Развитие методов интерпретации данных геоэлектрики в зонах субдукции японского типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат физико-математических наук Алексеев, Дмитрий Александрович

• Алексеев, Дмитрий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Алексеев, Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ НА МАНТИЙНЫХ ГЛУБИНАХ.

1.1. Электропроводность вещества верхней мантии и переходной зоны.

Минеральный состав пород мантии.

Лабораторные измерения электропроводности.

Факторы, определяющие электропроводность мантии Земли.

1.2. Представления о нормальном геоэлектрическом разрезе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методов интерпретации данных геоэлектрики в зонах субдукции японского типа»

Актуальность. Исследование глубинного строения и геодинамических процессов, протекающих в зонах субдукции, является фундаментальной задачей геодинамики. Зоны субдукции - важнейшие элементы глобального "конвейера", с которыми связаны такие явления как сейсмичность, вулканизм, образование внутренних бассейнов и т.д.

Электромагнитные (магнитотеллурические и магнитовариационные) зондирования, наряду с сейсмологией являются одним из основных инструментов при исследовании глубинного строения Земли. Оценка таких параметров мантийных недр, как содержание воды, и температурный режим не может быть получена без привлечения данных электромагнитных наблюдений.

В зависимости от параметров субдукционного процесса различают несколько основных типов субдукции [Хаин, Ломизе, 2005]. Их характер может быть весьма разнообразным: океаническая литосфера может субдуцировать под другую, более легкую, океаническую литосферу (марианский тип субдукции), либо под более легкую континентальную литосферу. В последнем случае наблюдаются ситуации с раскрытием задугового бассейна (японский тип субдукции) или без такового (андский тип). Типичным примером субдукционной зоны андского типа является зона субдукции плиты Хуан-де-Фука, геоэлектрическое строение которой изучалось в рамках проекта EMSLAB [Ваньян и др., 2002]. Следует отметить, что эта субдукционная система характеризуется выдержанным субмеридиональным простиранием основных геоэлекгрических структур и с высокой степенью точности допускает двумерную аппроксимацию.

Имеющиеся геофизические (главным образом, сейсмологические) данные указывают на то, что Дальневосточный регион (зона субдукции японского типа) характеризуется гораздо более сложным глубинным строением: сложной морфологией субдукционного слеба и наличием трехмерно-неоднородных зон. Кроме того, интерпретация данных глубинной геоэлектрики сильно затруднена ввиду сложной трехмерной геоэлектрической структуры приповерхностной части разреза, характеризуемой существенными контрастами электропроводности. Аномалии, связанные с этими контрастами — трехмерный береговой эффект, — существенно затрудняют выделение глубинной информации.

Актуальность исследований определяется необходимостью разработки эффективных подходов к интерпретации данных магнитотеллурических и магнитовариационных данных в условиях сложного глубинного строения зоны субдукции, а также в присутствии сильного искажающего действия трехмерного берегового эффекта.

Целью работы является разработка методики интерпретации данных глубинного электромагнитного (магнитотеллурического и магнитовариационного зондирования) в сложной геоэлектрической ситуации, типичной для зоны субдукции японского типа. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Построить ЗО-геозлектричсскую модель идеализированной зоны субдукции японского типа на основании прогнозных оценок глубинной электропроводности и современных представлений о тектоническом и геоэлекгрическом строении района Японского моря, включающей такие "целевые" структуры, как зона «влажного» плавления (астеносфера) под окраинным морем и цепочка магматических очагов в основании островной дуги.

2. Провести трехмерное и двумерное численное моделирование магнитотеллурического (МТ) поля и последующий расчет различных магнитотеллурических (МТ) и магнитовариационных (MB) функций отклика (тензора импеданса, горизонтального магнитного тензора, типпера).

3. Изучить явления нарушения дисперсионного соотношения в ТЕ-импедансе, наблюдаемого на дне океана в зоне континентального склона.

4. Оценить чувствительность различных компонент МТ-поля и различных МТ/МВ-функций отклика к присутствию целевых структур, а также выделить наиболее чувствительные компоненты (функции отклика).

5. Оценить степень влияния трехмерных неоднородностей электропроводности на различные компоненты МТ-поля и различные МТ/МВ-функции отклика с последующим выделением компонент (функций отклика), являющихся наиболее устойчивыми к подобным искажениям.

6. Выполнить двумерную инверсию различных ансамблей трехмерных синтетических данных (МТ/МВ-функции отклика) в последовательном и параллельном вариантах; выработать оптимальную стратегию инверсии.

7. Применить оптимальную стратегию инверсии при интерпретации МТ/МВ данных по профилю "Магнитная обсерватория СНС (г. Чанчунь, Китай) -донная обсерватория NWP (северо-западная часть Тихого океана)".

Автором защищаются следующие основные положения:

1.В рассмотренной геоэлектрической модели субдукционной зоны японского типа магнитотеллурическое поле имеет существенно трехмерный характер. Отличие в магнитотеллурических полях, рассчитанных для данной модели и для ее двумерного аналога, сопоставимо с аномальным эффектом от изучаемых глубинных неоднородностей электропроводности в земной коре и верхней мантии.

