Введение к работе
Актуальность работы. Исследование геоэлектрического 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 Фен-носкандинавский (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.
Геоэлектрические исследования земной коры и мантии в Карелии ведутся с 60-х годов 20 в. В настоящее время глубинными электрическими исследованиями охвачено большинство геологических объектов региона. Глубинные исследования проводились в основном методами магни-товариационных и магнитотеллурических зондирований, а также были выполнены зондирования земной коры в звуковом диапазоне (АМТ) [Ковтун А.А., 1989]. При анализе геоэлектрических материалов установлено, что основные структурные единицы восточной части щита легко прослеживаются по этим данным [Клабуков Б.Н., 2001].
На протяжении многих лет сотрудниками НИИФ СПбГУ проводятся магнитотеллурические зондирования на Фенноскандинавском щите в расширенном интервале периодов [Вагин С.А., Варданянц И.Л., Ковтун А.А., 1985; 1986], [Ковтун А.А., Вагин С.А., Варданянц И.Л., Легенькова Н.П., Смирнов М.Ю., Успенский М.И., 2004]. В частности, выполнены зондирования вдоль профиля Териберка-Ковдор-Суоярви-Выборг [Ковтун А.А., Вагин С.А., Варданянц И.Л., Легенькова Н.П., Моисеев О.Н., Смирнов М.Ю., Успенский Н.И., 1998], большое число зондирований выполнено вдоль профиля ЛАДОГА. В соответствии с международным проектом SVEKALAPKO, сотрудниками НИИФ СПбГУ проводились магнитотеллурические исследования электропроводности коры и мантии на продолжении финского профиля SVEKA [Korja Т., 1993], получивше-
го название SVEKA-2 [Kovtun A.A., Vagin S.A., Vardanyants I.L. et al., 1992]. 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 Фенноскандинавского щита. В период с 1997 по 2000 гг. на Фенноскандинавском щите был проведён международный эксперимент BEAR (Baltic Electromagnetic Array Research) в 50 пунктах в интервале периодов 10 — 105с [Engels М., Korja Т. and the BEAR working group, 2002], [Varentsov I.M., Engels M., Korja Т., Smirnov M. Yu and the BEAR working group, 2002]. Однако, несмотря на большое количество работ, проведенных на Балтийском щите, остаются такие проблемы, как комплексное исследование предварительных данных МТ зондирований и разработка более тонких алгоритмов интерпретации для получения геоэлектрического строения столь сложного региона.
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 алгоритм и программу двумерной инверсии детерминанта тензора импеданса, основанную на методе регуляризации Тихонова с сингулярным разложением матрицы Якобиана.
Протестировать разработанный алгоритм на синтетических данных, с целью выявления особенностей решения. Сравнить 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 гео
логической интерпретацией данных вдоль сейсмического профиля
4В и результатами квазидвумерной инверсии, выполненных ранее
в этом регионе.
Научная новизна.
В работе впервые выполнена двумерная инверсия магнитотеллурических 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, что дало возможность снизить влияние гальванических и возможных трехмерных эффектов на результаты.
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:
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.
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.
По результатам двумерной инверсии построен геоэлектрический разрез коры и верхней мантии от нескольких километров до 200 км 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 revealed 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 [1], статья [2] и тезисы
конференций [3], [4], [5], [6].
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, включая 48 рисунков. Библиография включает 66 наименований на 8 страницах.
