Электропроводность литосферы восточной части Фенноскандинавского щита по результатам двумерного анализа магнитотеллурических данных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат физико-математических наук Череватова, Мария Викторовна

• Череватова, Мария Викторовна
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Череватова, Мария Викторовна

Введение

Глава 1. Теория прямых и обратных задач.

1.1. Методы решения линейных дискретных обратных задач

1.2. Нелинейные обратные задачи

1.3. Обзор алгоритмов инверсии.:

1.4. Тестирование предложенного алгоритма инверсии на синтетических данных.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Анализ размерности и простирания структуры

2.1. Электропроводность Земли, связь с другими геофизическими параметрами.

2.2. Анализ размерности и простирания структуры по магнитотел-лурическим данным вдоль профиля ЗУЕКА-2.

2.3. Выводы к главе 2.

Глава 3. Геоэлектрическое строение восточной части Фенноскандинавского щита по результатам двумерной инверсии магнитотеллурических данных вдоль профиля 8УЕКА-2.

3.1. Геологическое строение и тектоника восточной части Фенноскан-динавского щита.

3.2. Строение литосферы восточной части Фенноскандинавского щита по результатам квазидвумерной инверсии магнитотеллу-рических данных вдоль профиля ЗУЕКА-2.

3.3. Двумерная инверсия магнитотеллурических данных для профиля SVEKA-2 по методу регуляризации Тихонова и алгоритму REBOCC

3.4. Сейсмические исследования в зоне сочленения Карельского кра-тона и Беломорского подвижного пояса на восточной части Фенноскандинавского щита. Совместная интерпретация сейсмических и магнитотеллурических данных.

3.5. Двумерная инверсия вдоль профилей SVEKA, FIRE.

3.6. Выводы к главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электропроводность литосферы восточной части Фенноскандинавского щита по результатам двумерного анализа магнитотеллурических данных»

Актуальность работы. Исследование гсоэлектрического строения Земли имеет важное значение для решения как фундаментальных, так и прикладных задач геофизики. Большой интерес с точки зрения изучения геоэлектрического строения литосферы представляет собой Фенноскандинавский (Балтийский) щит. Он является наиболее крупным и стабильным выступом древнего кристаллического фундамента Восточно-Европейской платформы. На Балтийском щите практически полностью отсутствует осадочный чехол, что позволяет эффективно использовать метод магнитотеллурического зондирования для исследования особенностей строения литосферы. В стабильных регионах древние тектонические процессы оставили следы в виде хорошо проводящих областей в коре и верхней мантии. Эти проводники обусловлены в основном графито- и/или флюидо-насыщенными породами [2], образовавшимися в результате тектонических преобразований, и указывают на положение шовных зон и границ тектонических структур [6], [13]. Отдельные результаты магнитотеллурических исследований указывают на наличие электрической анизотропии литосферы, которая, по всей видимости, является следствием тектонических процессов. Исследование этого явления также даёт возможность судить о процессах эволюции литосферы. Очень важным с точки зрения строения Земли является вопрос о положении астеносферно-го слоя и его физических параметрах. Именно глубинные МТ зондирования позволяют расширить знания в этом направлении. Кроме того, метод магнитотеллурического зондирования даёт информацию о распределении электропроводности в коре, что имеет большое практическое значение при решении задач разведочной геофизики.

Геоэлектрические исследования земной коры и мантии в Карелии ведутся с 60-х годов 20в. В настоящее время глубинными электрическими исследованиями охвачено большинство геологических объектов региона. Глубинные исследования проводились, в основном, методами магнитовариационных и магнитотеллурических зондирований, а также выполнялись зондирования земной коры в звуковом диапазоне (AMT) [10]. Анализом геоэлектрических материалов установлено, что основные структурные единицы восточной части щита легко прослеживаются по этим данным [9]. Фиксируются также области пониженного сопротивления до глубины 50 км. Получено нормальное распределение р на Карельском кратоне, установлено различие геоэлектрических разрезов архейского основания и раннепротерозойского чехла.