2. Наиболее информативными по отношению к глубинным проводящим структурам являются квазипродольные компоненты тензора импеданса и горизонтального магнитного тензора. В то же время, вертикальная компонента магнитного поля, в первую очередь, определяется горизонтальными изменениями электропроводности в приповерхностной части разреза, обусловленными переходом от океана к островной дуге, затем к окраинному морю и, наконец, к континенту.

3. В прибрежной зоне на дне океана выявлена аномалия ТЕ-моды магнитотеллурического поля. В данной области нарушается дисперсионное соотношение, связывающее модуль и фазу продольного импеданса. Это явление наблюдается как в двумерной, так и в трехмерной моделях берегового эффекта.

4. В трехмерной геоэлектрической модели субдукционной зоны японского типа можно проводить двумерную интерпретацию магнитотеллурических данных по профилям, идущим вкрест островной дуги. Полученное решение будет устойчивым при использовании априорной информации по нормальному геоэлектрическому разрезу мантии Земли. Необходимым условием успешной интерпретации является совместное использование тензора импеданса и горизонтального магнитного тензора, полученных по данным как сухопутных, так и донных наблюдений.

Научная новизна. В ходе выполненных исследований получены следующие новые научные результаты:

- построена прогнозная модель электропроводности зоны субдукции японского типа;

- изучена чувствительность различных МТ/МВ-функций отклика к элементам глубинного геоэлектрического строения зоны субдукции японского типа;

- исследована устойчивость МТ/МВ-функций отклика к влиянию интенсивных трехмерных контрастов электропроводности;

- развита методика интерпретации донных МТ-данных, основанная на выделении наиболее информативных компонент трехмерных данных и их последующей двумерной инверсии с приоритетом квазипродольного импеданса.

- построена глубинная геоэлектрическая модель по профилю, подтверждающая присутствие проводящей астеносферы под акваторией Японского моря.

Практическая значимость. Разработанная методика интерпретации МТ-данных может быть применена при изучении геоэлектрического строения зон субдукции японского типа по данным глубинных электромагнитных зондирований. Построение геодинамической модели Дальневосточного региона с учетом геоэлекгрических построений может быть использовано для сейсмического районирования и разведки геотермальных ресурсов.

Материалы и методы. Эксперименты по численному моделированию и инверсии магнитотеллурических данных выполнялись с использованием программ Р. Мэкки, К. Новожинского и Ив.М. Варенцова. Был разработан пакет программ для визуализации и редакции трехмерных и двумерных геоэлектрических моделей, а также для визуализации результатов моделирования, расчета различных функций отклика и их трансформант. При построении геоэлектрической модели по профилю "обсерватория СНС — донная обсерватория NWP" были использованы данные, доступные в архивах INTERMAGNET и обработанные Ив. М. Варенцовым. Кроме того, отдельные компоненты данных были заимствованы из ряда зарубежных и отечественных публикаций.

Личный вклад автора. Выполнен анализ современных представлений о природе электропроводности мантийного вещества, а также имеющихся результатов исследования субдукционных зон с использованием данных геоэлектрики. В вычислительной среде MATLAB разработан пакет программ для визуализации и редакции трехмерных геоэлектрических моделей, а также для визуализации результатов моделирования, расчета различных функций отклика и их трансформант. Создана программа-оболочка для программы 20-инверсии МТ-данных И.М. Варенцова, позволяющая визуализировать геоэлектрические модели и различные параметры процесса инверсии. Построена прогнозная трехмерная геоэлектрическая модель идеализированной зоны субдукции японского типа. Проведено трехмерное численное моделирование МТ/МВ-функций отклика. Выявлен и проанализирован эффект нарушения дисперсионного соотношения в импедансе ТЕ-моды, наблюдаемый на дне океана в зоне континентального склона. Выполнена двухмерная инверсия трехмерных синтетических данных и получены оценки чувствительности различных компонент МТ-поля и эффективности двумерной инверсии МТ-данных в условиях влияния сильных трехмерных искажений. Выполнена двухмерная инверсия данных по профилю "магнитная обсерватория СНС (г. Чанчунь, Китай) - донная обсерватория NWP (северозападная часть Тихого океана)" и построена модель глубинного геоэлектрического строения Япономорского региона.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на XVIII и XIX Международных конференциях по электромагнитной индукции в Земле (Испания, El-Vendrell, 2006; Китай, Пекин, 2008), а также на ряде семинаров, организованных в рамках совместного Российско-Японского проекта (проект РФФИ№07-05-91206-ЯФ-а) по изучению зоны перехода от Евразийского континента к Тихому океану: в Институте океанологии РАН, Москва, 2007; Институте изучения землетрясений Токийского университета и в Университете г. Тояма (Япония, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликованы статьи и тезисы докладов:

1 .Алексеев Д.А. Влияние берегового эффекта на данные магнитотеллурического зондирования в южной части геотраверса 2-ДВ, Магаданская область // Бюл. Моск.

