлы Печенгского рудного поля, с нижнекоровой высокоскоростной аномалией. При этом положение высокоскоростных внутрикоровых аномалий соответствует участку профиля, где наблюдается уменьшение мощности земной коры. Перечисленные особенности позволяют (по аналогии глубинного строения) рассматривать площадь, расположенную на северо-востоке Печенгско-Аллареченского района, как рудоперспективную.

В заключении приведены основные результаты проведенных исследований.

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю — В. М. Каштану за внимание и помощь во время выполнения работы, а также Э. В. Исаниной (зам. главного геофизика ГГП СЗФ «Невскгеология») за предоставленные материалы и ценные консультации. Автор благодарит Н. В. Шарова (зав. лаборатории геофизики института геологии КНЦ РАН) за всестороннюю поддержку работы.

Автор глубоко признателен сотрудникам ГГП СЗФ «Невскгеология» и лаборатории динамики упругих сред СПбГУ за плодотворные научные дискуссии и советы.

Работа выполнялась при финансовой поддержке РФФИ (грант 05-08-01340).

Результаты исследования были опубликованы в следующих работах:

1. ИсанинаЭ.В., Генке А. А., КрупноваН. А., Золотое Е. Б., Шаров Н. В. Глубинное строение южного склона Фенноскандинавского щита по сейсмическим данным //Четвертые геофизические чтения им. В. В. Федынского Москва, 28 февраля — 02 марта 2002г.: Тезисы докладов. М., 2002. С. 76.

2. ИсанинаЭ.В., ГенкеА. А., КрупноваН. А., ШаровН.В. Геолого-геофизические задачи и возможности их решения методом разведочной сейсмологии MPC (МОВЗ)

//Тезисы докладов Международной конференции «Наука о земле и образование: задачи, проблемы, перспективы».Санкт-Петербург, 4-7 марта 2002г. СПб., 2002. С. 6061.

3. IsaninaE. V., KrupnovaN. A., SharovN. V. 3D crust model of Pechenga ore district. //Book of Abstracts of 4th International Conference «Problems of Geocosmos». Saint-Petersburg, 3-8 June, 2002. St.Petersburg, 2002. P. 135.

4. ИсанинаЭ.В., Казанский В. И., КрупноваН. А. и др. Глубинное строение Пе-ченгского рудного района //Тезисы докладов Восьмой Международной конференции «Глубинное строение и геодинамика Фенноскандии, окраинных и внутриплат-форменных транзитных зон». Петрозаводск, 2002. С. 112-113.

5. ИсанинаЭ.В., КрупноваН. А , ШаровН.В. Сейсмологические исследования МОВЗ на юге Карелии //Глубинное строение и сейсмичность Карельского региона и его обрамления /Отв. ред. Н.В.Шаров. Петрозаводск- Изд-во КНЦ РАН, 2004. С. 60-76.

6. SharovN. V., IsaninaE. V., KrupnovaN. A. Structure and dynamics of Southeastern Fennoscandia //Book of Abstracts of 5th International Conference «Problems of Geocosmos». Saint-Petersburg, 24-28 May, 2004. St.Petersburg, 2004. P. 31-32.

7. ШаровH. В., ИсанинаЭ. В., КрупноваН. А. Глубинное строение района бурения Кольской сверхглубокой скважины //Уральский геофизический вестник, 2005. №8. С. 68-78.

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ № 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 25.04.06 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз., Заказ № 304/с 198504, СПб, Ст. Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, тел. 428-43-00.

JMf/)

№15049

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Крупнова, Наталия Александровна

I Введение

1 Изученность глубинного строения земной коры Печенгско-Алларе-ченского района

1.1 Геотектоническое районирование северо-восточной части

Балтийского щита.

1.2 Сейсмические исследования и глубинное строение региона.

2 Теоретические основы использования различных типов волновых полей для изучения строения земной коры. Методика обработки данных

2.1 Постановка задач лучевой томографии.

2.2 Решение задачи лучевой томографии в алгоритме ПИЯТОМО.