На протяжении многих лет сотрудниками НИИФ СПбГУ проводятся маг-нитотеллурические зондирования на Фенноскандинавском щите в расширенном интервале периодов [11],[12], [14]. В частности, выполнены зондирования вдоль профиля Териберка-Ковдор-Суоярви-Выборг [13]. Этот профиль близок к международному геотраверсу 1-ЕВт вдоль которого имеются гравиметрические, магнитные и сейсмические данные. Большое число зондирований выполнено вдоль профиля ЛАДОГА. Интерес к этому району связан с тем, что профиль пересекает Ладожско - Ботническую зону долгоживущих разломов (ЛБЗ). расположенную в области сочленения Карельского и Свекофенн-ского кратонов.

В соответствии с междунардным проектом SVEKALAPKO, задачей которого являлось комплексное изучение строения литосферы Фенноскандинав-ского щита, сотрудниками НИИФ СПбГУ проводились магнитотеллурически исследования электропроводности коры и мантии на продолжении финского профиля SVEKA [42], который идёт с юга, Финляндии в северо-восточном направлении до пересечения с границей России севернее Костомукши . На территории России продолжение профиля, получившего название SVEKA-2 [19], выходит к берегу Белого моря. Данный профиль пересекает архейский Карельский кратон и Беломорскую тектоническую провинцию, а также зону сочленения этих тектонических структур, строение которых представляет большой интерес с точки зрения изучения тектонического развития Фенносканди-навского щита. В период с 1997 по 2000гг. на Фенноскандинавском щите был проведён международный эксперимент BEAR (Baltic Electromagnetic Array Research) в 50 пунктах в интервале периодов 10 — 105с [60], [37}, [45}.Таким образом, исследование методом магнитотеллурического зондирования геоэлектрического строения Фенноскандинавского щита является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методики двумерной интерпретации магнитотеллурических данных и исследовании магнитотеллурическим методом геоэлектрического строения литосферы Фенноскандинавского щита на восточном участке геотраверса SVEKALAPKO. Задачи исследования:

• Усовершенствовать программу двумерной инверсии детерминанта тензора импеданса, основанную на методе регуляризации Тихонова с сингулярным разложением матрицы Якобиана.

Протестировать данный алгоритм на синтетических данных, с целью выявления особенностей решения. Сравнить полученные итоговые модели с результатами, полученными по программе двумерной инверсии REBOCC (Reduced data space Occam).

• Провести более полный предварительный анализ магнитотеллурических данных вдоль профиля SVEKA-2 методом разделения локальных и региональных эффектов, а также рассмотреть полярные диаграммы фазового тензора.

• Выполнить двумерную инверсию магнитотеллурических данных вдоль профиля SVEKA-2 и сравнить полученный результат с геологической интерпретацией данных вдоль сейсмического профиля 4В и результатами квазидвумерной инверсии, выполненных ранее в этом регионе.

Научная новизна.

• В работе впервые выполнена двумерная инверсия магнитотеллуриче-еких данных вдоль профиля SVEKA-2, которая позволила существенно уточнить глубинное строение исследуемого региона. Данные инвертировались по двум алгоритмам решения двумерных обратных задач: регуляризация Тихонова с сингулярным разложением и по программе REBOCC. Ранее, разрез вдоль профиля был получен только в квазидвумерном приближении.

• Впервые для инверсии данных SVEKA-2 был использован детерминант тензора импеданса. Преимуществами инверсии детерминанта является то, что он инвариант, детерминант уменьшает трёхмерные эффекты и фаза детерминанта не подвержена гальваническим искажениям.

• Предварительный анализ данных вдоль профиля выполненный ранее, был дополен анализом параметров, устойчивых к гальваническим искажениям, включая фазово-чувствительные skew и фазовый тензор. Полученные результаты позволили уточнить направление геоэлектрического простирания и размерности региональной структуры.

Практическая значимость. Разработанный алгоритм двумерной инверсии детерминанта тензора импеданса с использованием регуляризации Тихонова с SVD может быть с успехом использован для получения геоэлектрической модели строения исследуемого региона.