О-ва Испытателей Природы. Отд. Геол. 2007. Т. 82, Вып. 6. С. 11—16.

2. Алексеев Д.А., Пальшин Н.А., Варенцов Ив.М. Дисперсионные магнитотеллурические соотношения в двумерной модели берегового эффекта // Физика Земли, 2009. №2. С.84—87.

3. Alekseev D.A., Palshin N.A., Berdichevsky M.N., Varentsov I.M. Violation of dispersion relationship in seafloor TE-impedance // Abstracts of 18th EMI Workshop, 2006, El Vendrell, Spain. S3-22.

4. Alekseev D.A., Palshin N.A., Berdichevsky M.N. Far East subduction zone 3D-conductivity structure modeling (case study) // Abstracts of 18th EMI Workshop, 2006, El Vendrell, Spain. S3-23.

5. Alekseev D.A., Palshin N.A. Analysis of the MT-responses, modeled for the th idealized subduction zone 3D-conductivity structure // Abstracts of 19 EMI Workshop, 2008, Beijing, China. P. 710.

5. Алексеев Д.А. Анализ синтетических магнитотеллурических функций отклика в идеализированной ЗБ-геоэлектрической модели субдукционной зоны // Материалы докладов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». CD-ROM. С. 3.

Объем и структура работы. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 8 таблиц, 68 рисунков, а также список литературы из 94 наименований.

Благодарности. Я особенно благодарен М.Н. Бердичевскому, явившемуся инициатором настоящих исследований. Также я выражаю огромную признательность научному руководителю А.Г. Яковлеву за его неизменную поддержку, расширение научного кругозора. Постоянные консультации оказывал мне Н.А. Пальшин, который предоставил материалы МТ наблюдений в Япономорском регионе и по существу был соруководителем. Без программного обеспечения, разработанного Ив.М. Варенцовым были бы не возможны эксперименты по инверсии донных МТ-данных. Значительную помощь оказывали мне В.К. Хмелевской, А.А. Булычев, И.Н. Модин, а также мои коллеги Д.В. Яковлев и Е.Д. Алексанова.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Алексеев, Дмитрий Александрович

5.8. Основные результаты эксперимента по 2Б-инверсии ЗБ-данных

С использованием аппарата 2Б-инверсии магнитотеллурических данных выполнена оценка эффективности решения обратной задачи в геоэлектрической модели идеализированной субдукционной зоны. Наибольший интерес исследования сводился к возможностям восстановления параметров проводящих целевых структур "as" и "тс", играющих роль астеносферной линзы и магматического очага, соответственно.

На первом этапе произведено тестирование используемой программы инверсии на двумерных МТ-данных. Полученные результаты позволяют говорить о высокой точности восстановления распределения УЭС в классе двумерных моделей и могут рассматриваться как верхняя оценка эффективности инверсии, выполняемой на трехмерных данных.

На втором этапе выполнялась серия инверсий трехмерных данных, синтезированных на центральном профиле "А", характеризующимся наименьшим уровнем трехмерных искажений данных ввиду симметрии исходной модели относительно профиля. Инверсии выполнялись на различных наборах компонент входных данных для различных схем параметризации разреза, а также при разных параметрах регуляризации решения. Произведено сопоставление результирующих геоэлектрических моделей и дана оценка точности восстановления разреза в каждой из инверсий. На основе анализа выходных данных семейства инверсий выявлена оптимальная схема инверсии, предполагающая использование многокомпонентного набора входных данных (импеданс, типпер, горизонтальный магнитный тензор) и однооконную параметризацию разреза.

На третьем этапе выявленный оптимальный подход был применен при инверсии ЗБ-данных на краевом профиле "В" и косоориентированном профиле "С", характеризующимся повышенным уровнем трехмерных искажений данных по отношению к центральному профилю "А". Проведен анализ сходимости решения, охарактеризованы результирующие 2Б-модели. Полученные результаты свидетельствуют об ухудшении эффективности инверсии. В то же время, на качественном уровне, представляется возможным говорить об успешном выделении целевых структур геоэлектрической модели.

Таким образом, получено представление о возможностях двумерной инверсии МТ-данных в областях субдукционных зон Япономорского типа, характеризуемых сложным тектоническим и, следовательно, геоэлектрическим строением. В условиях, когда имеющиеся экспериментальные МТ-данные носят профильный характер (например, в Дальневосточном регионе), полученные в разделе результаты могут быть использованы при их интерпретации и оценке достоверности построений (геоэлектрических и тектонических), основанных на этих данных.

ГЛАВА 6. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ДАННЫХ ПО ПРОФИЛЮ "ОБСЕРВАТОРИЯ СНС (ЧАНЧУНЬ, КИТАЙ) - ДОННАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ NWP (ТИХИЙ ОКЕАН)"

6.1. Данные электромагнитных наблюдений по Дальневосточному региону, доступные для интерпретации

В рамках работ по совместному Российско-Японскому проекту, была собрана собранная коллекция магнитотеллурических временных рядов,

Рис. 6.1. Схема расположения магнитных обсерваторий в Дальневосточном регионе являющейся уникальной по территории, длительности и качеству. В недавних европейских экспериментах (EMTESZ-Pomerania, BEAR) расстояния между пунктами наблюдения не превышали 1-2 тысяч км, в этом же случае они превышают 4 тысячи км (рис. 6.1). Для обработки данных Ив.М., Баренцевым и Н.А. Ладыниным применялись самые совершенные современные алгоритмы обработки данных (Варенцова, Ларсена, Смирнова, Чэйва).

