Густинне моделювання ізостатично врівноважених структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна

УДК 550.831

Спеціальність 04.00.22 - Геофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата геологічних наук

Густинне моделювання ізостатично врівноважених структур

Красовський Олексій Сергійович

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі глибинних процесів Землі та гравіметрії Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна Національної академії наук України.

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор, академік Старостенко Віталій Іванович, Інститут геофізики ім.. С.І. Субботіна НАН України, директор.

Офіційні опоненти: доктор геолого-мінералогічних наук, професор Каратаєв Герман Іванович, Інститут геохімії та геофізики НАН Беларусі, головний науковий співробітник;

- доктор фізико-математичних наук, Корчагін Ігнат Миколайович, Інститут геофізики ім.. С.І. Субботіна НАН України, провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Національний гірничий університет МОН України геологічний факультет, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "15" червня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 при Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680, Київ-142, пр. Палладіна, 32.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України.

Автореферат розісланий "12" травня 2006 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор геологічних наук М.І. Орлюк.

Аннотация

А.С. Красовский "Плотностное моделирование изостатически уравновешенных структур". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины, Киев, 2006 г.

Рассмотрены основные закономерности плотностных моделей литосферы с учетом их стремления к состоянию изостатического равновесия при гравитационной дифференциации вещества в поле силы тяжести Земли. На теоретических моделях проведен сравнительный анализ результатов двух и трёхмерного моделирования. Проведены исследования результатов замены полностью изостатически уравновешенной структуры латеральными неоднородностями.

Впервые выполнено теоретическое гравитационное моделирование изостатически уравновешенных впадин одинаковой глубины, заполненных осадками разной плотности. Расчёты выполнены в трёх вариантах: при фиксированной ширине впадин, при расширении впадины с обеспечением изостатического равновесия по мере накопления осадков увеличивающейся плотности, комбинированные. Показано, что именно изостатически уравновешенные впадины создают поля, по морфологии и интенсивности сходные с наблюдаемыми в разных регионах. Расширение в процессе образования при стремлении к изостатическому равновесию позволяет объяснить особенности глубинного строения впадин - сокращение мощности консолидированной коры и др. В то же время конформное опускание всего блока без сокращения толщи земной коры и без соблюдения изостатического равновесия создает столь большие отрицательные гравитационные аномалии, что не позволяет рассматривать такой механизм их образования как главенствующий.

Опыт гравитационного моделирования земной коры четко указывает на стремление блоков к состоянию изостатического равновесия разноглубинных неоднородностей. При этом большие области аномального гравитационного поля в первую очередь связаны не с глубинными факторами, а с особенностями земной коры. Потому и региональный фон в первую очередь обусловлен приповерхностными, а не глубинными объектами. В этой связи на практике уместно не разделять формально наблюденное поле на региональную и остаточную составляющие, а моделировать, пусть и генерализовано, все известные или закономерно предполагаемые особенности изучаемой среды.

На теоретических моделях показано, что исходя из концепции изостатической уравновешенности структур и их совокупностей, операция геологического редуцирования целесообразна только с целью выяснения, как среагирует гравитационное поле на изменение плотности в отдельных объектах изучаемой среды. Наблюденное поле, скорректированное за счет эффекта только от отдельных элементов среды количественной интерпретации подвергаться не должно, т.к. в этом случае возможны ошибки в интерпретации.

Расчет плотностной модели вдоль профиля ГСЗ Путивль-Кривой Рог показал хорошую изостатическую уравновешенность блоков земной коры, согласование результатов моделирования с пересекающим профиль геотраверсом IV и расположенным параллельно в северной части профилем ГСЗ Шевченково - Близнецы, подтвердил правомочность методологических подходов. Автором были получены распределения плотности с глубиной по блокам, пересекаемым профилем, что дало новую информацию о структурном строении и плотностных неоднородностях региона. Приведена характеристика расхождения параметров блоков между начальным (что соответствует сейсмическим данным) и окончательным вариантах и дана оценка причин таких расхождений. Для выяснения изостатичекого состояния блоков коры применен параметр F, благодаря которому доказано уравновешенное состояние структур изучаемого профиля.

Ключевые слова: плотностное моделирование, гравитационное поле, изостатическое состояние, региональный фон, геологическое редуцирование, астеносфера.

Анотація

О.С. Красовській "Густинне моделювання ізостатично врівноважених структур". Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Київ, 2006 р.

Робота присвячена розгляду основних закономірностей густинних моделей неоднорідностей літосфери з урахуванням їх прагнення до стану ізостатичної рівноваги при гравітаційній диференціації речовини в полі сили тяжіння Землі. На теоретичних моделях проведений порівняльний аналіз результатів двох і тривимірного моделювання. Проведені дослідження результатів заміни повністю ізостатично врівноваженої структури латеральними неоднорідностями.

Вперше виконано чисельне гравітаційне моделювання ізостатично врівноважених западин однакової глибини, заповнених осадками різної густини. Показано, що саме ізостатично врівноважені западини створюють поля, по морфології та інтенсивності схожі із спостережуваними в різних регіонах.