2.3 Метод обменных волн от землетрясений.

2.4 Методика обработки данных МОВЗ.

3 Строение земной коры Печенгско-Аллареченского района по данным взрывной сейсмологии и обменных волн от землетрясений

3.1 Результаты томографической обработки. * 3.2 Результаты работ МОВЗ.

3.3 Сопоставление сейсмотомографического и глубинного разрезов по профилю Приречный-Печенга-Лиинахамари

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Особенности глубинного строения северной части Балтийского щита по данным обменных волн от землетрясений и искусственных сейсмических источников возбуждения"

На современном этапе развития науки все большее внимание уделяется изучению глубинного строения Земли. Целью данной работы является уточнение глубинного строения земной коры северной части Балтийского щита (Печенгско-Аллареченский район, рис. 1).

На сегодняшний день Печенгско-Аллареченский район является одним из наиболее изученных в геологическом и геофизическом плане. Высокая степень изученности региона обусловлена промышленным освоением месторождений медно-никелевых руд, которые совместно с месторождениями Норильского района являются основным источником добычи никеля в России.

Актуальность диссертации определяется необходимостью расширения минера-генических перспектив Печенгско-Аллареченского района, разработки современных представлений о его глубинном строении.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Систематизация данных взрывной сейсмологии (времена первых вступлений продольных волн).

2. Анализ полученных данных методом лучевой сейсмической томографии. Построение трехмерной скоростной модели региона.

3. Построение сейсмотомографического (CT) разреза по профилю Приречный-Печенга-Лиинахамари (профиль III).

4. Создание единой базы данных метода обменных волн от землетрясений (МОВЗ).

5. Переобработка и переинтерпретация сейсмических материалов, полученных на разных этапах исследований МОВЗ.

6. Построение уточненного глубинного разреза по профилю III.

7. Сопоставление полученных разрезов по профилю III и построение сводного разреза МОВЗ-СТ.

Автором диссертации выносятся на защиту следующие положения:

1. Построение поданным о временах пробега продольных волн детальной трехмерной скоростной модели региона. Положение о том, что зона инверсии скорости Р-волн (зона волновода) на глубине 8-12 км прослеживается на всей территории Печенгско-Аллареченского района. Выделена область повышения скорости продольных волн до

7 км/с на глубине 20-25 км под Печенгской структурой.

2. Аиализ единой базы данных МОВЗ для Печенгско-Аллареченского района с применением разработанного пакета программ. Положение о том, что в блоке земной коры под Печенгской структурой глубина границы Мохоровичича уменьшается до 35-36 км, при уровне 37-40 км в обрамляющих структурах.

3. Сопоставление сейсмотомографического и глубинного разрезов по профилю Приречный-Печенга-Лиинахамари. Положение о том, что по аналогии глубинного строения площадь на северо-востоке Печенгско-Аллареченского района может являться рудоперспективной.

Научная новизна работы заключается в переходе к трехмерному изучению среды методом сейсмической томографии, в результате которого получена объемная модель среды, отображающая детальное распределение скоростных неоднородностей в земной коре исследуемого региона. В ходе работы впервые создана единая база данных метода обменных волн от землетрясений для Печенгско-Аллареченского района; усовершенствован пакет обрабатывающих программ для анализа обменных волн от землетрясений.

Автор принимал участие в постановке задачи, разработке программ для анализа данных МОВЗ, анализе и обработке данных и интерпретации результатов. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.

В первой главе диссертации приводятся имеющиеся к настоящему времени сведения о строении земной коры региона. Геофизические исследования на территории Печенгско-Аллареченского района проводятся с 1958 г. и включают обширный комплекс методов. Огромная роль в изучении глубинного строения региона принадлежит сейсмическим методам. На данной территории выполнены исследования методом глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ), методом обменных волн от землетрясений (МОВЗ), методом обменных волн (MOB) и его модификацией — методом общей глубинной точки (МОГТ). Бурение на территории Печенгско-Аллареченского района сверхглубокой скважины СГ-3 предоставило исключительную возможность определить реальный состав и сейсмические характеристики среды до глубины 12 км, в том числе выделить зону пониженных скоростей на глубинах порядка 6-9 км. В районе СГ-3 выполнены скважинные наблюдения методами вертикального сейсмического профилирования (ВСП), акустического каротажа (АК), детальные профильные и площадные наблюдения МОГТ, МОВЗ.