В результате обработке временных рядов были получены оценки горизонтального магнитного тензора в нормировках на обсерватории СНС, LZH (Китай) и КАК (Япония). Кроме того, из ряда публикаций были заимствованы оценки компонент тензора импеданса и одномерные модели электропроводности, построенные по отдельным наблюдениям [Ichiki et. al., 2006; Toh et. al., 2006a,6; Ваньян и др., 2001]. Реестр доступных данных приводится в табл. 6.1.

Название пункта наблюдений Географические координаты Доступные компоненты данных Источник

Кабель JASC 42.8 N, 132 82 Е 37.67 N 137.98 Е рт и фт квазипоперечные Ваньян и др., 2000

Обсерватория ВМТ (Пекин, Китай) 40.3 N, 116.2 Е |Мхх|, Arg(Mxx), |Муу|, Arg(Myy) Архив INTERMAGNET

Обсерватория КАК (Какиока, Япония) 36.2 N, 140.2 Е |Мхх|, Arg(Mxx), |Муу|, Arg(Myy), Рху, фху, Pyx, фух, rcWzx, imWzx, reWzy, imWzy Архив INTERMAGNET

Обсерватория ММВ (Мемамбетцу, Япония) 43.9 N, 144.2 Е |Mxx|, Arg(Mxx), |Myy|, Arg(Myy), pxy, фху, PyX, ф^, reWzx, imWzx, reWzy, imWzy Архив INTERMAGNET

Обсерватория VLA (Владивосток, Россия) 43.78 N, 132.03 Е |Mxx|, Arg(Mxx), |Myy|, Arg(Myy), reWzx, imWzx, reWzy, imWzy Архив INTERMAGNET

Донные пункты МТЗ в Японском море (Т02, Т04, Т05, Т06) Т02: 39.5 N, 136.5 Е Т04: 39.5 N, 138.5 Е Т05: 39.5 N, 139.0 Е Т06: 39.5 N, 139.5 Е Рху, фху? Pyxs фух, с введенными поправками за батиметрию Оцифровка с иллюстраций из Toh et. al., 2006

Обсерватория LZH (Чанчунь, Китай) 36.08 N, 103.9 Е |Мхх|, Arg(Mxx), |Муу|, Arg(Myy) Архив INTERMAGNET

Обсерватория СНС (Чанчунь, Китай) 43.9 N, 125.3 Е; |Мхх|, Arg(Mxx), |Муу|, Arg(Myy) Архив INTERMAGNET

МТЗ в Северовосточном Китае 43.92 N, 125.0 Е Рху? фху, Рух, фух. Оцифровка из Ichiki et. al., 2006

Донная обсерватория NWP в Тихом океане 41.1 N, 160 Е |Мхх|, Arg(Mxx), |Муу|, Arg(Myy), рху, фху, Рух, фух, Оцифровка с иллюстраций X. Тоха

Табл. 6.1. Реестр доступных МТ/МВ данных по Япономорскому региону

6.2. 2В-инверсия данных по профилю CHC-NWP

Положение профиля инверсии и пунктов долговременных наблюдений показано на рис. 6.2. Направление профиля выбиралось таким образом, чтобы обеспечить пересечение основных тектонических структур вкрсст их локального простирания. Профиль начинается в пункте СНС (обсерватория Чанчунь, Китай) и заканчивается в акватории Тихого океана в точке с координатами 33.7 N, 152.8 Е. Следует отметить, что расстояние между этой точкой и донной обсерваторией NWP превышает 1000 км, однако, учитывая высокую степень латеральной однородности этой части Тихоокеанской плиты [Toh et al., 2006], представляется возможным формально относить данные с пункта NWP были к точке окончания профиля. На линию профиля были спроецированы (с учетом сферичности Земли) пункгы СНС, Т02, Т04, Т05, Т06, КАК, NWP; координаты проекций этих пунктов приводятся в табл. 6.2.

Рис. 6.2. Положение профиля "СНС" - "NWP" При подготовке данных к инверсии тензор импеданса приводился к главным направлениям по методу Эггерса [Бердичевский, 2009]. Одно из этих направлений можно считать близким к генерализованному направлению простирания основных геоэлектрических структур. Магнитный тензор в каждом пункте наблюдения также приводился к тем же направлениям, что и тензор импеданса.

