Изучение литосферы на анголо-бразильском геотраверсе сейсмическими методами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат геолого-минералогических наук Гылыжов, Руслан Муратович

• Гылыжов, Руслан Муратович
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Гылыжов, Руслан Муратович

Введение.

Актуальность проблемы.

Цель работы.

Основные задачи исследования.

Научная новизна.

Практическая ценность и личный вклад автора.

Защищаемые положения.

Фактический материал.

Благодарности.

Глава 1. Современные представления о строении литосферы океанов.

1.1 Введение.

1.2 Земная кора под океанами или океаническая кора. ф 1.3 Мантия Земли и механизмы тектоники плит.

1.4 Геолого-геофизическая изученность глубинного строения Атлантического океана.

• 1.4.1 Глубинное строение трансформпых разломов.

1.4.2 Геолого-геофизические разрезы, подводных окраин материков и переходных зон.

1.5 Геолого-геофизическая изученность строения литосферы Срединно-Атлантического Хребта.

1.5.1 Рельеф Срединно-Атлантического Хребта.

1.5.2 Примеры геологического строения САХ в зонах трансформных разломов ф 1.5.3 Вулкано-магматическая система САХ.

1.5.4 Геолого-геофизическая изученность магматических камер.

1.6 Выводы.

Глава 2. Новые возможности, которые даёт метод однородных функций при исследовании глубинных разрезов.

2.1 Свойства годографов и метод решения обратной задачи для среды, где скорость является однородной функцией.

2.2 Программа ГОДОГРАФ.

2.3 Численное моделирование.

2.4 Ограничения, разрешающая способность и скоростные погрешности метода однородных функций.

2.5 Выводы.

Глава 3. Геофизические исследования на Анголо-Бразильском геотраверсе (АБГТ) в 1980-1986 гг.

3.1 Методика сейсмических работ на АБГТ.

3.2 Волновое поле и глубинное строение осевой зоны Срединно-Атлантического хребта по результатам интерпретации Н.А Павленковой и Н.И Павленковой.

3.2.1 Характеристика волнового поля.

3.2.2 Построение сейсмического разреза.

3.3 Анизотропная модель верхней мантии Ангольской котловины.

3.4 Модели строения литосферы по АБГТ по данным о высотах геоида.

3.5 Сейсмогравитационное моделирование на Анголо-Бразильском геотраверсе.

3.6 Выводы.

Глава 4. Методика и результаты интерпретации данных по АБГТ методом однородных функций.

4.1 Параметры обработки и интерпретации годографов волн на АБГТ методом однородных функций.

4.1.1 Исследование различных способов интерполяции данных с целью наиболее полного выявления структурных особенностей разреза.

4.2 Строение литосферы Бразильской котловины и холмогорья.

4.2.1 Обработка и интерпретация данных в 1990-х годах авторами из Института Физики Земли.

4.2.2 Обработка и интерпретация методом однородных функций.

4.2.3 Сравнение разрезов, полученных методом однородных функций и методом математического моделирования.

4.3 Новые черты строения литосферы САХ.

4.3.1 Обработка и интерпретация данных в 80-х-90-х годах.

4.3.2 Обработка и переинтерпретация методом однородных функций.

4.3.3 Сравнение разрезов полученных методом однородных функций и методом математического моделирования.

4.4 Строение литосферы Ангольской котловины и подножья Африки.

4.4.1 Обработка, интерпретация данных, построение разрезов при прежней интерпретации данных.

4.4.2 Обработка и переинтерпретация методом однородных функций.

4.4.3 Субмеридиональный профиль.

4.4.4 Сравнение разрезов полученных методом однородных функций и методом математического моделирования.

4.5 Общий профиль по Ангольскому холмогорью, котловине и подножью Африки

4.5.1 Обработка и переинтерпретация методом однородных функций.

4.5.2 Сравнение разрезов полученных методом однородных функций и методом математического моделирования.

4.6 Сводный разрез по Анголо-Бразильскому геотраверсу.