На теоретичних густинних моделях та розрахованих моделях за основними профілями ГСЗ розглянуті питання доцільності виділення регіонального фону.

Виходячи з концепції ізостатичного врівноваження структур та їх сукупностей, розроблена система оцінки можливих методологічних помилок, що виникають при операції геологічного редукування.

Побудована густинна модель вздовж профілю ГСЗ Путивль - Кривий Ріг з урахуванням закономірностей виявлених при теоретичному моделюванні. Одержані розподіли густини з глибиною в блоках які перетинаються профілем, що дало нову інформацію про структурну будову та густинні неоднорідності регіону.

Ключові слова: густинне моделювання, гравітаційне поле, ізостатичний стан, регіональний фон, геологічне редукування, астеносфера.

Abstract

A.S. Krasovsky "Density modeling of isostatycally balanced structures". - Manuscript.

Thesis for Candidate of Geological Sciences Degree by speciality 04.00.22 - geophysics. - S.I. Subbotin Institute of Geophysics NAS Ukraine, Kyiv, 2006.

The work is devoted to the study of the main regularities of density models for lithosphere inhomogenities taking into account their tendency to isostatic balance in the substance gravity differentiation in the Earth's gravity field. On theoretical models a comparative analysis of the results of 2D and 3D modeling was made. The results of substituting a completely isostatically balanced feature by lateral inhomogeneities were studied. For the first time, a theoretical gravity modeling of isostatically balanced basins of equal depth filled with sediments of different density was made. It is shown that it is isostatically balanced basins that form fields similar in morphology and intensity to those observed in different regions.

On theoretical density models and those calculated along the main DSS profiles expedience of the regional background separation wos discussed.

Starting from the conception of the isostatic balancing of features and their aggregates, a system of the estimation of possible methodological errors arising in the geological reduction was work out.

A density model along the DSS profile Putivl' - Kryvyi Rig has been set up with considering the regularities detected in theoretical modeling. Depth distributions of density have been obtained for blocks cut by the profile, which has yielded a new information on the structural and the density inhomogeneities of the region.

Key words: density modeling, gravity field, isostatic state, regional background, geological reduction, asthenosphere.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Створення комплексних геолого-геофізичних моделей глибинних та приповерхневих структур і проведення на цій основі пошуків родовищ корисних копалини є одним з найважливіших напрямів сучасних наук про Землю. Дослідження в цьому напрямі почали активно проводитися 35-40 років тому. Значне місце в цьому комплексі займає гравітаційне моделювання, оскільки найтісніше з речовинним складом порід земної кори і верхньої мантії пов'язана густина порід, а закономірності густинних моделей різних типів структур і блоків земної кори використовуються при різних тектонічних та геодинамічних побудовах.

Аналіз сучасного стану вивчення закономірностей глибинної будови різних типів структур земної кори і верхньої мантії виявив низку проблем в гравітаційному моделюванні: доцільність виділення регіонального фону, наявність в земній корі гравіактивного шару, існування ізостатичної врівноваженості різноглибинних неоднорідностей, геологічного редукування структур та ін. Рішення багатьох з цих проблем можливо за допомогою спеціальних досліджень на теоретичних моделях, що адекватно відображають сучасну інформацію про принципові особливості глибинних структур.

Гравітаційне моделювання теоретичних моделей необхідне не тільки для вивчення будови і речовинного складу приповерхневих і глибинних структур в різних регіонах, але і для вдосконалення методики моделювання, а також вивчення ізостатичного стану і закономірностей розвитку тектоносфери. Так на теоретичних моделях можлива перевірка петрофізичних даних, що враховуються при створенні моделі першого наближення, уточнення границь, що виділяються по сейсмічних розрізах, необхідність і правомірність введення неоднорідностей у верхню мантію.

Зв'язок з науковими програмами. Робота виконана в рамках планових науково-дослідних робіт відділу комплексної інтерпретації потенціальних полів Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України по темі "Побудова об'ємної густинниої моделі Українського щита", номер держреєстрації 01974006518 (1997-2001 рр.). Крім планових досліджень Інституту геофізики НАН України автор брав безпосередню участь у виконанні наступних проектів і програм: проекти Державного фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти України Ф4/148-97 (1997-1998 рр.) "Анортозит-рапакивігранітна проблема (глибинний генетичний аспект)" та Ф4/1730-97 (2000 р.) "Розробити геолого-формаційну модель формування і взаємозв'язку глибинної і приповерхневої будови Українського щита", міжнародних проектах "EUROPROBE" (1998 р.) та "EUROBRIDGE" (1998 р.), в роботі за замовленням Міністерства екології і природних ресурсів України, Державної геологічної служби, Державного геологічного підприємства "Північгеологія" по темі "Підготовка геофізичної основи тектонічної карти України масштабу 1:1000000" (договір №23/04021/10 від 16 жовтня 2001 г.).