Необходимо отметить, что для столь длительного периода сейсмических исследований закономерна несопоставимость отдельных результатов работ, вызванная разнообразием технических средств, методик полевых измерений, способов обработки и интерпретации полученных данных.

При работах ГСЗ, МОВ информация о строении земной коры получена вдоль региональных профилей путем построения двумерных разрезов. В то же время при сложной тектонике обычные профильные наблюдения недостаточны. Трехмерные модели позволяют дополнить и расширить имеющуюся информацию, в частности, проследить изменение по площади скоростных особенностей среды, выявленных при исследованиях скважины СГ-3.

Имеющийся к настоящему времени огромный сейсмический материал по Балтийскому щиту, достижения в методике анализа волновых полей, использование современной вычислительной техники для обработки сейсмических данных позволяют провести обобщение и дать обоснованную интерпретацию материала на качественно новом уровне с целью разработки современных представлений о строении земной коры региона.

Автором диссертации проведен дополнительный анализ и расширена база данных ГСЗ-МОВ-КМПВ-МОВЗ. Эти данные могут быть использованы в дальнейшем для обработки с помощью различных алгоритмов сейсмотомографического анализа. Имеющаяся база данных может быть дополнена последующей регистрацией взрывов.

Метод лучевой сейсмической томографии позволяет получить трехмерную скоростную модель среды (поправки к априорной скоростной модели), используя данные о временах первых вступлений продольных волн от близких источников. Обработка данных выполнялась с помощью пакета программ ИПБТОМО. В первых двух частях главы 2 рассмотрены основы методики томографической инверсии, описан алгоритм работы программы. В основе используемой методики лежит предположение о линейной зависимости между наблюденными данными и неизвестными параметрами среды. Среда, пересекаемая лучами, разбивается на систему прямоугольных блоков с фиксированными значениями скорости. Поправки к исходной скоростной модели, постоянные в каждом блоке, оцениваются по невязкам времен пробега.

В настоящей работе в качестве исходных данных для сейсмотомографического анализа использованы материалы взрывной сейсмологии, полученные на длинных профилях Печен га-Ловно, Никель-Умбозеро, Полар, Кварц, 1-ЕВ, АР-1 и при регистрации крупных взрывов сетью сейсмологических станций. Сигналы зарегистрированы на удалениях 5-250 км от пунктов взрыва. Также в настоящей работе проведен анализ полевых материалов МОВЗ, полученных СЗФ «Невскгеология» на территории Печенгско-Аллареченского района. Записи, полученные при наблюдениях МОВЗ, были использованы автором как для изучения глубинного строения коры с помощью обменных волн, так и для исследования скоростной структуры коры методом сейсмической томографии. Поскольку работы МОВЗ предусматривают непрерывную регистрацию сейсмических колебаний, на записях регистрируются не только землетрясения, но и взрывы различного генезиса; зарегистрированные взрывы включены в общую базу данных, что повысило детальность сейсмотомографического анализа.

По результатам томографического анализа получена трехмерная модель среды, отображающая распределение скоростных неоднородностей в земной коре исследуемого региона. Установлено наличие на глубине около 8-12 км зоны понижения скорости продольных волн на всей территории Печенгско-Аллареченского района. На глубине 20-25 км под Печенгской структурой обнаружена область повышения скорости до 7 км/с. Построен сейсмотомографический разрез по профилю Приречный-Печенга-Лиинахамари (профиль III). Характеристика используемого сейсмического материала, результаты обработки и окончательные построения приведены в первой части главы 3.

Полученный скоростной разрез по профилю Приречный-Печенга-Лиинахамари сопоставлен с глубинным сейсмологическим разрезом МОВЗ по этому же профилю.