Методика предварительной интерпретации магнитотеллурических данных, опробованная на данных вдоль профиля SVEKA-2 позволяет получать достоверную априорную информацию о размерности структуры и направлении простирания. Это облегчает задачу о выборе между двумерной или трёхмерной инверсией,а также позволяет не ошибиться при выборе направления профиля, который должен располагаться под углом 90° к направлению простирания.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанный алгоритм двумерной инверсии детерминанта тензора импеданса на основе регуляризации Тихонова с использованием метода сингулярного разложения может быть эффективно использован для решения обратной магнитотеллурической задачи в классе двумерных моделей.

2. Проведённый анализ данных магнитотеллурических зондирований на восточной части Фенноскандинавского щита, показал необходимость учёта гальванических искажений тензора импеданса, что позволило существенно повысить устойчивость определения простирания структуры.

3. По результатам двумерной инверсии построен геоэлектрический разрез коры и верхней мантии от нескольких километров до 200км в зоне сочленения Карельского кратона и Беломорского подвижного пояса.

Апробация работы. Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на международных конференциях "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, 2008, 2010), конференции "Пятые научные чтения Ю.П. Булашевича" (Екатеринбург, 2009), "Electromagnetic soundings: Theory and Application"(Москва, 2010), "20th Electromagnetic Induction Workshop"(Giza,Egypt, 2010), семинарах "Crustal and upper mantle heterogeneities beneath the East European Craton: implications from EM studies" (Oulu, Finland, 2009), "Electrical conductivity of the lithosphere in the Eastern Part of the Fennoscandia as reaveled by 2D analysis of magnetotelluric data" (Oulu, Finland, 2010), по материалам работы была прочитана лекция из курса "Теория прямых и обратных задач"(2010).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в б печатных работах, из них статья в рецензируемом журнале [24], статья [25] и тезисы конференций [32], [26], [33], [34]

Личный вклад автора Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации 118 страниц, из них 80 страниц текста, 48 рисунков. Библиография включает 63 наименования на 8 страницах.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Череватова, Мария Викторовна

3.6. Выводы к главе 3

1. Данные, полученные на восточной части Фенноскандинавского щита в 13 МТ точках, были проинтерпретированы с помощью описанных процедур 2Б инверсии. На северо-востоке под Ковдо-Тикшеозерской и Хе-толамбинской гранит-зеленокаменными областями обнаружен проводник, погружающийся в восточном направлении до глубины 40 км. Эта структура представляет собой систему субдукции, которая появилась в архее. Континентальная кора в области, где профиль пересекает архейский Карельский кратон характеризуется высокими сопротивлениями, что хорошо согласуется с ранее выраженной гипотезой о том, что в архейских областях континентальная нижняя кора является более непроводящей.

2. Сравнение с результатами квазидвумерной инверсии, которая проводилась ранее для данных вдоль 8УЕКА-2 показывает, что двумерная инверсия позволяет существенно повысить достоверность реультатов по сравнению с одномерным подходом.

3. Двумерная инверсия вдоль профиля БУЕКА/ГШЕ, позволяет обнаружить в западной части профиля приповерхностный проводник, имеющий глубокие корни. Тестирование для случая короткого (БУЕКА) и длинного (БУЕКА/РЩЕ) профилей, когда мы добавляли и исключали из инверсии точки над проводником, показало, что данный проводник оказывает сильный береговой эффект.

4. Для случая профиля ЭУЕКА/РШЕ была выполнена двумерная инверсия для азимутов 50 и 90 градусов, а также, для уровня порога ошибок кажущегося сопротивления 90% и 10%. Это позволяет сделать вывод о том, что для имеющихся данных одновременно фаза и кажущееся сопротивление не подбирается. В случае, когда задавался уровень ошибок Рк 90% придавался больший вес фазам, при этом результат инверсии показывает кору, как непроводящий слой, сглаживая коровые неоднородности. В случае инверсии с порогом ошибок 10% для в центральной части профиля наблюдается зона аномально высоких сопротивлений, распространяющаяся на большие глубины, что врядли соответствует может соответствовать реальной ситуации.