Метою роботи є вирішення завдань спеціальними дослідженнями на теоретичних гравітаційних моделях по вивченню закономірностей будови і речовинного складу приповерхневих і глибинних структур, ізостатичної скомпенсованості різноглибинних об'єктів, вивчення методологічних проблем доцільності виділення регіонального фону і застосування операції геологічного редукування з подальшою апробацією результатів на реальному геолого-геофізичному профілі.

Основні завдання формулюються наступним чином:

1. На теоретичних моделях провести порівняльний аналіз дви і триви мірного гравітаційного моделювання і показати можливість заміни повністю ізостатично врівноваженої структури латеральними неоднорідностями.

2. Вивчити теоретичні гравітаційні моделі западин, що ізостатично компенсуються заповненням осадками різної густини. Показати, що саме ізостатично врівноважені структури створюють гравітаційні поля по морфології та інтенсивності схожі із спостереженим, а також вивчити зв'язок закономірностей гравітаційних моделей різних тектонічних структур земної кори з умовами їх ізостатичної рівноваги.

3. Провести дослідження доцільності виділення регіонального фону.

4. Вивчити можливості геологічного редукування при гравітаційному моделюванні.

5. Створити густинну модель вздовж профілю Путивль - Кривий Ріг використовуючи результати, одержані на теоретичних моделях. Провести дослідження ізостатичного стану блоків земної кори вздовж профілю.

Наукова новизна. Вперше були використані теоретичні гравітаційні моделі для вивчення закономірностей густинних моделей літосфери з урахуванням їх прагнення до ізостатичного стану і вирішення задач виділення регіонального фону та можливості застосування операції геологічного редукування. Вперше була побудована густинна модель по профілю ГСЗ Путивль - Кривий Ріг та дана оцінка ізостатичного стану блоків земної кори досліджуваного профілю.

Достовірність отриманих результатів визначається тим, що всі розрахунки проводилися за раніше створеними і випробуваними програмами, що мають в своїй основі рішення прямої задачі гравірозвідки, яка в свою чергу, як відомо, має єдине рішення.

Практичне значення проведених досліджень полягає в першу чергу в теоретичному обгрунтуванні і вдосконаленні методики створення густинних моделей градієнтно-шаруватих середовищ як глибинних, так і приповерхневих структур. Проведене гравітаційне моделювання по профілю ГСЗ Путівль - Кривий Ріг дозволило одержати нові дані про структурну будову регіону.

Особистий внесок автора. Велика частина досліджень базується на роботах, виконаних автором самостійно (теоретичні аспекти) або спільно із співробітниками відділу комплексної інтерпретації потенціальних полів, керівником якого був доктор геол.-мін. наук професор С.С. Красовський, та відділу глибинних процесів Землі і гравіметрії під керівництвом академіка НАН України, доктора фіз.-мат. наук, професора В.І. Старостенко.

Апробація результатів. Основні положення і результати роботи доповідалися на 24-30 сесіях Міжнародного семінару ім. Д.Г. Успенського "Питання теорії і практики геологічної інтерпретації гравітаційних, магнітних та електричних полів", 2-4-х Геофізичних читаннях ім. В.В. Фединського, Міжнародних нарадах за проектом EUROBRIDGE (Oskarshamn, Sweden. - 1996., Vilnius, Lithuania. - 1997), Другої Всеросійської конференції "Геофізика і математика", на Міжнародній школі-семінарі "Питання теорії і практики комплексної геологічної інтерпретації гравітаційних, магнітних та електричних полів".

Публікації. Результати роботи опубліковані у 41 статті та тезах.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів та висновків. Вона містить 130 сторінок тексту, ілюстрована 45 рисунками та 21 таблицею. Список посилань містить 81 найменування.

При розрахунках густинних моделей приведених в даній роботі використовувалося наступне програмно-математичне забезпечення: програми академіка НАНУ доктора фіз.-мат. наук В.І. Старостенко та А.Н. Заворотько, програма кандидата фіз-мат. наук. С.П. Левашова. Обчислення поліномів, що апроксимують регіональний фон, проводилося за програмами доктора фіз.-мат. наук І.М. Корчагіна .

Автор шанує пам'ять і глибоко вдячний професору, доктору геол-мін. наук С.С. Красовському за допомогу при виконанні досліджень як в науковому, практичному, так і в організаційному плані.

Автор шанує пам'ять В.Б. Бурьянова та А.І. Шапіро, що надавали увагу цієї роботі і що дали цінні ради з ряду питань.

Особливу вдячність автор висловлює академіку НАНУ В.І. Старостенко і кандидату геол.-мін. наук П.Я. Купрієнко за безпосереднє наукове керівництво і багаторічну увагу та інтерес до досліджень, які подано в дисертації.

Щиру подяку автор приносить д.г.-м.н. С.М. Куліку, д.г.-м.н. О.М. Русакову, к.г.-м.н. Т.І. Пономарьовой, к.г.-м.н. І.Б. Макаренко, П.О. Буртному та М.В. Козленко за увагу та участь в обговоренні ряду аспектів роботи. Автор глибоко вдячний батькам за їх терпіння і підтримку на протязі тривалого часу підготовки даної роботи.