Метод обменных волн от землетрясений основан на регистрации и последующей интерпретации проходящих обменных волн типа РБ, т. е. волн, сменивших тип Р на тип Э на границах раздела в области выхода продольных волн от удаленных землетрясений и регистрируемых на горизонтальных компонентах записи сразу же после первых волн Р. Основной целью метода является получение данных о рельефе сейсмических границ в коре и верхней мантии под сейсмической станцией. Теоретические основы метода изложены в третьей части главы 2.

В четвертой части главы 2 подробно рассмотрена методика обработки данных МОВЗ, которая применялась в работе над диссертацией. Автором диссертации усовершенствован пакет обрабатывающих программ. В частности, автоматизированы этапы построения временного разреза, вычисления эпицентральных расстояний, азимутов и углов выхода обменных волн.

Во второй части главы 3 подробно проанализирована полученная база данных, представлены основные этапы и результаты обработки методом обменных волн от землетрясений. В результате анализа обменных волн от землетрясений построен уточненный глубинный разрез по профилю III. Под Печенгской структурой выделен блок земной коры, где глубина границы Мохоровичича уменьшается до 35-36 км, при уровне 37-40 км в обрамляющих структурах.

В третьей части главы 3 проведено сопоставление двух разноволновых глубинных разрезов земной коры по единому профилю (разреза, полученного с помощью томографической обработки данных, и глубинного разреза МОВЗ). Отмечается принципиальная согласованность положения областей высокого градиента скорости, определенных в результате томографического анализа, с выделенными по данным МОВЗ зонами тектонических нарушений. Границы области пониженных значений скорости продольных волн на глубине 8-12 км согласуются с границами раздела по данным обменных волн. Прослеживается связь тектонических зон, контролирующих рудные узлы Печенгского рудного поля, с иижнекоровой высокоскоростной аномалией.

В заключении делаются выводы по проделанной работе. Оценивается геологическая эффективность проведения многоволновых сейсмических исследований, позволивших расширить представления о минерагеническом потенциале Печенгско-Алла-реченского рудного узла и уточнить местоположение площадей для последующего проведения поисково-разведочных работ.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Крупнова, Наталия Александровна

Заключение

В результате проведенного исследования систематизированы данные взрывной сейсмологии по северо-восточной части Балтийского щита. Собранная база данных содержит 4400 лучей (координаты источников и приемников, времена пробега продольных волн). Выполнен томографический анализ имеющихся данных, впервые построена трехмерная детальная скоростная модель земной коры региона.

Собраны в единую базу данные по обменным волнам от землетрясений, полученные на территории Печенгско-Аллареченского рудного района за период с 1988 по 1995 гг. Для обработки данных МОВЗ усовершенствован пакет обрабатывающих программ, в пакет включены этапы построения временного разреза, вычисления эпицен-тральных расстояний, азимутов и углов выхода обменных волн. Построен уточненный глубинный разрез по профилю Приречный-Лиинахамари. На разрезе выделены блоки земной коры и зоны тектонических нарушений.

Проведено сопоставление сейсмотомографического разреза и глубинного разреза по данным МОВЗ по профилю Приречный-Лиинахамари.

Таким образом, автором решены все поставленные в работе задачи.

Проведенными исследованиями обоснованы защищаемые положения:

1. Построенная трехмерная скоростная модель Печенгско-Аллареченского района позволила проследить в пространстве положение зоны инверсии скорости Р-волн (зоны волновода) на глубине 8-12 км. Выделена область повышения скорости продольных волн до 7 км/с на глубине 20-25 км под Печенгской структурой.

2. В результате анализа единой базы данных МОВЗ под Печенгской структурой выделен блок с пониженной мощностью земной коры, где глубина границы Мохоро-вичича уменьшается до 35-36 км, при уровне 37-40 км в обрамляющих структурах.