Имя пункта СНС Т02' Т04' Т05' Т06' КАК' NWP

Широта, град. 43.9 N 40.7 N 40.1 N 40 N 39.8 N 39.1 N 33.7 N

Долгота, град. 125.3 Е 137.2 Е 138.9 Е 139.2 Е 139.7 Е 141.6 Е 152.8 Е узла сетки 6 37 41 42 43 49 84

Табл. 6.2. Распределение пунктов наблюдения вдоль профиля инверсии При инверсии был использован ансамбль данных в составе квазипродольного импеданса (кажущееся сопротивление, фаза импеданса) в диапазоне периодов от 600 с до 100 ООО с и квазипродольную компоненту магнитного тензора в диапазоне периодов от 600 с до 10 000 с. Длиннопериодные значения компонент магнитного тензора (при Т>3 ч) не использовались, т.к. они существенно искажены из-за воздействия солнечно-суточных вариаций. Данные были передискретизированы на сетку периодов, содержащую 8 значений, распределенных с геометрическим шагом. Использовалась схема однооконной параметризации разреза с коррелированными параметрами. Модель начального приближения строилась с учетом одномерных моделей, построенных рядом исследователей для обсерваторий СНС и NWP. Сравнение фоновых одномерных разрезов, использованных при построении идеализированной ЗБ-модели с результатами ID-интерпретации МТ-зондирований в пункте СНС по данным М. Ичики и в пункте NWP по данным X. Тоха показало, что последние оказываются несколько более проводящими по отношению к первым. Поэтому в качестве модели начального приближения использовалась соответсвующим образом адоптированная модель начального приближения из эксперимента по инверсии синтетических функций отклика. Адоптация предполагала также трансформацию сетки модели,' выполненную с учетом реальных расстояний между пунктами наблюдения, а также размерами сухопутных частей модели и акваторий. Исходя из

136 этих величин, шаг горизонтального разбиения во внутренней части модели был увеличен в 1.637 раза по отношению к сетке, использовавшейся при инверсии синтетических данных. Горизонтальный размер ячеек внутренней части модели составил 32.74 км. Коэффициент пересчета горизонтальных размеров ячеек во внешней части модели был равен 1,367.

Оптимизация модели велась в пределах единственного окна сканирования в интевале расстояний от 400 до 3200 км и интервале глубин от 10 до 600 км. Ожидаемые размеры структур в данном окне были приняты равными 100 х 50 км.

0 1000 2000 3000 км

Рис. 6.3. Геоэлектрический разрез по профилю "СНС" - "NWP" В ходе итерационного процесса невязка данных 5d убывала с 23.6% до 17.3%, причем выход на 17.3.% состоялся уже на итерации № 14, а дальнейшее продолжение итерационного процесса (65 итераций) не приводило к уменьшению

Sd

Результирующая модель показана на рис. 5.3. В центральной части окна сканирования в интервале расстояний 1400-1900 км на глубинах 60-300 км выделена проводящая структура с УЭС порядка 5-10 Ом-м. Следует отметить, что расхождения между результирующей моделью и моделью начального приближения вне этой аномально-проводящей области оказываются крайне снс

Т02

Т04

Т05

Т06

КАК

NWP

10® 10* 10е 10® 10* 10® 10s 10* 10®

Т, с

Т. с и> оо о q; г а> И s я

It

Ii

1.5

1.0 а.5 у Ы" d?' ' ч i'■

Рис. 6.4. Сопоставление экспериментальных и модельных данных по результатам инверсии

Экспериментальные данные Модельные данные незначительными. В пределах аномалии снижение удельного сопротивления по отношению к фоновому разрезу окна достигает 7 раз. Примечательно, что единственная аномальная структура оказалась выделенной на участке пунктов Т02—Т06, т.е. в зоне наибольшей плотности наблюдений.

Анализ расхождений экспериментальных и модельных данных (рис. 5.4) позволяет сделать вывод о лучшей сходимости по кажущемуся сопротивлению и фазе импеданса, нежели по модулю и фазе горизонтального магнитного тензора. В целом, качество интерпретации является удовлетворительным. Полученный результат демонстрирует явное ухудшение эффективности 2Б-инверсии в условиях недостаточной плотности наблюдений.

Следует отметить, что, несмотря на малое количество и низкую плотность наблюдений, удалось выявить зону повышенной электропроводности под акваторией Японского моря, ассоциируемую с астеносферой. Астеносферный проводник локализуется в интервале расстояний от 1200 до 1800 км на глубинах от 90 до 300 км. Этот результат, в целом, подтверждает результаты X. Тоха [Toh et. al., 2006 ].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. В рассмотренной геоэлектрической модели ЭМ поле имеет существенно трехмерный характер. Уровень трехмерных искажений МТ/МВ функций отклика сопоставим с величиной аномальных эффектов от глубинных неоднородностей электропроводности, представляющих основной интерес исследований. Влияние трехмерных неоднородностей электропроводности сильнее проявлено в квазипродольной моде.

2. На дне океана на расстояниях 50-500 км от берега наблюдается нарушение дисперсионного соотношения в импедансе ТЕ-моды. Это явление связано с индуктивным взаимодействием избыточных продольных токов, концентрирующихся в проводящей морской воде в зоне континентального склона, т.е. с горизонтальным скин-эффектом. На дне океана эти токи создают интенсивное аномальное магнитное поле, превышающее нормальное магнитное поле по амплитуде и находящееся с ним практически в противофазе. В результате полное поле оказывается направленным против нормального.

