Неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.12, кандидат геолого-минералогических наук Чирков, Владислав Николаевич

• Чирков, Владислав Николаевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Чирков, Владислав Николаевич

Содержание

стр.

Введение

Глава 1. Современное состояние изученности вертикального градиента силы тяжести и собственных колебаний Земли

1.1. Нормальный вертикальный градиент

1.2. Измерение вертикального градиента силы

тяжести

1.3. Собственные колебания Земли

Глава 2. Временные изменения вертикального градиента силы тяжести

2.1. Методика наблюдений

2.2. Методика обработки

2.3. Результаты измерений вариаций

вертикального градиента силы тяжести

Глава 3. Связь вариаций градиента и собственных

колебаний Земли

Глава 4. О возможности использования вариаций в прогнозе динамической активности земной коры

4.1. Анализ короткопериодных вариаций градиента

4.2. Практические примеры использования вариаций вертикального градиента

4.3. Геологическое строение Мирненского

кимберлитового поля

4.4. Результаты региональных измерений

вертикального градиента силы тяжести

Глава 5. Возможные причины вариаций

вертикального градиента

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести»

Введение

В последние десятилетия все больший интерес вызывают естественные вариации геопотенциальных полей, которые позволяют изучать внутреннее строение Земли вплоть до ядра. С появлением высокоточной измерительной аппаратуры наряду с сейсмическими и электромагнитными методами исследований значительное место в изучении Земли в целом стали занимать вариации гравитационного поля. Дело в том, что гравитационное поле в отличие от других полей позволяет изучать более глубокие слои Земли, так как для силы тяжести не существует никаких экранов, как, например, в электромагнитном поле или в прохождении сейсмических колебаний.

На первом этапе в основном изучались лунносолнечные вариации силы тяжести. В целом была создана более или менее, приемлемая модель для расчета таких вариаций, хотя полной согласованности между наблюдаемыми вариациями и расчетными не было. Позже начали наблюдать неприливные вариации силы тяжести, которые связаны с землетрясениями и которые позволили выявить собственные колебания Земли. В самое последнее время исследованиями на кафедре геофизики Воронежского государственного университета были обнаружены неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести. На первый взгляд неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести логично вытекали из вариаций силы тяжести. Но элементарные расчеты показали, что амплитуда таких вариаций должна быть ничтожна, а экспериментально наблюдаемые амплитуды на несколько порядков выше.

Поэтому было решено изучить неприливные вариации вер-

тикального градиента силы тяжести, определить основные периоды изменения вариаций, их спектральные характеристики и обосновать их возможное использование в изучении внутренней структуры Земли и земной коры. Это собственно и было основной целью диссертации. Более конкретно задачи диссертации можно сформулировать следующим образом:

1 .Разработать методику наблюдений и обработки неприливных вариаций вертикального градиента силы тяжести.

2. Установить связь между вариациями градиента и собственными колебаниями Земли.

3. Дать оценку возможного использования неприливных вариаций градиента при изучении Земли.

4. Сделать предположения о возможных причинах неприливных вариаций вертикального градиента.

Решение поставленных задач проводилось с помощью проведения долговременных наблюдений вариаций вертикального градиента, выборе специальных приемов обработки для получения из данных наблюдений сведений о характере вариаций и объяснения возможных причин их появления. В диссертации защищаются следующие основные положения:

1. Разработана и усовершенствована методика наблюдений и обработки вертикального градиента силы тяжести

2. Обнаружены новые закономерности вариаций вертикального градиента: выявлены долговременные и сверхдолговременные периоды неприливных вариаций и установлена связь вариаций с землетрясениями

3. Установлена связь между собственными колебаниями Земли и неприливными вариациями вертикального градиента, а также намечены пути практического использования данных ва-

риаций

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на страницах и рисунках. В первой главе "Современное состояние изучения вертикального градиента силы тяжести и собственных колебаний Земли" рассматривается вопрос о вычислении нормального вертикального градиента и его изменении в зависимости от координат точки наблюдения. В данной главе также приводятся результаты предшествующих исследований вертикального градиента силы тяжести. Кроме этого в первой главе говорится о собственных колебаниях Земли, их разновидностях и истории их изучения.