2. Зміст роботи

Основні закономірності теоретичних густинних моделей

Аналіз сучасного стану проблеми. Матеріали ГСЗ, найбільш детально одержані в Україні, чітко показують, що в консолідованій земній корі в цілому спостерігається градієнтне наростання швидкості (а значить, і густини) з глибиною і в той же час відсутній різкий стрибок фізичних властивостей - границя Конрада, яка нібито розділяє "гранітний" і "базальтовий" шари з постійними значеннями швидкостей та густини. Звідси витікає, що при гравітаційному моделюванні вивчатися повинні градієнтно-шарувате середовище, а не "гранітний" і "базальтовий" шари з постійними значеннями густини і різкою густинною границею (Конрада), як це дотепер приймають багато дослідників.

Регіональний фон, що звичайно виділяється при аналізі гравітаційного поля, раніше пояснювався наявністю глибинних густинних неоднорідностей. Проте досвід гравітаційного моделювання і наші спеціальні теоретичні дослідження на моделях показали, що регіональна складова поля сили тяжіння практично не реагує на багато особливостей глибинної будови, а в першу чергу, прямо корелює з приповерхневими густинними неоднорідностями.

Зважаючи на ізостатичну скомпенсованість різноглибинних об'єктів гравітаційне поле має згладжений характер, що викликало і дотепер часто викликає прагнення пояснити поле сукупністю об'єктів, які залягають неглибоко розповсюджуються в земній корі, що математично, як правило, вдається достатньо вдало. При цьому не тільки створюється ілюзія однорідності нижньої частини земної кори, але і спотворюється уявлення про реальну будову і властивості її верхньої частини. Тому уявлення про існування приповерхневого "гравіактивного" шару потужністю 7-20 км суперечить сукупності геолого-геофізичної інформації, і його слід вважати помилковим.

Основні особливості глибинних структур при постановці завдань теоретичного гравітаційного моделювання.

Для вивчення основних закономірностей глибинної будови Землі, виявлених при створенні гравітаційних моделей, виявилося доцільним провести числове гравітаційне моделювання повністю ізостатично врівноважених блоків. Окрема увага приділялася теоретичному вивченню блоків, типових для України (як і багатьох інших платформених регіонів) структур, що є аналогами, у яких полегшена (масиви гранітоїдов, западини з осадовими породами) або така, що ущільнює (блоки порід підвищеної основності і (або) степені метаморфізму) верхня частина кори компенсується відповідним підйомом або опусканням розділу М.

Гравітаційне поле над структурами, що повністю ізостатично компенсуються, зовсім не гладке, а завдяки сумарному впливу різноглибинних об'єктів має три або п'ять екстремумів залежно від співвідношення горизонтальних розмірів густинних неоднорідностей різного знаку з відстанню між покрівлею нижнього і підошвою верхнього тіла. При цьому область впливу верхньої неоднорідності значно менша, а величина ефекту істотно більша, ніж від нижньої неоднорідності. Взаємна компенсація впливу різноглибинних об'єктів приводить до того, що інтенсивність приповерхневих неоднорідностей компенсується глибинними до 50-80%. Вельми несподіваним, хоч і закономірним, виявилось, що над тривимірними блоками амплітуда поля більше, ніж над двовимірними. Прояв в сумарному полі впливу нижнього тіла, по обидві сторони від аномалії над верхнім тілом візуально вельми схожа з незначним ефектом від приповерхневих тіл. Тому на практиці, виходячи тільки з інтенсивності і морфології спостереженого поля, вельми важко або навіть неможливо виявити геологічну ситуацію взаємної компенсації різноглибинних об'єктів. Більш того, на реальних прикладах було з'ясовано, що вплив великої глибинної неоднорідності формально можна замінити достатньо простою комбінацією менш глибинних об'єктів.

Теоретичне вивчення повністю ізостатично врівноважених западин показало, що саме вони створюють поля, по морфології та інтенсивності схожі із спостережуваними в різних регіонах. Розширення в процесі утворення при прагненні до ізостатичної рівноваги дозволяє пояснити основну особливість глибинної будови западин - скорочення потужності консолідованої кори. В той же час конформне опускання всього блоку без скорочення товщі земної кори і без дотримання ізостатичної рівноваги, створює великі гравітаційні аномалії, що не дозволяє розглядати такий механізм їх утворень як головного.

Гравітаційне моделювання ізостатично врівноважених структур

Оскільки до останнього часу теоретичне вивчення повністю ізостатично врівноважених западин гравітаційним моделюванням майже не проводилося, був проведений розрахунок ряду відповідних теоретичних густинних моделей для з'ясування їх принципових особливостей. На першому етапі розрахунків використано простий варіант будови западини: при ширині в 60км та вертикальних бортах варіювалася глибина, густина утворень що їх заповнюють та потужності шарів консолідованої кори. За вміщуюче середовище взята типова для щитів кора потужністю 45 км і протяжністю по обидва боки від западини 1200 км. Хоча встановлено загальне градієнтно-шарувате наростання густини з глибиною, для з'ясування загальних закономірностей цілком можливе розділення кори на три однакові за потужністю шари, що умовно виділяються як "гранітний", "діоритовий" та" "базальтовий", з середніми значеннями густини 2.70, 2.85 і 3.00 103 кгм-3 при щільності верхньої мантії 3.40 103 кгм-3 .