3. Сопоставление сейсмотомографического и глубинного разрезов по профилю Приречный-Печенга-Лиинахамари позволило установить связь тектонических зон, контролирующих рудные узлы Печенгского рудного поля, с нижнекоровой высокоскоростной аномалией. По аналогии глубинного строения площадь на северо-востоке Печенгско-Аллареченского района выделена как рудоперспективная, что доказывает эффективность комплексного анализа результатов различных сейсмических методов, дающего более полные сведения о строении земной коры.

Следует отметить самостоятельную значимость собранной базы данных взрывной сейсмологии, она может быть свободно адаптирована для любых последующих методических приемов обработки и интерпретации.

Разработанный пакет программ для анализа обменных волн от землетрясений значительно ускоряет, упрощает обработку данных и может быть использован при дальнейших исследованиях МОВЗ.

Выделены тектонические структуры, определены новые сейсмогеологические признаки перспективности площадей Печенгско-Аллареченского рудного района.

Основные публикации по теме диссертации

1. ИсанинаЭ. В., Генке А. А., КрупноваН. А., ЗолотовЕ. Е., ШаровН. В. Глубинное строение южного склона Фенноскандинавского щита по сейсмическим данным //Четвертые геофизические чтения им. В. В. Федынского. Москва, 28 февраля — 02 марта 2002 г.: Тезисы докладов. М., 2002. С. 76.

2. ИсанинаЭ. В., Генке А. А., КрупноваН. А., ШаровН. В. Геолого-геофизические задачи и возможности их решения методом разведочной сейсмологии МРС (МОВЗ) //Тезисы докладов Международной конференции «Наука о земле и образование: задачи, проблемы, перспективы».Санкт-Петербург, 4-7 марта 2002г. СПб., 2002. С. 6061.

3. IsaninaE. V., KrupnovaN. A., SharovN. V. 3D crust model of Pechenga ore district. //Book of Abstracts of 4th International Conference «Problems of Geocosmos». Saint-Petersburg, 3-8 June, 2002. St.Petersburg, 2002. P. 135.

4. ИсанинаЭ. В., Казанский В. И., КрупноваН. А. и др. Глубинное строение Пе-ченгского рудного района //Тезисы докладов Восьмой Международной конференции «Глубинное строение и геодинамика Фенноскандии, окраинных и внутриплат-форменных транзитных зон». Петрозаводск, 2002. С. 112-113.

5. ИсанинаЭ.В., КрупноваН. А., ШаровН.В. Сейсмологические исследования МОВЗ на юге Карелии //Глубинное строение и сейсмичность Карельского региона и его обрамления /Отв. ред. Н.В.Шаров. Петрозаводск: Изд-во КНЦ РАН, 2004. С. 60-76.

6. SharovN. V., IsaninaE. V., KrupnovaN. A. Structure and dynamics of Southeastern Fennoscandia //Book of Abstracts of 5th International Conference «Problems of Geocosmos». Saint-Petersburg, 24-28 May, 2004. St.Petersburg, 2004. P. 31-32.

7. ШаровН. В., ИсанинаЭ. В., КрупноваН. А. Глубинное строение района бурения Кольской сверхглубокой скважины //Уральский геофизический вестник, 2005. №8. С. 68-78.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Крупнова, Наталия Александровна, Санкт-Петербург

1. Кольская сверхглубокая скважина /Отв. ред. Е. А. Козловский. М.: Недра, 1984.

2. Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований /Отв. ред.

3. B. П. Орлов, Н. П. Лаверов. М.: МФ «Технонефтегаз», 1998.

4. Загородный В. Г., Радченко А. Т. Тектоника карелид северо-восточной части Балтийского щита. Л.: Наука, 1988.

5. Земная кора восточной части Балтийского щита /Отв. ред. К. О. Кратц. Л.: Наука, 1978.

6. Земная кора и металлогения юго-восточной части Балтийского щита /Отв. ред. К. О. Кратц. Л.: Наука, 1983.

7. Эволюция земной коры и эндогенной металлогенической зональности северовосточной части Балтийского щита /Отв. ред. И. В. Бельков. Л.: Наука, 1987.