3. Квазипоперечная мода имеет более слабую чувствительность к целевым проводящим структурам по-сравнению с квазипродольной.

4. Наиболее информативными функциями отклика квазипродольной моды ЭМ-поля в порядке убывания информативности являются: фаза импеданса; кажущееся сопротивление; квазипродольная компонента горизонтального магнитного тензора. Индукционный вектор (типпер) обладает информативностью только на сухопутном участке модели и полностью теряет ее на дне окраинного бассейна /океана.

5. Несмотря на то, что уровень трехмерных искажений сопоставим с эффектом от целевых элементов разреза, двумерная инверсия трехмерных синтетических данных обеспечивает получение достаточно надежного решия обратной задачи, достаточно близкого к истинному при использовании:

- как сухопутных, так и донных наблюдений;

- ансамблей наиболее информативных компонент данных;

- априорной информации о глубинном геоэлектрическом разрезе на основе стандартных моделей электропроводности;

- регуляризации решения обратной задачи на основе параметризации восстанавливаемого разреза.

6. Объем длиннопериодных ЭМ измерений, выполненных в Япономорском регионе, оказывается недостаточным для построения надежной геоэлектрической модели. Однако все же удалось выделить проводящую структуру (астеносферу) под акваторией Японского моря, что подтверждает результаты других исследователей [Toh et al., 2007а]

Следует отметить, что в настоящее время в Тихом океане у восточных берегов Японии проводятся донные магнитотеллурические наблюдения. Также обсуждается возможность раскладки в центральной части акватории Японского моря длинного кабеля субмерйдионального направления с целью получения квазипродольного импеданса. В ближайшие годы ожидается существенный прирост электромагнитных данных в этом регионе. Рассмотренная методика интерпретации может оказаться полезной при изучении глубинной геоэлекрической структуры Японской субдукционной системы и подобных ей зон субдукции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Алексеев, Дмитрий Александрович, 2009 год

1. Алексеев Д.А. Влияние берегового эффекта на данные магнитотеллурического зондирования в южной части геотраверса 2-ДВ, Магаданская область // Бюл. МОИП. Отд. геол. 2007. Т. 82. Вып. 6. С. 11-16.

2. Алексеев Д.А., Палыиин Н.А., Варенцов Ив.М. Дисперсионные магнитотеллурические соотношения в двумерной модели берегового эффекта // Физика Земли. 2009. № 2. С. 84-87.

3. Алексеев Д.А. Анализ синтетических магнитотеллурических функций отклика в идеализированной ЗО-геоэлектрической модели субдукционной зоны // Материалы докладов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». CD-ROM. С.З.

4. Бахвалов Н. С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М., 2006. 636 с.

5. Бенъкова Н.П. Магнитные бури и системы электрических токов Л.: Гидрометеоиздат, 1953. 157 с.

6. Бердичевский М.Н., Борисова В.П., Коломийцева Г.И., Ротанова И.М., Файнберг Э.Б. Глубинные электромагнитные исследования Земли // Геомагнитные исследования. 1976. № 15. С. 5-16.

7. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И. Магнитотеллурическое зондирование горизонтально однородных сред. М.: Недра, 1992. 250 с.

8. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И. Модели и методы магнитотеллурики. М.: Научный мир, 2009. 680 с.

9. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И., Голубцова Н.С., Мерщикова Н.А., Пушкарев П.Ю. Магнитовариационное зондирование: новые возможности // Физика земли. 2003. № 9. С. 3-30.

10. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И., Мерщикова Н.А. Об обратной задаче зондирования с использованием магнитотеллурических и магнитовариационных данных. М.: МАКС Пресс, 2000. 68 с.

11. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И., Новиков Д.Б., Пастуцан В.В. Анализ и интерпретация магнитотеллурических данных. М.: Диалог-МГУ, 1997. 161 с.

12. Бердичевский М.Н., Жданова О.Н., Жданов М.С. Глубинная геоэлектрика в океане. М.: Наука, 1989. 80 с.

13. А. Бердичевский М.Н., Яковлев А.Г. Аналитическая модель МТЗ, искаженного эффектом S // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1989. № 9. С. 82-88.

14. Ванъян Л.Л., Палыиин Н.А. Искажения донных МТЗ в прибрежной зоне // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1990. № 8. С. 109-112.

15. Ванъян JI.JI., Бердичевский М.Н., Васин Н.Д., Окулесский Б.А., Шиловский П.П. О нормальном геоэлектрическом разрезе // Физика Земли. 1980. № 2. С. 73-76.

16. Ванъян JI.JI., Шиловский П.П. Глубинная электропроводность океанов и континентов. М.: Наука, 1983. 88 с.

17. Ванъян JI.JI., Кузнецов В.А., Любецкая Т.В., Палыиин Н.А., Корья Т., Лахти И. и Рабочая группа Международного проекта BEAR. Электропроводность земной коры центральной Лапландии // Физика Земли. 2002. № 10. С. 4-22.