Заключение

Диссертационная работа посвящена развитию методики двумерной интерпретации магнитотеллурических данных, основанной на методе регуляризации Тихонова и сингулярном разложении матрицы чувствительности и использованию данной методики для изучения геоэлектрического строения литосферы восточной части Фенноскандинавского щита. Основные результаты проведённых исследований заключаются в следующем:

• На основе метода регуляризации Тихонова разработан алгоритм двумерной инверсии детерминанта тензора импеданса. В алгоритме используется сингулярное разложение матрицы чувствительностей, позволяющее избежать процедуры обращения матрицы, требуемой в решении.

• Данный алгоритм был протестирован на синтетических моделях и показал свою эффективность при решении двумерной магнитотеллуриче-ской задачи. Исследовано поведение инверсии при выборе различных параметров регуляризации, которое показало необходимость введения в алгоритм цикла, позволяющего получить минимальный параметр регуляризации на текущей итерации, что обеспечивает наилучшую сходимость и результат инверсии.

• Сравнение итоговых моделей SVD инверсии синтетических данных с

- моделями REBOCC инверсии показало, что SVD алгоритм даёт более детальное строение верхней части разреза, но REBOCC имеет лучшее разрешение для нижней части.

• Для анализа данных вдоль профиля SVEKA-2 была использована методика основанная на разделении локальных и региональных эффектов. Были рассмотрены параметры неоднородности - skew Свифта, 3D/2D skew, а также построены полярные диаграммы фазового тензора. Основным преимуществом фазового тензора является его нечувствительность к гальваническим искажениям.

• По результатам двумерной инверсии построены геоэлектрические разрезы вдоль профилей SVEKA, SVEKA/MTFIRE, SVEKA-2. В зоне сочленения Карельского кратона и Беломорской тектонической провинции обнаружена проводящая область в коре, погружающаяся в восточном направлении под Хетоламбинский гранит-зеленокаменный террейн. Континентальная кора Карельского кратона обладает высокими сопротивлениями, что характерно для архейских кратонов. Полученный результат позволил уточнить квазидвумерную модель, и выполнить совместную интерпретацию с результатами сейсмических зондирований вдоль профиля 4В.

4o1

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Череватова, Мария Викторовна, 2010 год

1. Берзин Р. Г., Андрющенко Ю. Н., Заможняя Н. Г., Минц М. В., Ступак

2. B. М., Сулейманов А. К. Комбинированные сейсмические исследования в карельском регионе // Глубинное строение и сейсмичность Карельского региона и его обрамления. Петрозаводск. КарНЦ РАН, 2004. С.35-37.

3. Ваньян JI.JI. Электропроводность Земной коры в связи с её флюидным режимом // Коровые аномалии электропроводности. JL: Наука, 1984.1. C.27-34.

4. Ваньян JI.JI., Бердичевский М.П., Пушкарёв П.Ю. Астеносфера в свете магнитотеллурических данных // Электронный научно-информационный журнал «Вестник ОГГГГН РАН», 2001. V. 2(17). С.1-15.

5. Глебовицкий В. А. Ранний Докембрий Балтийского щита. М.: Наука, 2005. 711с.

6. Глебовицкий В. А., Миллер Ю. В., Другова Г. М. Структура и метаморфизм Беломорско-Лапландской коллизионной зоны // Геотектоника, 1996. N.1. С.63-75.

7. Голод М.И., Клабуков Б.Н., Гришин A.C. Глубинная электропроводность Карельской части Балтийского щита // Глубинная электропроводность Балтийского щита. КФ АН СССР, 1986. С.7-18.

8. Жарков В.Н. Геофизические исследования планет и спутников // Электронный научно-информационный журнал «Вестник отделения наук о Земле РАН», 2003. N.1(21). С.29-30.

9. Жданов М. С. Теория обратных задач и регуляризации в геофизике. М.: Научный мир, 2007. 710с.

10. Клабуков Б.Н. Результаты электромагнитных зондирований архейской земной коры // Глубинное строение и эволюция земной коры восточной части Фенноскандинавского щита профиль Кемь Калевала. Петрозаводск. КарНЦ РАН, 2001. С.94-102.

11. Ковтун A.A. Строение коры и верхней мантии на северо-западе Восточно-Европейской платформы. JL: ЛГУ, 1989. 286с.