8. Шаров Н. В. Литосфера Балтийского щита по сейсмическим данным. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1993.

9. Радченко А. Т., Балаганский В. В., Виноградов А. Н. и др. Докембрийская тектоника северо-восточной части Балтийского щита. СПб.: Наука, 1992.

10. Загородный В. Г., Радченко А. Т. Тектоника раннего докембрия Кольского полуострова (состояние изученности и проблемы). Л.: Наука, 1983.

11. Литвиненко И. В. Сейсмические границы земной коры Балтийского щита //Восточная часть Балтийского щита, геология и глубинное строение. Л.: Наука, 1975.1. C. 151-155.

12. Литвиненко И. В. Особенности строения земной коры восточной части Балтийского щита //Геологические результаты прикладной геофизики. М.: Недра. 1965. С. 70-75.

13. Литвиненко И. В. Методика изучения сейсморазведкой сложных структур верхней части консолидированной коры материков //Зап. Ленингр. горн, ин-та. 1971. Т. 61, вып. 2. С. 21-36.

14. Литвииеико И. В., Меламуд M. Е. Эффективность метода отраженны волн при рекогносцировочно-площадном изучении глубинного геологического строения Печенгской структуры //Зап. Ленингр. горн, ин-та. 1976. Т. 69, вып. 2. С. 3-10.

15. Лизинский М. Д., Ланев В. М. Сейсмический разрез участка бурения Кольской сверхглубокой скважины //Проблемы комплексной интерпретации геолого-геофизических данных /Отв. ред. В. А. Глебовицкий, Н. В. Шаров. Л.: Наука, 1991. С. 130-147.

16. Караев Н. А., Смитсон С. Многокомпонентные сейсмические исследования в районе Кольской сверхглубокой скважины. //Геофизика. 1995. №1. С. 32-40.

17. Ганынин Ю. В., Смитсон С., Шаров Н. В. Методика обработки и сейсмический разрез профиля Кола ОГТ-92 //Сейсмологическая модель литосферы Северной Европы: Лапландско-Печенгский район /Отв. ред. Н. В. Шаров. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1997. С. 137-149.

18. Волхонин И. С., Линькова Т. М. и др. Исследование геологической структуры методом обменных волн землетрясений (МОВЗ) в восточной части Балтийского щита //Геодинамические исследования.1988. №12. С. 87-96.

19. Luosto U., Fluh Е. R., Lund С.-Е. The crustal structure along the Polar profile from seismic refraction investigations in the European Geotraverse. Part 5: The Polar Profile //Tectonophysics. 1989. Vol. 162. P. 51-85.

20. Behrens К., Goldflara S. et al. Reflection seismic measurements across the Granulite Belt of the Polar Profile in the Northern Baltic Shield Northern Finland //Tectonophysics. 1989. Vol. 162. P. 101-111.

21. Исанина Э. В. Сейсмологические исследования МОВЗ в районе Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 //Сейсмологическая модель литосферы Северной Европы: Лапландско-Печенгский район /Отв. ред. Н. В. Шаров. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН. 1997. С. 101-115.

22. Берзин Р. Г., Кулаков С. И., Сулейманов А. К. и др. Отображение современной структуры Балтийского щита в волновых полях отраженных волн по материалам опорного профиля 1-ЕВ //Региональная геология и металлогения. 2000. №10. С. 111-116.

23. Егоркин А. В. Строение земной коры по сейсмическим геотраверсам //Глубинное строение территории СССР. М.: Наука, 1991. С. 118-134.

24. Нолет Г. Распространение сейсмических волн и сейсмическая томография //Сейсмическая томография /Под ред. Г. Нолета. М.: Мир, 1990. С. 9-33.

25. Яновская Т. Б. Проблемы сейсмической томографии //Проблемы геотомографии. М.: Наука, 1997. С. 86-98.

26. Дитмар П. Г. Алгоритм томографической обработки сейсмических данных, предполагающей гладкость искомой функции //Изв. РАН. Физика Земли. 1993. т. С. 7-12.