18. Ваньян JI. Л., Пальшин Н. А., Утада X., Шимицу X., Никифоров В. М. Изучение теллурического поля с использованием кабеля, пересекающего Яонское море // Физика Земли. 2000. №7. С. 17-26.

19. Варенцов Ив.М., Голубев Н.Г. Конечно-разностная технология решения двухмерных прямых задач геоэлектрики в классе региональных моделей // Электромагнитное зондирование Земли. М.: ИЗМИР АН, 1985. С. 23-28.

20. Варенцов Ив.М., Голубев Н.Г., Гордиенко В.В., Соколова Е.Ю. Исследование глубинной геоэлектрической структуры вдоль линии Линкольн (эксперимент ЭМСЛАБ) // Физика Земли. 1996. № 4. С. 124-144.

21. Дмитриев В.И. Электромагнитные поля в неоднородных средах // Труды ВЦ МГУ. 1969. 132 с.

22. Жданов М.С. Обратные задачи и теория регуляризации в геофизике. М.: Научный мир, 2007. 712 с.

23. Лобковский Л.И., Никишин A.M., Хаин В.Е. Современные проблемы геотектоники и геодинамики. М.: Научный мир, 2004. 610 с.

24. Мороз Ю.Ф., Нурмухамедов А.Г., Лощинская Г.А. Магнитотеллурическое зондирование земной коры Южной Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1995. № 4-5. С. 127-138.

25. Мороз Ю.Ф., Нурмухамедов А.Г. Глубинная геоэлектрическая модель области сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг // Физика Земли. 2004. № 6. С. 54-67.

26. Никифоров В.М., Дмитриев И.В. Геоэлектрический разрез тектоносферы в зоне сочленения Япономорской впадины с материковым обрамлением // Тихоокеанская геология. 2007. Том 26. № 6. С. 3-14.

27. Никифоров В.М., Пальшин Н.А., Старжинский С.С., Кузнецов В.А. Численное моделирование трехмерного берегового эффекта в Приморье // Физика Земли. 2004. № 8. С. 56-69.

28. ЪХ.Новожинский К., Пушкарев П.Ю. Анализ эффективности программ для двумерной инверсии магнитотеллурических данных // Физика Земли. 2001. № 6. С. 72-85.

29. Рикитаки Т. Электромагнетизм и внутреннее строение Земли. Т.2. М.: Недра, 1968.331 с.

30. ЪЪ.Рокитянский И.И. Индукционные зондирования Земли. Т. 2. Киев: Наукова Думка, 1981.294 с.

31. ЪА.Палъшин И. А. Интерпретация донных глубинных магнитотеллурических зондирований в северной части Тихого океана. Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. М.: Институт океанологии им. П.П. Ширшова, 1992.

32. ЪЬ.Светов Б.С. Передаточные функции электромагнитного поля // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1991. № 1. С. 119-128.

33. Светов Б.С. Основы геоэлектрики. М.: Издательство ЛКИ, 2008. 656 с.

34. ЪЪ.Спичак В.В. Магнитотеллурические поля в трехмерных моделях геоэлектрики. М.: Научный мир, 1999. 204 с.

35. Тихонов А.Н. Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры // ДАН СССР. 1950. Т. 73. № 2. С. 295-297.

36. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. 2-е изд. М.: Книжный дом "Университет", 2005. 560 с.

37. Яковлев А.Г. Технология и результаты МТЗ на региональных профилях // Электромагнитные исследования земных недр. М.: Научный мир, 2005. С. 157-165.

38. Alekseev D.A., Palshin N.A., Berdichevsky M.N., Varentsov I.M. Violation of dispersion relationship in seafloor TE-impedance // Abstracts of 18th EMI Workshop, 2006, El Vendrell, Spain. S3-22.

39. Alekseev D.A., Palshin N.A., Berdichevsky M.N. Far East subduction zone 3D-conductivity structure modeling (case study) I I Abstracts of 18th EMI Workshop, 2006, El Vendrell, Spain. S3-23.

40. Alekseev D.A., Palshin N.A. Analysis of the MT-responses, modeled for the idealized subduction zone 3D-conductivity structure // Abstracts of 19th EMI Workshop, 2008, Beijing, China. P. 710.

41. Al.Baba K. Electrical structure in marine tectonic settings // Surv. Geophys. 2005. Vol. 26. P.701-731.

42. Berdichevsky M.N., Pokhotelov D.O. Violation of the dispersion relations in a three-dimensional magnetotellutic model // Physics of the Solid Earth. 1997. Vol. 8. №33. P. 603-612.

43. Cox C.S. On electrical conductivity of the oceanic lithosphere // Phys. Earth Planet. Int. 1981. Vol. 25. P. 196-201.

44. Cox C.S., Constable S.C., Chave A.D. and Webb S.C. Controlled source electromagnetic sounding of the oceanic lithosphere // Nature. 1986. Vol. 320. P. 52-54.

45. Constable S., Shankland T.J., Duba A. The electrical conductivity of an isotropic olivine mantle // J. Geophys. Res. 1992. Vol. 97. N B3. P. 3397-3404.