Во второй главе "Временные изменения вертикального градиента силы тяжести" изложены методика наблюдений и обработки, а также представлены результаты проведенных исследований временных изменений вертикального градиента силы тяжести.

Измерения вертикального градиента проводились в одно и тоже время в течение полутора лет с помощью гравиметра путем измерения силы тяжести на двух высотах. Приращение силы тяжести между высотами измерения определялись с учетом линейности сползания нуль - пункта, так как между замерами проходило не более 1-3 минут. Определить погрешность единичного наблюдения не удалось, так как не было возможности разделить неприливные вариации вертикального градиента и погрешности измерения. В целом среднеквадратическая амплитуда вариаций составила ±20Е, что соответствует реальным полевым измерениям. По теоретическим расчетам точность измерения на часовом интервале не превышает ±ЗЕ, что на 2-3 порядка меньше амплитуды вариаций.

Обработка наблюдений проводилась с помощью методов осреднения, путем вычисления периодограмм и спектров. Были построены временные ряды изменения вариаций вертикального градиента, а затем они были обработаны с различным шагом осреднения. В результате обработки установлены зональные изменения вариаций градиента. Доказано существование вариаций путем синхронных наблюдений двумя гравиметрами и указано на возможную связь между вариациями градиента и землетрясениями. Определены основные периоды колебаний. Отмечаются как сравнительно непродолжительные периоды колебаний, которые можно связать с периодами собственных колебаний Земли, а также длиннопериодные длительностью в месяц и более, природа которых пока не известна.

В третьей главе "Связь вариаций градиента и собственных колебаний Земли" приводятся результаты синхронных наблюдений вариаций вертикального градиента в гг. Воронеже и Мирном (Якутия) с целью доказательства связи вариаций градиента и собственных колебаний Земли. В 1996 году в мае - июне в г. Воронеже и г. Мирном (Саха - Якутия) синхронно измерялись вариации вертикального градиента. Кривые изменения градиента в обоих пунктах полностью совпали по форме без сдвига по фазе. Такое совпадение вариаций на столь больших расстояниях возможно только в случае, если источник генерирования вариаций Угг находится в ядре Земли. Причем периоды вариаций вертикального градиента совпали с периодами собственных колебаний Земли, что свидетельствует о тесной связи собственных колебаний Земли и неприливных вариаций градиента.

Четвертая глава "О возможности использования вариаций в прогнозе динамической активности земной коры" содержит в се-

бе результаты исследований, которые были направлены на изучение возможности использования вариаций вертикального градиента в прогнозе динамической активности земной коры. Для этого были проведены специальные измерения вариаций вертикального градиента силы тяжести в двух пунктах, расположенных друг от друга на расстоянии 25 км. Один из пунктов располагается в зоне Лосевско - Мамонского разлома. Данные измерения были обработаны и определены наиболее значимые периоды вариаций, а потом было проведено сравнение с периодами вариаций силы тяжести, измеренные в Калифорнийском университете Лос-Анжелеса после Чилийского землетрясения в 1960г. Периоды вариаций практически полностью совпадают с полученными периодами в Калифорнии, а также с теоретическими расчетами на моделях Буллена и Гутенберга. Однако, начиная с границы, кора-мантия в спектре, полученном для Воронежа появляются периоды отличные от калифорнийских периодов. Это позволяет сделать вывод о различном геологическом строении верхней части земной коры, что известно давно по обычным геологическим данным.

Было установлено, что в дни сейсмической активности появляется много дополнительных короткопериодных периодов, в то время как основные периоды выделяются на протяжении всего времени измерений. Подчеркнем, что дополнительные периоды практически все короткопериодные, что связывается с самыми верхними слоями земной коры, их нарушенностью в структурном и вещественном отношении. Причем дополнительные периоды появляются в основном в зоне Лосевско-Мамонского разлома. Перечисленные обстоятельства позволили выдвинуть предположение об использовании вариаций градиента для изучения дина-

мической активности разломных зон. С этой целью были проанализированы измерения вертикального градиента над Ботуобин-ской алмазоносной трубкой и над одним из региональных профилей в Мирненском алмазоносном районе. В качестве критерия оценки было использовано среднеквадратическое отклонение единичного измерения. Оказалось, что все разломные зоны отмечаются повышенной погрешностью измерения.