4.7 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение литосферы на анголо-бразильском геотраверсе сейсмическими методами»

В 60-х годах прошлого века начались интенсивные исследования строения литосферы мирового океана. Наиболее информативными и точными методами исследования являются сейсмические методы. Основными проблемами при таких исследованиях можно назвать следующие: недостаточная глубинность методов отраженных волн и чрезмерно упрощенные модели разрезов, получаемые при исследованиях методами преломленных волн - глубинных сейсмических зондирований.

В настоящее время работы ГСЗ на длинных профилях выполнены практически на всех континентах и океанах, однако до настоящего времени эти работы преимущественно не обеспечивали достаточно полную систему годографов. В отличие от работ на континентах, исследования на океанах в большинстве случаев ограничивались получением одиночных годографов и обрабатывались в рамках однородно-слоистой модели. При такой обработке и интерпретации не удавалось достаточно достоверно проследить вариации скоростей, связанные с горизонтальной изменчивостью среды в пределах разнотипных структур в сложных районах. Таким образом, в районах со сложной структурой, в получаемый разрез не включались разломы и локальные неоднородности.

Новые данные об океанической литосфере дают полевые исследования методом ГСЗ на океанских геотраверсах, с использованием полных систем наблюдений с годографами большой длины, и при обработке данных на основе двухмерной модели среды. Переинтерпретация данных ГСЗ на Анголо-Бразильском геотраверсе с применением автоматической компьютерной обработки и интерпретации методом однородных функций позволила по-новому увидеть строение литосферы, различить многие детали её строения, которые невозможно увидеть при интерпретации методом математического моделирования.

Актуальность проблемы

Строение океанической литосферы, а также природа временных и пространственных вариаций спредингового процесса, происходящего в ней, до сих пор не достаточно изучены. В настоящее время, усилия многих научных коллективов сосредоточены на изучении современных процессов в зонах спрединга. По мере накопления данных в пределах срединно-океанических хребтов, осознаётся необходимость исследований также и вне осевых зон.

Комплексные геолого-геофизические исследования по океанским геотраверсам, на основе цифровой компиляции данных по сети наблюдений, позволяют изучить и охарактеризовать строение океанической литосферы.

Одним из фундаментальных океанских геотраверсов признается Анголо-Бразильский, расположенный в южной части Центральной Атлантики между 7° и 14° южной широты, в ключевом районе с точки зрения тектоники плит, а также в регионе который традиционно считается типовым для обстановки низкоскоростного спрединга. Поэтому переобработка и переиптерпретация данных ГСЗ на Анголо-Бразильском геотраверсе с использованием современных методов, основанных на применении моделей двухмерно-неоднородных сред, позволяющих определить более точное строение океанической литосферы, а также процессов происходящих в ней остается актуальной.

Цель работы

Построение двухмерной геолого-геофизической модели литосферы по Анголо-Бразильскому геотраверсу на основе современной компьютерной интерпретации данных сейсморазведки методом однородных функций.

Основные задачи исследования

1. Выбрать методику обработки годографов волн, исследовав различные способы интерполяции данных с целью наиболее полного выявления структурных особенностей разреза.

2. Выделить границы раздела, разломы, слои пониженных скоростей, аномальные скоростные зоны и произвести геологическую интерпретацию сейсмических разрезов с позиций тектоники плит.

3. Произвести сравнительный анализ между полученными геологическими интерпретациями и современными геологическими представлениями о строении литосферы океанов.

4. Обобщить новые данные о строении литосферы по геотраверсу.

5. Продемонстрировать сравнительную геофизическую и геологическую эффективность переинтерпретации данных ГСЗ прошлых лет методом однородных функций

Научная новизна

Обнаружены неизвестные ранее особенности строения литосферы Атлантического океана на протяжении геотраверса: наличие двух-трёх криволинейных, неустойчивых по мощности слоев состоящих из цепочек округлых вытянутых блоков. Эти слои отличаются относительно повышенной скоростью и повышенным градиентом скорости и находятся в среде с пониженной скоростью, видимо, относительно пластичной среде. Слои неравномерно погружаются от Средиппо-Антлантического Хребта в направлении континентов, образуя изгибы (литосферные складки) или нагромождения блоков.