12. Ковтун A.A., Вагин С.А., Варданянц И.Л. Магнитотеллурические исследования строения коры и мантии восточной части Балтийского щита // Изв. РАН. Физика Земли, 1994. N.3. С.25-33.

13. Ковтун A.A., Успенский Н.И. Геоэлектрика. Естественное поле. СПб.: Изд. СПбГУ, 2008. 122с.

14. Миллер Ю.В. Тектоника области сочленения Беломорского подвижного пояса и Карельского кратона // Геотектоника, 2002. N.4. С. 14-25.

15. Миллер Ю.В., Байкова B.C., Арестова H.A., Шулешко И.А. Роль Хето-ламбинского террейна в становлении и ранней истории развития Беломорского подвижного пояса // Геотектоника, 2006. V.2. С.17-32.

16. Минц М. В. Объёмная модель строения Карело-Беломорской области Фенноскандинавского щита, интерпретация сейсмических образов коры по профилям 1-ЕВ, 4В, FIRE-1 // Комплексные геолого-геофизические модели древних щитов, 2009. С.115-119.

17. Смирнов М.Ю. Развитие методики обработки магнитотеллурических данных и её применение при исследовании электропроводности литосферы восточной части Балтийского щита // Дисс. канд.ф.-м. наук. СПб., 1998. 106с.

18. Сыстра Ю. Й. Основные черты геологического строения Карельского региона // Глубинное строение и сейсмичность Карельского региона и его обрамления. Петрозаводск. КарНЦ РАН, 2004. С.14-23.

19. Тихонов А.Н. Математическая геофизика. М.: Изд. МГУ, 1999. 476с.

20. Троян В.Н., Киселёв Ю.В. Статистические методы обработки и интерпретации геофизических данных. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2000. 577с.

21. Федеральная программа развития минерально-сырьевой базы Российской Федерации, 1994-2004. N.876.

22. Череватова М. В. Двумерная интерпретация магнитотеллурических данных в зоне сочленения Центрально-Карельского и Беломорскогомегаблоков // Вестник СПбГУ. СПб.: Изд. СПбГУ, сер.4.вып.1, 2010. С. 12-23.

23. Akimoto S., Fujisawa Н. Olivine-spinel solid solution equilibrium in the system Mg2 Si04-Fe2-Si04 // J.Geophys.Res., 1968. V. 73. P.1467-1479.

24. Bahr K. Interpretation of the magnetotelluric impedance tensor regional induction and local telluric distortion // Geophisics, 1988. V.62. P.119-127.

25. Berdichevsky M.N., DmitrievV.I. Basic principles of interpretation of magnetotelluric sounding curves // Geolelectric and Geothermal Studies, KAPG Geophysical Monograph. Akademiai Kaido, 1976. P.165-221.

26. Caldwell T.G., Bibby H.M. Brown. The magnetotelluric phase tensor // Geophys. J. Int., 2004.V.158. P.457-469.

27. Candansayar M. Two-dimensional inversion of magnetotelluric data with consecutive use of conjugate gradient and least-squares solution withsingular value decomposition algorithms // Geophysical Prospecting, 2008. V.56. C. 141-157.

28. Cherevatova M. V. Deep structure of the Karelian part of the Fennoskandian shield seismological and geoelectrical research // 7th International Conference PROBLEMS OF GEOCOSMOS, 26-30 мая, 2008: Тез.докл. СПб, 2008. C.45-46.

29. Cherevatova M., Vagin S., Smirnov M. 2D inversion of the determinant of the impedance tensor based on damped least squares solution using SVD // 20th Workshop ELECTROMAGNETIC INDUCTION IN THE EARTH, 17-25 сентября, 2010: Тез.докл. Гиза, 2010.

30. Constable S. SE03: A new model of olivine electrical conductivity // Geophysics J. Int.,2006. V.166. P.435-437.

31. Constable S.C., Parker R.L., Constable C. G. Occam's inversion: A practical algorithm for generating smooth models from electromagnetic sounding data // Geophysics, 1987. V.52. N.3. 258c.