В конце главы делается вывод о возможном применении вариаций градиента для изучения динамической активности земной коры и сейсмотектонического районирования.

В пятой главе "Возможные причины вариаций вертикального градиента" обсуждаются причины, которые могут вызывать вариации вертикального градиента. Делается предположение, что собственные колебания Земли являются причиной или спусковым механизмом для землетрясений.

В заключении говорится о результатах, которые были достигнуты в процессе написания диссертации.

Для написания диссертации автором были использованы полуторагодичные измерения неприливных вариаций вертикального градиента и литературные данные по собственным колебаниям Земли, и частично литературные данные по измерению вертикального градиента силы тяжести на кафедре геофизики. Для сравнительного анализа наблюдений в диссертации использован временной ряд наблюдений, полученный доц. Слюсаревым, с его разрешения. Автор благодарит всех сотрудников кафедры геофизики, помогавших при выполнении научных исследований.

>

10

Заключение диссертации по теме «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых», Чирков, Владислав Николаевич

Заключение

В диссертации изложены результаты четырехлетних исследований вертикального градиента силы тяжести. Основные выводы, определяющие теоретическую и практическую значимость выполненных исследований, состоят в следующем.

1. Усовершенствована методика измерений неприливных вариаций вертикального градиента силы тяжести и разработана методика обработки наблюденных вариаций градиента, позволившие выявить и охарактеризовать основные периоды вариаций градиента.

2. Обнаружены новые закономерности изменения вариаций во времени. В частности выявлена зона аномальных изменений вертикального градиента и их связь с землетрясениями. Выявлены новые долговременные периоды вариаций и обнаружена их возможная зависимость от положения оси вращения Земли в пространстве, а также доказана реальность существования неприливных вариаций вертикального градиента.

3. Установлена связь собственных колебаний Земли с неприливными вариациями вертикального градиента, для чего был проведен уникальный эксперимент по синхронному измерению вариаций в г. Мирном (Якутия) и в г. Воронеже

4. Намечены пути практического использования неприливных вариаций в геологоразведочном деле. На примере наблюдений над разломными зонами был установлен критерий определения динамической активности земной коры. В качестве критерия определена среднеквадратическая погрешность единичного измерения градиента. По указанному критерию можно проводить тектоническое и сейсмотектоническое районирование.

5. Установлено, что неприливные вариации начинаются задолго до землетрясений, что позволяет высказать предположение, что источником собственных колебаний Земли являются не землетрясения, а наоборот, собственные колебания являются спусковым механизмом для землетрясений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Чирков, Владислав Николаевич, 1998 год

Список литературы.

1. Антонов Ю.В., Зубченко Е.А., Савинкин А.Т. Возможности измерения вертикального градиента силы тяжести // Разведка и охрана недр. - 1986. - № 9. - С. 39-42.

2. Антонов Ю.В., Зубченко Е.А., Савинкин А.Т. Возможности измерения и практического использования вертикального градиента силы тяжести // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. -1986. - № 11. - С. 102-104.

3. Антонов Ю.В., Винокуров С.К. , Слюсарев C.B. Эффективность градиентных исследований при поисках сульфидного оруденения на Воронежском массиве // Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений. - Свердловск, 1990. - С. 58-62.

4. Антонов Ю.В. Зубченко Е.А.,Слюсарев Природа аномалий вертикального градиента силы тяжести над горными сооружениями Южного Тянь-Шаня // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. - 1990. - № 7. - С. 102-107.

5. Антонов Ю.В.,СлюсаревС.В. Эффективность градиентных измерений магнитного и гравитационного полей при картировании железорудной толщи КМА // Разведочн. геофизика. - 1991. -Вып. 113. - С. 76-81.

6. Антонов Ю.В., Варламов A.C., Слюсарев C.B. Результаты интерпретации измерений вертикального градиента силы тяжести по профилю Тамбов - Харьков // Прикладн. геофизика. -1991. - Вып. 124. - С. 87-91.

7. Антонов Ю.В., Сусин O.A., Слюсарев C.B. Использование микрогравиметрических измерений в инженерно- геологических изысканиях // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. - 1992. - № 4. -

С. 134-140.

8. Антонов Ю.В., Слюсарев C.B. Неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести и их возможная связь с землетрясениями // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. - 1992. -№5. - С. 101-105.