Спочатку була розрахована густинна модель двовимірної западини, що ізостатично не компенсується, глибиною в 6 та 3 км, заповненою водою, при конформному зануренні консолідованої земної кори під западиною на ті ж 6 і 3 км. Амплітуда гравітаційного мінімуму склала відповідно 400 і 200?10-5 м/с², що у декілька разів перевищує спостережуваний над подібними западинами ефект. Таким чином теоретичне моделювання без зміни потужності консолідованої земної кори під западиною підтвердило нереальність утворення западин, що ізостатично не компенсуються. Всі подальші варіанти розраховувалися при повній ізостатичній компенсації структур.

У серії розрахунків І розглянуто поле над двовимірною западиною шириною 60 км і глибиною 6км, заповненою повітрям (r=0 103 кгм-3), морською водою (r=1._3--103 кгм-3) або осадками різної щільності (r=2.__;--2.20; 2.40; 2.60 103 кгм-3). За умови повної ізостатичної рівноваги між западиною та оточуючим середовищем потужність консолідованої кори під западиною повинна скорочуватися. Було прийнято, що кожний з шарів кори зменшується пропорційно. При цьому потужність шарів склала 2.636, 6.382, 9.909, 10.636, 11.364 та 12.091 км у відповідних моделях. У серії ІІ визначалося, на скільки повинен розширитися фундамент під западиною, щоб після стоншування (з пропорційною зміною кожного з шарів консолідованої кори) при густині утворень, що заповнюють западину згідно розрахованим варіантам, її підошва встановилася на глибині 6км. Потужність шарів консолідованої кори під западиною в моделях серії ІІ така ж, як і в серії І, а відстань від правого борту западини до її середини різна. Природно, що величина розширення фундаменту западини обернено пропорційна густині заповнюючих її утворень. Як і в серії І, амплітуда поля в центрі западини збільшується у міру зменшення густини осадків. Окремий інтерес представила комбінація однотипних моделей серії І і ІІ для тих же варіантів заповнення западини, представлених в серії ІІІ. Природно, що координати центру западини тут на 30 км більше, ніж в серії ІІ. Закономірність зміни амплітуди поля в центрі западини тут така ж, як і в серії ІІ. Характерним є те, що в однотипних моделях серії ІІІ ці значення менше, ніж в серії ІІ, хоча ширина кожної з цих моделей на 30 км більше. Це пояснюється тим, що не зважаючи на посилення в сумарному полі від'ємного впливу полегшених порід за рахунок збільшення об'єму западин компенсуючий вплив підйому нижньої частини консолідованої кори і розділу Мохо перевищує його по амплітуді, і сумарний ефект зменшується. Для всіх варіантів серії ІІІ поле пятиекстремумне. Для всіх моделей в серії ІІ і серії ІІІ кількість мас консолідованої земної кори залишається незмінною.

Зв'язок закономірностей гравітаційних моделей тектонічних структур земної кори з умовами їх ізостатичної рівноваги

Аналіз закономірностей густинних моделей різних типів глибинних структур свідчить, що поява та розвиток останніх обумовлені фізико-хімічними перетвореннями, що відбуваються в Землі в наслідок гравітаційної диференціації речовини в полі сили тяжіння при прагненні окремих структур та їх сукупностей до стану ізостатичної рівноваги. Вирішальну роль в реалізації цього прагнення має шар (шари) зниженої міцності - астеносфера, а розділ Мохо (всупереч достатньо розповсюдженим поглядам) не є поверхнею такого шару.

Саме прагнення до стану ізостатичної рівноваги спричиняє складну взаємну скомпенсованість різноглибинних густинних неоднорідностей блоків літосфери, що відображають закономірності їх будови та речовинного складу. Це чітко виявляється при розгляді густинних моделей земної кори та верхньої мантії в різних регіонах світу і пояснює те, що гравітаційне поле достатньо згладжено при однаковому рівні спостережень. Тому слід визнати неправомочними уявлення про гравіактивний приповерхневий шар земної кори потужністю 10-20 км. і відсутність густинних неоднорідностей нижчих за цей рівень, оскільки це суперечить сучасним результатам, гравітаційного моделювання глибинних структур. Більш того, ці результати а також розрахунки теоретичних моделей достатньо чітко показують, що великі неоднорідності гравітаційного поля пов'язані не з впливом глибинних структур (як це звичайно приймається при інтерпретації), а з приповерхневими в умовах їх компенсації глибинними структурами.