32. Engels M., Korja T. and the BEAR working group. Multisheet modelling of the electrical conductivity structure in the Fennoskandian Shield // Earth Planets Space, 2002. V.54. P.25-34.

33. Fletcher R., Reeves C. M. Function minimization by conjugate gradients // Computer J., 1959. V.7. P. 149-154.

34. Groom R.W., Bailey R.C. Decomposition of magnetotelluric impedance tensors in the presence of local three-dimensional galvanic distortion // J.Geophys.Res., 1989. V.94. P.1913-1925.

35. Karato S. The role of hydrogen in the electrical conductivity of the upper mantle // Nature, 1990. V. 347. P.272-273.

36. Kohlstedt D. L., Mackwell S.J. Diffusion of hydrogen and intrinsic point defects in olivine // Z.Phys.Chem., 1998. V.207. P. 147-162.

37. Korja T. Electrical conductivity distribution of the lithosphere in the central Fennoskandian Shield // Precambrian Research. Amsterolam, 1993. V.64. P.85-108.

38. Korja T., Hjelt S.E. Electromagnetic studies in the Fennoskandian Shield electrical conductivity of Precambrian crust // Physics of the Earth and Planetary interiors, 1993. V.81. P.107-138.

39. Korja T., Koivukoski K. Crustal conductors of the SVEKA Profile in the Early Proterozoic Fennoskandian (Baltic) Shield, Finland // Geophysical J. Int., 1994. V.116. P. 173-197.

40. Korja T., Smirnov M., Pedersen L.B., Charibi M. Structure of the Central Scandinavian Caledonides and the underlying Precambrian basement, new constraints from magnetotellurics // Geophys.J.Int., 2008. V.175. P.55-70.

41. Lahti I., Korja T., Pedersen L.B., and the BEAR Working Group. Lithospheric Conductivity Structure along the GGT/SVEKA Transect //

42. Abstract submitted for the 16th Workshop on Electromagnetic Induction in the Earth. USA, 2002.

43. Menke W. Geophysical data analysis: discrete inverse theory. Academic Press. Inc., 1989. 260pp.

44. Mints M., Suleimanov A., Zamozhnia N., Stupak V. A three-dimensional model of the Early Precambrian crust under the southeastern Fennoaskandian Shield: Karelia Craton and Belomorian tectonic province // Tectonophysics, 2009. V.472. P.323-339.

45. Polak E. Computational methods on optimization: A unified approach. Academic Press Inc., 1971. 329pp.

46. Ringwood A.E. Phase transformations and their bearingon the constitution and dynamics of the mantle // Geochim. Cosmochim. Acta, 1991. V.55. P.2083-2110.

47. Rodi W., Mackie R. L. Nonlinear conjugate algorithm for 2-D magnetotelluric inversion // Geophysics, 2001. V.66. P.174-187.

48. Siripunvaraporn W., Egbert G. An efficient data-subspace inversion method for 2D magnetotelluric data // Geophysics, 2000. V.65. P.791-803.

49. Smirnov M.Y. Magnetotelluric data processing with a robust statistical procedure having a high breakdown point // Geophys. J. Int., 2003. V. 152. P. 1-7.

50. Strakhov V. N. On the Parametrization Problem in Gravity Inversion // Fiz.Zemli, 1978. V.6. P.39-49.

51. Swift C.M. A magnetotelluric investigation of electrical conductivity anomaly in the southwestern United States // PhD Thesis Massachusetts Institute of Technology, 1967. 94pp.

52. Tikhonov A.N, Arsenin V.Y. Solution of ill-posed problems // John Wiley & Sons, 1977. 258pp.

53. Varentsov I.M. A general approach to the magnetotelluric data inversion in a piecewise-continuous media // Izvestia. Physics of the solid Earth, 2002. V.38. N.ll. P. 913-934.

54. Wang D., Mookherjee M., Xu Yo. Karato S. The effect of water on the electrical conductivity of olivine // Nature, 2006. V. 443. P.977-980.

55. Zhang P., Roberts R.G., Pedersen L.B. Magnetotelluric strike rules // Geophysics, 1987. V.52. P.267-278.