Выявлены структуры литосферы, симметричные относительно САХ. На границе между флангами хребта в области ровного акустического фундамента литосферные слои формируют весьма характерные зоны: в прослеживании среднего литосферного слоя образуются перерывы, а нижний литосферный слой погружается до глубины 75 км, образуя четко выраженную синклиналь, па бортах синклинали присутствуют поднятия высокоскоростных слоев с выходом на поверхность дна и отражением в рельефе.

В зоне САХ на геотраверсе в подкоровой мантии выделены две области пониженной скорости, возможно, магматические камеры. В центральной части сейсмического разреза в районе САХ получена характерная клиновидная область астеносферы, поднимающаяся до глубины 15 км.

В районе африканской пассивной окраины литосферные слои испытывают скучиванье и погружение до глубин около 70 км, а затем воздымаются и внедряются в континентальную кору Африки.

Показано, что зависимость скоростей в верхней мантии Ангольской котловины, от направления, обнаруженная авторами прежней интерпретации, может быть объяснена наличием мантийного диапира, совпадающего по простиранию с меридиональным профилем, без привлечения анизотропии.

Разрезы в общих чертах согласуются с данными рельефа и гравиметрии и, в целом, не противоречат ранее полученным методом математического моделирования разрезам, а детализируют их.

Практическая ценность и личный вклад автора

Исследования - обработка, интерпретация и сравнительный анализ, геологическая интерпретация, выполнены автором лично, используя современные компьютерные технологии обработки и интерпретации данных методом однородных функций. Автором произведён значительный объём расчётов вариантов разрезов и выбраны наиболее оптимальные. Указанными исследованиями продемонстрирована чрезвычайно высокая геологическая эффективность использования метода однородных функций для переинтерпретации данных ГСЗ прошлых лет.

Приёмы обработки и результаты интерпретации данных на Анголо-Бразильском геотраверсе помогут исследованию возможностей метода однородных функций при изучении геологических разрезов и его практическому использованию для интерпретации данных глубинных сейсмических зондирований в других регионах.

Защищаемые положения

1. Разрезы вдоль геотраверса, раскрывают неизвестные ранее особенности литосферы океана, где слои, представленные цепочкой округлых вытянутых высокоскоростных блоков, погружены в относительно пизкоскоростпое пластичное вещество мантии. Литосферные слои погружаются в направлении от оси САХ, образуя крупные изгибы - литосферные складки. Длина волны складок составляет 400-700 км, амплитуда достигает 20 км.

2. В осевой зоне САХ в районе трансформного разлома Габон на сейсмическом разрезе выделяется клиновидное поднятие астеносферы до глубины 15 км и две магматические подкоровые камеры размерами 20 х 5 км. На разрезах геотраверса в астеносфере скорость увеличивается с глубиной от значений 7.8-8.4 до 9.2 км/с, линии равных скоростей имеют наклон 2-6° в сторону от оси САХ. Такой наклон изолиний предположительно может совпадать с направлением течения вещества астеносферы.

3. Существуют следующие, симметричные относительно САХ структуры: на границе между флангами хребта и котловинами средний литосферный слой образует перерывы, а нижний литосферный слой погружается до глубины около 75 км, формируя чётко выраженную синклиналь, на бортах синклинали присутствуют поднятия высокоскоростных пород с выходом на поверхность дна и отражением в рельефе.

4. В зоне сочленения Ангольской котловины с континентальной корой Африки океанические литосферные слои сначала погружаются до глубины 70 км, а затем воздымаются и внедряются в относительно низкоскоростную континентальную литосферу Африки.

Фактический материал

В работе были использованы годографы первых вступлений ГСЗ по профилям АБГТ, приведенные в открытой публикации: «Глубинное сейсмическое зондирование литосферы на Анголо-Бразильском геотраверсе» под ред. Зверева С.М., Косминской И.П., Тулиной Ю.В., М., 1996. В качестве дополнительных материалов использовались карты гравитационных полей вдоль АБГТ, любезно предоставленные заведующим кафедрой гравиразведки геологического факультета МГУ Булычёвым А.А.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, ведущему научному сотруднику В.Б. Пийп за постоянное внимание и помощь при выполнении работы.