У реальній геологічній обстановці ізостатична рівновага порушується заповненням западин та синекліз водою, осадками та денудацією гір та здіймань, тобто процесами, що змінюють маси блоків (а, отже, і тиск на астеносферу). При цьому в западинах унаслідок збільшення тиску для збереження ізостатичної рівноваги неминуче повинне відбуватися конформне прогинання всіх границь на глибину, пропорційну відношенню густини речовини, що заповнює западину, і матеріалу астеносфери. Положення глибинних границь, після завершення осадконакопичення і встановлення ізостатичної рівноваги, буде нижче за їх рівні, які повинні були б встановитися при ізостатичній рівновазі до заповнення западини саме на величину сумарної потужності осадків, що відклалися. Якщо для западин, після їх первинного створення, повинне відбуватися занурення границь, то для гірських систем і здіймань унаслідок денудації блоків відбувається їх полегшення і підйом всіх границь. Тому для збереження ізостатичної рівноваги припіднятий блок повинен прагнути до продовження підняття, але зі все меншою амплітудою, залежною від співвідношення густини порід що денудуються та речовини астеносфери. гравітаційний ізостатичний геофізичний

Особливо важливим, слід зазначити необхідність врахування прагнення структур до ізостатичної рівноваги при створенні моделі першого наближення, що в свою чергу слід враховувати як важливий елемент у ряді методологічних принципів, які використовуються при гравітаційному моделюванні.

Проблема регіонального фону в гравіметрії

У розділі наведені 1, 2, 3, 5-а гармоніки регіонального фону, обчислені за програмою І.М. Корчагіна для профілів ГСЗ, для яких раніше були побудовані густинні моделі. Характерним для всіх профілів закономірно виявилось, що додатні значення регіонального фону практично на всіх гармоніках співпадали з областями підвищеного спостереженого поля, а від'ємні - з областями знижених значень. Природно, що після віднімання зі спостереженого поля регіонального фону залишкове поле дуже спотворене, причому по різному залежно від вибраної гармоніки полінома. Приведені приклади для цих та інших профілів чітко свідчать, що регіональна складова, що виділяється, прямо корелює саме з приповерхневими густинними неоднорідностямі. А ось з глибинними, якими звичайно пояснювався регіональний фон, зв'язок складніший і часто зворотній - глибинним розущільненням переважно відповідають області підвищеного, глибинним ущільненням - області зниженого регіонального фону, що, як указувалося вище, закономірно пояснюється прагненням до ізостатичного врівноваження різноглибинних густинних неоднорідностей. Спеціально була промодельована комбінація двох блоків, що повністю ізостатично компенсуються, генералізованних аналогів Голованівського та Кіровоградського (густинна модель по геотраверсу IV між пікетами 450-150). Тут в розрахунках враховувалися тільки зони ущільнення і разущільнення щодо суміжних блоків. Як і у разі одного ізостатично урівноваженого блоку, збільшення і зменшення інтенсивності гравітаційного поля достатньо чітко прямо корелює з неоднорідностямі верхніх частин блоків, а ізостатично урівноважена модель легко може бути замінена комбінацією латеральних неоднорідностей. Для гравітаційного поля цієї теоретичної моделі була розрахована регіональна складова поля при різних степенях апроксимуючого полінома. Обчислені при цьому залишкові поля показують, що останні істотно спотворюються в порівнянні з теоретичним полем від моделі. Окремо були проведені розрахунки регіонального фону і залишкових аномалій при збільшенні кількості пікетів на один (від 121 до122). Регіональний фон при цьому істотно змінюється. Наведені розрахунки для підбору окремо кривих регіонального фону і залишкових аномалій при використанні поліномів першої-третьої ступені. Було з'ясовано, що будь-яку з цих кривих можна підібрати або приповерхневими тілами (до 20 км), або глибинними (40-60 км), або їх комбінацією. Показово, що чим вищий ступінь полінома, тим більше спотворюється залишкова крива, і тому при підборі аномалієутворюючих тіл вносяться все більші спотворення, в моделі виникає все більше фантомів, що не мають геологічного сенсу. При цьому будь-які з вказаних кривих достатньо легко підібрати приповерхневими тілами.

Геологічне редукування при гравітаційному моделюванні глибинних структур

На теоретичних моделях були досліджені наслідки заміни приповерхневих структур шляхом геологічного "редукування" осадового шару. Це штучна заміна природного складного розподілу густини в чохлі тілом постійної густини. При цьому створюється ілюзія однорідності земної кори, принаймні, її верхньої частини.

Були розраховані гравітаційні поля над западиною з градієнтно-шаруватим розподілом щільності в земній корі при різних варіантах геологічного редукування осадків та густини верхньої мантії 3,40 103 кгм-3 і 3.32 103 кгм-3; гравітаційні поля над западиною при компенсації підйому розділу М осадками різної густини; гравітаційні поля над западиною, що ізостатично компенсується, при геологічному редукуванні і без нього; варіанти западини, що повністю ізостатично компенсується, з різними варіантами розподілу щільності в осадках і в консолідованій корі при однаковій геометрії структури; гравітаційна модель з постійною щільністю консолідованої земної кори при порушенні ізостатичної рівноваги; гравітаційні поля над западиною з градієнтно-шаруватим розподілом щільності в земній корі при різних варіантах компенсації ефекту осадків, змінами геометрії розділу М та розподілу густини в консолідованій земній корі під западиною. Також наведені варіанти заміни одного аномального приповерхневого об'єкту глибинними тілами.