9. Антонов Ю.В., Сусин O.A., Слюсарев C.B. Использование микрогравиметрических измерений в инженерно- геологических изысканиях // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. - 1992. - № 4. -С. 134-140.

10. Антонов Ю.В., Сусин O.A., Слюсарев C.B. Микрогравиметрические измерения при инженерно-геологических изысканиях // Разведочн. геофизика. - 1993. - Вып. 115. - С. 69-77.

11. Антонов Ю.В., Опанасюк П.Д., Слюсарев C.B., Возможные причины изменения вертикального градиента силы тяжести // Разведочн. геофизика. - 1993. - Вып. 115. - С. 94-102.

12.Антонов Ю.В., Сусин O.A., Слюсарев C.B. Роль микрогравиметрических измерений в инженерно-геологических изысканиях // Разведка и охрана недр. - 1993. - № 1. - С. 28-31.

13. Антонов Ю.В., Слюсарев C.B. Неприливные изменения вертикального градиента силы тяжести // Прикладн. геофизика. -1993, - Вып. 128. - С. 120-126.

14. Антонов Ю.В., Слюсарев C.B., Чирков В.Н. Результаты синхронных наблюдений за изменением вертикального градиента в Якутии и на Воронежском массиве // Вестн. ВГУ. Сер. геол. -1996.- № 2.- С. 182-186.

15. Антонов Ю.В., Манаков A.B., Слюсарев C.B. Возможная природа вариаций вертикального градиента силы тяжести // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. - 1996. - №1. - С. 144-145.

16. Антонов Ю.В., Слюсарев C.B., Чирков В.Н. Неприлив-

ные вариации вертикального градиента силы тяжести // Геофизика. - 1997. - №1. - С. 41-45.

17. Балавадзе Б.К. К методике определения вертикального градиента силы тяжести // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. - 1968. -Вып. 27. - С. 54-56.

18. Ботт М. Внутреннее строение Земли. - М. : Мир, 1974. -

373с.

19. Буллен К. Плотность Земли. - М. : Мир, 1978. -442с.

20. Васильев О.Б., Витман Н.Г. Собственные колебания Земли по записям сейсмонаклономеров // Изв. АН. СССР. Физика Земли. - 1974. - №1. - С. 41-52.

21. Веселов К.Е. Гравиметрическая съемка. - М. : Недра, 1986. -312с.

22. Глубинное строение восточной части Сибирской платформы и прилегающих складчатых сооружений Верхояно-Чукотской области / Под. ред. Ю.А. Косыгина. - М. : Наука, 1968. -172с.

23. Гутенберг Б. Физика земных недр. - М. : Изд-во иностр. лит., 1963. -263с.

24. Долгих Г.И., Копвилем У.Х., Павлов А.Н. Наблюдение периодов собственных колебаний Земли лазерным деформомет-ром // Изв. АН. СССР. Физика Земли. - 1983. - №2. - С. 15-20.

25. Жарков В.Н., Любимов В.М. Теория сфероидальных колебаний для сферически несимметричных моделей Земли // Изв. АН. СССР. Физика Земли. - 1970. - №2. - С. 1-14; №10. - С. 3-12.

26.Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. - М. : Наука, 1983. -415с.

27. Жарков В.Н., Трубицын В.П. Физика планетных недр. -

M. : Наука, 1980. -448c.

28. Жовинский A.H., Жовинский В.H. Инженерный экспресс-анализ случайных процессов. - М. : Энергия, 1979. -113с.

29. Козьмин Б.М. Сейсмические пояса Якутии и механизмы очагов их землетрясений. - М. : Наука, 1984. -127с.

30. Ландер А.Е., Левшин A.A., Писаренко В.Ф. Выделение собственных колебаний Земли по записям обсерватории "Обнинск" // Вычисл. сейсмология. - 1974. - Вып. 7. - С. 315-331.

31. Линьков Е.М. О планетарном характере явлений, вызывающих дрейф нуля гравиметров // Докл. АН СССР. - 1970. -Т.195, №1. - С.82-85.

32. Линьков Е.М. Сейсмические явления. - Л. : Изд-во ЛГУ, 1987. - 248с.