Автор искренне признателен сотрудникам кафедры сейсмометрии и геоакустики МГУ: доктору физико-математических наук, профессору, M.JI. Владову, кандидатам геолого-минералогических паук А.В. Старовойтову, Е.А. Ефимовой и Н.В. Шалаевой; заведующему кафедрой гравиразведки кафедры геофизики МГУ доктору геолого-минералогических наук А.А Булычёву; а также коллективу ИФЗ Звереву С.М., Тулиной Ю.В. Павленковой Н.И. и Бурмину В.Ю. за консультации и ценные замечания.

Особую благодарность автор выражает Панкиной Маргарите Павловне за постоянную помощь и поддержку.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Гылыжов, Руслан Муратович

Выводы

1. На Анголо-Бразильском геотраверсе, в верхней мантии существуют два-три высокоскоростных (8-8.5 км/с) и высокоградиентных литосферных слоя, разделенных областями с пониженной скоростью (7.6 - 7.8 км/с). Все высокоскоростные слои разбиты на блоки округлой формы, размером от 20-50 до 100 км. Указанные слои погружены в относительно низкоскоростное вещество мантии. Они неравномерно погружаются от оси Срединно-Атлантического хребта по направлению к континентам, образуя крупные изгибы - литосферные складки. Длина волны складок составляет 400700 км, амплитуда достигает 20 км. Таким образом, в районе геотраверса подошва океанических плит не является плоской.

2. В астеносфере, кровля которой выявлена на глубинах от 15 до 75 км, получен наклон линий равных скоростей под углами 2-6" с падением (наклоном) в сторону от САХ. Возможно, это связано с направлением течений вещества астеносферы.

3. В районе Ангольского шельфа на разрезе получены структуры, характеризующие сочленение океанской литосферы Ангольской котловины с континентальной литосферой Африки. Океанические литосферные слои в зоне сочленения сначала погружаются до глубины 70 км а затем воздымаются и внедряются в относительно низкоскоростную континентальную литосферу.

4. В зоне сочленения флангов хребта с котловинами выделены симметричные структуры, характеризующиеся погружением нижнего литосферного слоя до глубины 75 км, на краях структур существуют симметричные поднятия высокоскоростных пород с выходом на поверхность дна.

5. В рифтовой зоне САХ на сейсмическом разрезе получено клиновидное поднятие астеносферы до глубины около 15 км, а также две подкоровые магматические камеры размером 20x5 км.

6. Разрезы хорошо согласуются с данными гравиметрии, рельефом дна и кривыми возраста пород.

7. Достоверность разрезов подтверждена расчетами теоретических годографов и сейсмических лучей.

8. Проведенная интерпретация демонстрирует высокую геофизическую и геологическую эффективность переинтерпретации данных глубинного сейсмического зондирования прошлых лет методом однородных функций.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7,

8,

9,

10

11,

12,

13,

Заключение

Обработка и иитерпретация данных ГСЗ методом однородных функций, а также, сравнение полученных разрезов с ранее полученными разрезами других методов, показали, что переинтерпретация данных методом однородных функций, хотя и подтвердила прежнюю интерпретацию, вместе с тем позволила получить более детальные и вместе с тем более простые и ясные в геологическом смысле разрезы литосферы Атлантического океана на Анголо-Бразильском геотраверсе, а также выделить ряд геологических структур и элементов, не обнаруженных ранее.

В целом, сравнивая старые и новые разрезы по Бразильской котловине и холмогорыо, нужно отметить, что авторы прежней интерпретации выделяли слои с пониженными скоростями, а при новой интерпретации были выделены слои с повышенными скоростями. Это связано с тем, что слои с повышенными скоростями и градиентами скорости, имеют рельеф, разбиты на блоки определенной формы -округлые, выпуклые или вогнутые, и таким образом, они хорошо выделяются на разрезе. А области или слои с пониженными скоростями - это пластичные области литосферы, они обладают относительно аморфной структурой, и как бы, являются вмещающей средой для слоев с повышенной скоростью