46. Constable S.C., Duba A. The electrical conductivity of olivine, a dunite, and the mantle // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 95. P. 6967-6978.

47. Eckhardt D.H., Lamer K., Madden T. Long period magnetic fluctuations and mantle electrical conductivity estimates // J. Geophys. Res. 1963. V. 68, No 23. P. 6279-6289.

48. Ernst Т., Sokolova E.Yu., Varentsov Iv.M., Golubev N.G. Comparison of two MT data processing techniques using synthetic data sets // Acta Geophys. Pol. 2001. Vol. 49. N2. P. 213-243.

49. Fukao Y., Koyama Т., Obayashi M., Utada H. Trans-Pacific temperaturee field in the mantle transition region derived from seismic and electromagnetic tomography // Earth Planet. Sci. Letters. 2004. Vol. 217. P. 425-534.

50. Gill P., Murray W. and Wright M. Practical optimization London: Academic, 1982.

51. Hashin Z., Shtrikman S. A variational approach to the theory of the effective magnetic permeability of multiphase materials // J. Appl. Phys. 1962. Vol. 33. P. 3125-3131.

52. Karato S., Riedel M.R., Yuen D.A. Rheological structure and deformation of subducted slabs in the mantle transition zone: implications for mantle circulation and deep earthquakes // Phys. Earth Planet. Int. 2001. Vol. 127. P. 83-108.

53. Mackie R.L., Madden T.R. Conjugate direction relaxation solutions for 3D magnetotelluric modeling // Geophysics. 1993. Vol. 58. N 7. P 1052-1057.

54. Nikiforov KM., Palshin N.A., Starzhinsky S.S., Kuznetsov V.A. Numerical modeling of the three-dimensional coastal effect in the primorski region // Izvestiya. Phys. Solid Earth. 2004. Vol. 40. N 8. P. 660-671.

55. Palshin N.A. Oceanic electromagnetic studies: a review // Surv. Geophys. 1996. Vol. 17. P.455-491.

56. Рек J. Linearization methods of interpreting MT and MV data I I Travaux Geophys. 1985. Vol. 33. P. 199-326.lA.Rai C.S., Manghani M.H. Electrical conductivity of ultramafic rocks to 1820 Kelvin // Phys. Earth Planet. Int. 1978. Vol. 17. P.6-13.

57. Shimakawa Y., Honkura Y. Electrical conductivity structure beneath the Ryukyu trench-arc system and its relation to subduction of the Phillipine sea plate // J. Geomagn. Geoelectr. 1991. Vol. 43. P. 1-20.

58. Soyer W., Unsworth M. Deep electrical structure of the northern Cascadia (British Columbia, Canada) subduction zone: Implications for the distribution of fluids // Geology. 2006. Vol. 34. N 1. P. 53-56.

59. Tyburczy J.A., Waff H.S., Electrical conductivity of molten basalt and andesite to 25 kilobars pressure: Geophysical significance and implications for charge transport and melt structure // J. Geophys. Res. 1983. Vol. 88. ,P. 2413 2430.

60. Toh H. Electrical conductivity structure of the Izu-Bonin arc revealed by seafloor electromagnetic observations. Ph.D. Thesis. Ocean Research Institute, University of Tokyo. 1993. Ill p.

61. Toh H., Baba K., Ichiki M., Motobayashi Т., Ogawa Y., Mishina M., Takahashi I. Two-dimensional electrical section beneath the eastern margin of Japan Sea // Geoph. Res. Lett. 2006. Vol. 33.

62. Toh H., Hamano Y., Ichiki M. Long-term seafloor geomagnetic station in the northwest Pacific: A possible candidate for a seafloor geomagnetic observatory // Earth Planets Space. 2006. Vol. 58. P.697-705.

63. Utada H., Koyama Т., Shimizu H. and Chave A.D. A semi-global reference model for electrical conductivity in the mid-mantle beneath the north Pacific region // Geoph. Res. Lett. 2003. Vol. 30. No. 4. P. 2645-2648.

64. Wannamaker P.E., Booker J.R., Filloux J.H. et al. Magnetotelluric section across the Juan de Fuca subduction system in the EMSLAB project // J. Geophys. Res. Special Section on EMSLAB. 1989a. Vol. 94. P. 14111-14125.

65. Wannamaker P.E., Booker J.R., Jones A. G. et al. Resistivity cross section through the Juan de Fuca Ridge subduction system and its tectonic implications // J. Geophys. Res. Special Section on EMSLAB. 1989b. Vol. 94. P. 14127-14144, 14277-14283.

66. Weidelt P. The inverse problem of geomagnetic induction // Zeitschrift fur Geophysik. 1972. Vol. 8. P. 257-290.

67. Xu Y.S., Shankland T.J., Рое В.Т. Laboratory-based electrical conductivity in the Earth's mantle // J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105, N В12. P. 27865-27865.

68. Yee E., Paulson K. Concerning dispersion relations for the magnetotelluric impedance tensor // Geophys. J. Int. 1988. Vol. 95. P. 549-559.