В результаті проведених досліджень було з'ясовано, що при геологічному редукуванні заміна дійсних величин розподілу густини в ізостатично врівноваженій западині будь-яким іншим усередненим значенням не може не приводити до істотної зміни (а по суті, спотворенню) спостереженого поля. Звідси витікає, що виходячи з концепції ізостатичної врівноваженості структур і їх сукупностей, операція геологічного редукування доцільна тільки з метою з'ясування, як зреагує гравітаційне поле на зміну густини в окремих об'єктах середовища, що вивчається. Спостережене поле, яке скоректоване за рахунок ефекту тільки від окремих елементів середовища кількісній інтерпретації піддаватися не може - в цьому випадку помилки в інтерпретації неминучі.

Густинна модель уздовж профілю Путивль-Кривий Ріг

Розрахунок густинної моделі уздовж профілю ГСЗ Путивль-Кривий Ріг показав хорошу ізостатичну врівноваженість блоків земної кори, узгодження результатів моделювання з тим, що перетинає профіль геотраверсом IV і розташованим паралельно в північній частині профілем ГСЗ Шевченкове - Близнюки, підтвердив правомочність методологічних підходів.

Густинна модель вздовж цього профілю розрахована за розробленою методикою та технологією гравітаційного моделювання градієнтно-шаруватих тривимірних глибинних структур. Вона базується на швидкісному розрізі, кореляційній залежності r=(Vp) для кристалічних порід, що враховують РТ умови глибинних структур та сучасному математичному забезпеченні.

При цьому:

- У створюваних густинних моделях земної кори та верхньої мантії враховуються градієнтно-шаруваті, латеральні, стрибкоподібні зміни густини, включаючи зони інверсії.

- Були вивчені вертикальні, горизонтальні і похилі контакти першого та другого роду (із стрибком і без стрибка густини).

- Використовувалася різна геолого-геофізична апріорна інформація для бибору моделі першого наближення середовища, що вивчається, в рамках якого ітераційно велися всі подальші дослідження.

- При параметризації об'єктів, складених осадовими породами, враховувалася їх специфіка та використовувалися наявні матеріали для конкретних порід в досліджуваному регіоні.

Для кристалічних порід враховувалися сейсмічні дані і була використана залежність:

r--= 0.7269 + 0.3209 Vp

Глибше 51.5 км середовище було прийняте однорідним і була застосована оцінка параметру F на цій глибині. Цій параметр являє собою значення тиску на одиницю площі шарів, що залягають вище зазначеної глибини. При цьому було наведено, що відхил параметру F складає менше, ніж 1.5% від середнього значення. Це говорить про добру ізостатичну скомпенсованність структур земної кори ділянки, що вивчається.

Були одержані розподіли густини з глибиною для блоків кори, що дало нову інформацію про структурну будову та густинні неоднорідності регіону. Була надана характеристика розбіжності параметрів блоків між початковим і остаточним варіантами та дана оцінка причин таких розбіжностей. При цьому, тільки в одному блоці (північно частина профілю) зміни були непотрібні. У двох блоках (центральна та північна частини) зміни вводилися комбіновано. Для північного схилу УЩ в верхній частині розтину було застосовано разущільнення. В усіх інших блоках густина вимагала збільшення на всю глибину. Винятком став Дніпровський блок, де відзначено зниження густини в верхніх шарах.

Висновки

Наукові результати проведених досліджень зводяться в основному до наступного:

Проведене гравітаційне моделювання показало, що саме ізостатично врівноважені западини створюють поля, по морфології та інтенсивності схожі із спостереженими в різних регіонах. Розширення в процесі утворення при прагненні до ізостатичної рівноваги дозволяє пояснити основну особливість глибинної будови западин - скорочення потужності консолідованої кори.

На теоретичних моделях та реальних геолого-геофізичних профілях (геотраверси IV, Шевченкове-Близнюки, Ногайськ-Сватово, Новоазовськ Тітовка) показано, що формальне знаходження регіонального фону та виділення локальних аномалій в загальному випадку операція некоректна, а інтерпретація на цій основі може супроводжуватися багатьма помилками при оцінці не тільки кількісних параметрів окремих об'єктів, але і принципових особливостей будови літосфери. Гравітаційне поле в більшості регіонів досить гладке унаслідок прагнення окремих блоків та їх сукупностей до стану ізостатичної рівноваги різноглибинних густинних неоднорідностей. При цьому достатньо великі області аномально підвищеного або зниженого поля в першу чергу прямо пов'язані з особливостями будови і складу верхньої частини земної кори, а не з глибинними чинниками. Тому регіональний фон, який переважно вважався обумовленим якимись формальними глибинними об'єктами, насправді в першу чергу спричинено впливом великих приповерхневих неоднорідностей. Залишкове ж поле не відображає дійсного розподілу мас навіть у верхній частині земної кори, зменшує дійсний ефект приповерхневих об'єктів, не дозволяє виявляти глибинні неоднорідності, що є причиною виділення помилкових приповерхневих тіл, створює ілюзію однорідності глибинної частини земної кори та верхів мантії.