33. Линьков Е.М., Петрова Л.Н., Зурашвили Д.Д. Сейсмо-гравитационные колебания Земли и связанные с ними возмущения атмосферы // Докл. АН СССР. - 1989. - Т. 303, №1. - С. 7577.

34. Мельхиор П. Физика и динамика планет. - М. : Мир, 1976. - Т.2. -483с.

35. Методика и результаты измерения вертикального градиента силы тяжести на Воронежском кристаллическом массиве / Антонов Ю.В., Винокуров С.К., Котов В.Н., Слюсарев C.B. // Прикладн. геофизика. - 1992. - Вып. 126. - С. 80-90.

36. Молоденский М.С., Крамер М.В. Коррективы в схему строения Земли, полученные по частотам собственных колебаний // Изв. АН. СССР. Физика Земли. - 1975. - №12. - С. 3-12.

37. Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясений. - М. : Мир, 1978. -231с.

38. Некоторые результаты повторных измерений вертикаль-

ного градиента силы тяжести/ М.Б. Штейман, A.B. Копаев, И.А. Леонтьев и др. // Повторные гравиметрические наблюдения. - М., 1988.- С. 35-40.

39. Наблюдение длиннопериодных колебаний Земли / Н.Г. Савина, С.Я. Типисев, Е.М. Линьков, Т.Б. Яновская // Изв. АН. СССР. Физика Земли. - 1984. - №8. - С. 3-12.

40. Обертоны крутильных колебаний / В.Н. Жарков., В.М. Любимов, A.A. Мовчан, А.И. Мовчан // Изв. АН. СССР. Физика Земли. - 1967. - №5. - С. 75-85.

41. Обертоны крутильных колебаний для п=1 / В.Н. Жарков., В.М. Любимов, A.A. Мовчан, А.И. Мовчан // Изв. АН. СССР. Физика Земли. - 1969. - №1. - С. 69-73.

42. Петрова Л.Н., Линьков Е.М. Спектры длиннопериодных колебаний, предваряющих землетрясения // Вопр. геофизики. 1978. - Вып. 27. - С. 60-65.

43. Пробные распределения диссипативной функции в оболочке Земли / В.Н. Жарков, В.М. Любимов, Л.Н. Дорофеева, В.М. Дорофеев // Изв. АН. СССР. Физика Земли. - 1974. - С. 312.

44. Результаты изучения вертикального градиента силы тяжести на Мирненском кимберлитом поле (Саха-Якутия) / Ю.В. Антонов, В.И. Жаворонкин, О.М. Муравина, C.B. Слюсарев // Вестн. ВГУ. Сер. геол. - 1998. - №5. - С. 180-186.

45. Сверхдлиннопериодные колебания Земли / Е.М. Линьков, Л.Н. Петрова, Н.Г. Савина, Т.Б. Яновская // Докл. АН. СССР. - 1982. - Т. 262, №2. - С. 321-324.

46. Серебренников М.Г., Первозванский A.A. Выделение скрытых периодичностей. - М. : Физматгиз, 1965. -281с.

47. Слюсарев C.B., Чирков В.Н. Вертикальный градиент си-

лы тяжести и собственные колебания Земли // Вестн. ВГУ. Сер. геол. - 1997. - № 3. - С. 144-147.

48. Собственные колебания Земли / Под ред. Жаркова В.Н. -М. : Мир, 1964. -315с.

49. Стейси Ф. Физика Земли. - М. : Мир, 1972. - 340с.

50. Структурный контроль проявлений кимберлитового магматизма на северо-востоке Сибирской платформы. Новосибирск: Наука, 1974. -98с.

51. Шкодзинский B.C. Происхождение кимберлитов и алмазов. Якутск: Б. и, 1995. -167с.

52.Яновский Б.М. Земной магнетизм. - JI. : Изд-во ЛГУ, 1963. - Т. 1. -445с.

53. Ager С.A., Liard S.O. Vertical Gravity Gradient Surveys: Field Results and Interpretation in British Columbia, Canada// Geophysics. - 1982. - V.47, № 7. - P. 919 - 925.

54. Faiklewisz Z. Gravity Vertical Measurements for the Detection of Small and Antropogenic form // Geophysics.-1976. -V.41, №5. - P.1016 - 1030.

55. Hammer S. Investigation the Vertical of Gravity// Trans. Amer. Geophis. Union. - 1938. - P.72