27. Рослов Ю. В. Дитмар П. Г. Пакет программ для моделирования и интерпретации времен пробега сейсмических волн dogstomo //Международная научная конференция «Геофизика и современный мир », Москва, 9-13 августа 1993 г. Тез.докл. М., 1993. С. 227.

28. Померанцева И. В., Мозженко А. Н. Сейсмические исследования с аппаратурой Земля. М.: Недра, 1977.

29. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. Т. I. М.: Гостоптехиздат, 1957.

30. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. Т. И. Л.: Изд-во ЛГУ, 1959.

31. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. Т. III. Л.: Изд-во ЛГУ, 1959.

32. Щербакова Б. Е., Линькова Т. М. Теоретические сейсмограммы продольных и обменных проходящих волн при некоторых моделях границ раздела //Теоретические и экспериментальные исследования обменных волн землетрясений. М.: ВНИИГеофизики, 1973. С. 117-132.

33. Померанцева И. В. Методика интерпретации обменных проходящих волн, регистрируемых станциями «Земля» //Прикладная геофизика. 1968. Вып. 53. С. 37-61.

34. Яновская Т. В., Дмитриева Л. А. Влияние нежесткого контакта упругих сред на коэффициенты отражения, преломления и обмена //Известия АН СССР. Физика Земли. 1991. №2. С. 17-22.

35. Коган С. Д. Динамические параметры очагов глубоких землетрясений //Труды геофиз. ин-та АН СССР. 1955. №30(157). С. 30-81.

36. Vinnik L. P. Detection of waves converted from P to SV in the mantle //Phys. Earth Planet. Inter.1977. Vol. 15. P. 39-45.

37. Ammon C. The isolation of receiver effects from teleseismic P waveforms Bull. Seism. Soc. Am. 1991. Vol. 81. P. 2504-2510.

38. Zhu L., Kanamori H. Moho depth variation in Southern California from teleseismic receiver functions //J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105. P. 2969-2980.

39. Knapmeyer M., Harjes H.-P. Imaging crustal discontinuities and the downgoing slab beneath western Crete //Geophys. J. Int. 2000. Vol. 143. P. 1-21.

40. Bertrand E., Descharaps A., Virieux J. Crustal structure deduced from receiver functions via single-scattcring migration //Geopliys. J. Int. 2002. Vol. 150. P. 524541.

41. Li X. et al. Receiver function study of the Hellenic subduction zone: imaging crustal thickness variations and the oceanic Moho of the descending African lithosphere //Geophys. J. Int. 2003. Vol. 155. P. 733-748.

42. Dueker K. G., Sheehan A. F. Mantle discontinuity structure from midpoint stacks of converted P to S waves across Yellowstone hotspot track //J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102 P. 8313-8327.

43. Gurrola H., Minster J., Owens T. The use of velocity spectrum for stacking receiver functions and imaging upper mantle discontiniuties //Geophys. J. Int. 1998. Vol. 117. P. 427-440.

44. Farra V., Vinnik L. Upper mantle stratification by P and S receiver function //Geophys. J. Int. 2000. Vol. 141. P. 699-712.

45. Егоркин А. В., Данилова Т. И., Рыбалов M. Б. Методика выделения обменных волн //Геология и геофизика. 1979. №10. С. 107-117.

46. Золотов Е. Е., Костюченко С. JL, Ракитов В. А. Глубинное строение литосферы-Восточно-Европейской платформы по результатам сейсмологических исследований //Разведка и охрана недр. 1998. №2. С. 11-13.

47. Гальперин Е. И., Гальперина Р. М., Фролова А. В., Эренбург М. С. Волновые поля в методе обменных волн землетрясений. М.: ОИФЗ РАН, 1995.

48. Исанина Э. В., Казанский В. И. и др. Геолого-геофизическая позиция, сейсмо-геологические границы и металлогения Печенгского рудного района. //Геология рудных месторождений. 2002. Т. 44, №4 С. 276-286.