На разрезе в районе геотраверса в верхней мантии выделены три литосферных слоя: В1 (подкоровый литосферный слой), В2 (средний литосферный слой и ВЗ (нижний литосферный слой). Скорости распространения сейсмических волн в этих слоях в районе Бразильской котловины и холмогорья составляют 7.8-8.6 км/сек в слое В2 и 8.0-8.8 км/сек в слое ВЗ. Слой В2 имеет мощность 10-15 км и хорошо прослеживается в восточной и западной частях разреза. Слой ВЗ имеет мощность 20-25 км и хорошо прослеживается по всему разрезу. Сверху и снизу слои окружены вмещающими породами с меньшей скоростью, средняя скорость в которых составила 7.8-8.0 км/сек. Мощность литосферы в этом районе колеблется в пределах 50-75 км. На разрезе в районе Ангольской котловины в верхней мантии получены три высокоскоростных слоя, разделенных слоями с пониженной скоростью. Скорость сейсмических волн в каждом слое возрастает сверху вниз: в первом от 8 до 8.5 км/с, во втором и третьем от 8.5 до 9-9.5 км/с.

Слои образуют крупные изгибы - литосферные складки.

На профиле через осевую зону Срединно-Атлантического хребта выделены две магматические камеры размером 20x5 км, расположенные в верхней мантии в зоне трансформного разлома Габон. Камеры окружены серией разломов и зонами

148 повышенных скоростей. Кровля астеносферы погружается к западу от трансформного разлома от 15 км до 60 км на расстоянии 200 км. Строение литосферы, полученное нами на профиле через Средиппо-Атлантический хребет, имеет черты, характерные для разрезов через срединные океанические хребты в других районах Мирового океана.

В районе подножья Африки на разрезе получены структуры, характеризующие сочленение океанической литосферы Ангольской котловины с континентальной литосферой Африки. Высокоскоростные океанические литосферные слои сначала погружаются до значительной глубины, а затем внедряются в относительно низкоскоростную континентальную кору. Разрез Ангольской котловины в целом характеризуется повышенными скоростями. Этот факт согласуется с исследованиями проведенными раньше

На разрезе в районе пересечения с меридиональным профилем прослеживается структурный шов или разлом, пересекающий верхнюю мантию и астеносферу под углом 15° и падающий в сторону континента. По разные стороны от указанного шва резко меняются свойства астеносферы, а в верхней мантии прослеживается мантийный диапир.

В целом на всех разрезах выявлено блоковое строение слоев литосферы. Блоки имеют округлую вытянутую форму, размер блоков от 20-50 до 100-150 км. Достоверность разрезов подтверждается совпадением по своим средним скоростным характеристиками с разрезами, построенными ранее, решением прямой кинематической задачи сейсмики, а также их непротиворечивой и ясной геологической интерпретацией и сопоставлением с другими данными, полученными различными геофизическими методами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Гылыжов, Руслан Муратович, 2006 год

1. Автономная дониая сейсмическая аппаратура. Ред. Зверев С.М. М.: ИФЗ АН СССР, 1988. Деп. рукопись. ВИНИТИ № 6857/ В 88, 174 с.

2. Андерсон Дон JL, Дзевонский A.M. Сейсмическая томография // В мире науки. 1984. №2. С.16-25.

3. Атлас океанов. Атлантический и Индийский океаны. М.: ГУНИО МО СССР, 1977. 260 с.

4. Булычёв А.А., Гайнанов А.Г., Гилод Д.А. и др. Методика редуцирования спутниковых альтиметрических данных // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1995. № 5. С.64-70.

5. Булычёв А.А., Гайнанов А.Г., Гилод Д.А, Мазо Е.А. Гравитационные исследования литосферы Южной Атлантики. Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1997. № 2. С.38-50.

6. Булычёв А.А., Гилод Д.А., Кривошея К.В. Построение трехмерной плотностной модели литосферы океанов по полю высот геоида // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геология. 2001 № 6. С. 38-45.

7. Бурмин В.Ю. Численное решение обратной одномерной кинематической задачи сейсмики по годографу рефрагированных волн // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1986. № 12. С. 28-35.

8. Ганжа 0.10. Решение обратной кинематической задачи сейсморазведки методом оптимизации //Применение численных методов в исследовании литосферы. Новосибирск; Наука, 1982. С. 66 74.

9. Дитмар П.Г., Рослов Ю.В., Чернышев М.Ю. Пакет программ для интерпретации времен пробега сейсмических волн методом сейсмотографии., Изд-во ЛГУ, СПб., 1993.