На практиці доцільно моделювати, хай і що узагальнено, наявні уявлення про будову та властивості середовища, що вивчається, включно з суміжними ділянками. Віднімаючи зі спостереженого поля обчислюваний таким чином ефект, для подальшої інтерпретації дослідник одержує не формальну складову, а поле, звільнене від впливу глибинних об'єктів середовища, що вивчається, і тому кількісна інтерпретація такого поля цілком правомірна. Рішення для окремих об'єктів в цьому випадку шукатиметься не в абстрактно-формальному вигляді, а змістовно як для частини загального закономірно обумовленого своїм геологічним розвитком середовища, виходячи із загальних модельних уявлень. При цьому істотно зменшиться вірогідність отримання помилкових рішень, підвищиться достовірність інтерпретації, зменшиться діапазон можливих помилок в оцінці окремих параметрів.

Проведені дослідження на теоретичних моделях показують, що при гравітаційному моделюванні необхідно не редукувати якісь елементи середовища, що вивчається, до якогось формально усередненого параметра, а проводити розрахунки для всіх об'єктів середовища до глибини, нижче за яку середовище можна (хай і умовно) прийняти однорідним (або що однаково змінюється по вертикалі). Інакше зредуковане поле в порівнянні із спостереженим виявляється спотвореним, і при кількісній інтерпретації неминуче з'являтимуться помилкові об'єкти, а параметри дійсних об'єктів будуть істотно спотворені.

Розрахунок густинної моделі уздовж профілю ГСЗ Путивль-Кривий Ріг, який також показав добру ізостатичну врівноваженість блоків земної кори, узгодження результатів моделювання з тим, що перетинає профіль геотраверсом IV та розташованим паралельно в північній частині профілем ГСЗ Шевченкове - Близнюки, підтвердив правомочність методологічних підходів. Для оцінки ізостатичної рівноваги для блоків земної кори уздовж всього профілю був застосований параметр F, який являє собою тиск на одиницю площі шарів, що залягають вище за визначену глибину.

Виявлені закономірності гравітаційних моделей глибинних структур літосфери з урахуванням їх прагнення до стану ізостатичної рівноваги при гравітаційній диференціації речовини в полі сили тяжіння Землі і наявність астеносфери (астеносфер) дозволяють зробити висновок про доцільність вивчення механізмів здійснення ізостатичної рівноваги на теоретичних моделях з подальшим розглядом на них же фундаментальної проблеми - вивчення тривалих і різноманітних форм тектонічного розвитку нашої планети. Що в свою чергу необхідно при створенні комплексних геолого-петролого-геофізичних моделей конкретних структур та їх сукупностей.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

Статті

1. Красовский С.С., Куприенко П.Я., Красовский А.С. Объемное гравитационное моделирование глубинных структур литосферы Украины // Проблемы теории и практики геологической интерпретации потенциальных полей. - Воронеж: Квадрат, 1998. - С. 80-91.

2. Красовский С.С., Красовский А.С. Региональный фон в задачах гравиметрии // Геофиз. журн. - 1999. - 21, №5. - С. 9-18.

3. Krasovsky S.S., Starostenko V.I., Kuprienko P.Ya., Krasovsky A.S. A detailed density model along the DSS profile Nogaisk-Svatovo// Geophys. J. - 1999. - 22, №4. - P. 105-107.

4. Красовский А.С., Красовский С.С. Теоретические гравитационные модели изостатически скомпенсированных впадин // Допов. НАН України. - 2000. - №6. - С. 129-133.

5. Красовский С.С., Красовский А.С. Гравитационное моделирование изостатически уравновешенных структур // ГЕОФИЗИКА XXI СТОЛЕТИЯ: 2001 год. Сборник трудов Третьих геофизических чтений им. В.В.Федынского (22-24 февраля 2001 г., Москва) Москва, Научный Мир, 2001. -С. 321-326.

6. Красовский А.С. Геологическое редуцирование при гравитационном моделировании глубинных структур. // Геофиз . журн. - 2002. 24, №5. - С. 69-81.

Тези

7. Красовский С.С., Красовский А.С. Астеносфера и тектогенез // Общие вопросы тетоники. Тектоника России. Материалы совещания. - М.: ГЕОС, 2000. - С. 262-265.

8. Красовский А.С. Теоретическое моделирование изостатически уравновешенных структур // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей. - М.: ОИФЗ РАН, 2001. -С. 49-50.

9. Красовский А.С., Красовский С.С., Куприенко П.Я., Пономарева Т.И. Плотностная модель вдоль профиля Путивль-Кривой Рог // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей. - М.: ОИФЗ РАН, 2001. - С. 51-52.

10. Красовский А.С. Изучение плотностных моделей с помощью имитационного моделирования // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей. - М.: ОИФЗ РАН, 2003. - С. 56-57.

Размещено на Allbest.ru