Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теория приливов, современные смещения и деформации земной коры юга Сибири 15
1.1. Приливный потенциал, статическая теория и динамический эффект жидкого ядра 15
1.2. Океанический прилив и статическое нагружение 30
1.3. Гидрогеология, сейсмология и вулканизм 36
1.4. Современные смещения и деформации земной коры зоны активных деформаций Центральной Азии, кинематические модели процессов .39
1.5. Задачи исследований. 51
Глава 2. Технология приливных измерений силы тяжести, наклонов и деформаций. тестирование аппаратурного комплекса . 52
2.1. Приборный комплекс и задачи исследований 52
2.2. Приливные измерения в Сибири и России 60
2.3. Калибровка относительных приливных гравиметров 62
2.4. Использование абсолютных гравиметров в геофизических экспериментах 81
2.5. Приливные кварцевые наклономеры 86
2.6. Системы регистрации приливных деформаций. 106
2.7. Вклад атмосферной нагрузки в вариации силы тяжести,
смещения и деформации 112
2.8. Цифровые системы регистрации для геофизического мониторинга... 119
Глава 3. Приливные деформации по измерениям силы тяжести, наклонов и деформаций на станциях азиатской части России 125
3.1. Сибирская часть транконтинентального приливного профиля, эффекты верхней мантии в приливных параметрах 125
3.2. Приливные вариации силы тяжести на станциях Ключи, Талая, Забайкальское, приливные модели Земли W&D93 и SCW80, и мантийные эффекты 132
3.3. Эффекты полости, топографии и геологических неоднородностей в деформациях и наклонах 151
3.4. Анализ приливных наклонов (Талая, БРЗ), модель приливных деформаций (W&D93 и SCW80), локальные и региональные эффекты 166
3.5. Приливные деформации, глобальные и региональные эффекты, вариации во времени 178
3.6. Эффекты земного ядра по результатам приливных наблюдений на сибирских станциях 195
3.7. Заключение (приливные деформации). 206
Глава 4. Вязкоупругое деформирование на границе блоков, реология зоны разлома (юго-западная часть байкальского рифта) 210
4.1. Исследование деформаций и особенности строения БРЗ в её юго-западной части 210
4.2. Косвенные эффекты в наклонах и деформациях (нагрузка оз. Байкал) 217
4.3. Мониторинг наклонов и упруго-вязкие свойства приразломной зоны 221
4.4. Деформирование на границе блока, вязко-упругие модели и реологические параметры 236
4.5. Диффузия напряжений на разломе, вязкость и пост-сейсмические смещения 258
4.6. Заключение - медленные смещения и деформации 266
Заключение 269
Литература
- Океанический прилив и статическое нагружение
- Калибровка относительных приливных гравиметров
- Приливные вариации силы тяжести на станциях Ключи, Талая, Забайкальское, приливные модели Земли W&D93 и SCW80, и мантийные эффекты
- Косвенные эффекты в наклонах и деформациях (нагрузка оз. Байкал)
Введение к работе
Настоящая работа посвящена исследованиям интенсивно развивающегося в настоящее время направления физики Земли: динамике системы Земля-Луна, деформациям Земли, вызванным приливными силами, и региональным современным движениям, деформациям и порождающим их тектоническим силам.
Объектом данного исследования являются процессы современного деформирования земной коры регионов юга Сибири и Дальнего Востока, определяемые реологическими характеристиками коры и мантии, отражающиеся в изменениях полей силы тяжести, наклонов, деформаций и смещений и вызванные приливными, тектоническими силами и сезонными нагрузками в частотном диапазоне часы - десятки лет.
Актуальность проблемы. Экспериментальная проверка моделей приливной деформации Земли является актуальной проблемой современной геофизики. Новые решения этой проблемы связываются с разработкой новых средств геофизических, геодезических, астрометрических измерений, высокая точность которых требует надежного исключения влияния приливных деформаций, а с другой стороны - открывает новые возможности изучения внутреннего строения Земли по приливным данным (Wahr J., Молоденские М.С. и СМ., Dehant V. и др.). Теоретические исследования привели к созданию моделей, учитывающих особенности строения Земли (модели Гильберта-Дзивонского, томографические модели строения Земли). Отдельно стоит вопрос о влиянии структурных неоднородностей - от латеральных эффектов в верхней и нижней мантии, топографии границы ядро-мантия до глубинных разломов земной коры (Harrison J., Молоденский СМ., Blair D., Beaumont С, Berger J. и др.) - на приливные параметры. Проверка существующих моделей для Земли в целом проводится по спутниковым данным, а по отдельным регионам адекватность моделей можно оценить только по данным экспериментов на трансконтинентальных профилях. Так, результаты исследования по широтному земноприливному профилю Западная Сибирь - Дальний Восток, пересекающему
Байкальскую рифтовую зону с неоднородностями мантии, позволяют провести верификацию современных приливных моделей в различных частях континента Евразия, наиболее крупного на Земле. Эффекты глубинных неоднородностей составляют малую величину от полной приливной реакции (lO^-s-lO-4), поэтому учет их влияния требует повышения точности аппаратурного комплекса (приливные гравиметры, наклономеры, деформографы), усовершенствования методов сбора и обработки информации.
Экспериментальные данные важны при разработке моделей приливной деформации, для расчетов приливных поправок при высокоточных измерениях силы тяжести, при высокоточных геофизических измерениях, отражающих вариации деформаций и напряжений в земной коре, для определении смещений земной поверхности в геоцентрической системе координат (по методам космической геодезии VLBI, GPS/GLONASS, SLR, LLR, DORIS, Sat. Alt.). Определение приливных параметров с точностью до десятой доли процента позволяет проводить расчет смещений до десятых долей миллиметра. В связи с развитием методов космической геодезии на территории Сибири и Дальнего Востока России вопрос о приливных параметрах тесно связан с точностью оценок, получаемых GPS-методом.
Современные деформации активно проявляются на границах тектонических плит, в зонах контакта платформ и сейсмоактивных областей, в зонах глубинных разломов земной коры. Современная граница зоны активных деформаций Центральной Азии расположена на юге Сибири. Моделирование процессов деформирования требует знания величин эффективных реологических параметров среды, определяемых по данным многолетних измерений. Несмотря на активное развитие различных методов измерения смещений и деформаций, мониторинг процессов в приразломных зонах возможен только методами подземной наклонометрии и деформографии. Практически только в области деформографии и наклонометрии получены многолетние ряды непрерывных наблюдений, позволяющие рассматривать процесс деформирования во времени. Для интерпретации полученных данных требуется рассмотрение различных реологических моделей среды. Наличие
информации о долговременных изменениях перемещений, силы тяжести, деформаций и наклонов позволяет оценивать напряжения в земной коре, изучать структуру, реологию региона и связь с сейсмической активностью. Изменение деформаций во времени и реологии среды активно исследуются в зоне Тихоокеанского кольца на границе континентальных и океанических плит. Внутриконтинентальная же зона активных сейсмических процессов Центральной Азии изучена недостаточно. Отсюда рассмотрение процессов на этой границе (на примере юго-западной части Байкальской рифтовой зоны) является актуальным.
Цель исследований: количественно оценить эффекты приливного и долговременного деформирования Земли на транссибирском профиле с учетом влияния латеральных неоднородностей коры и мантии, эффектов постсейсмической релаксации коры и верхней мантии.
Основные задачи исследования:
- проверка соответствия моделей приливной деформации Земли Вара-
Дюхан в статической и динамической части, приливной модели Мирового
океана Швидерского на основе экспериментального определения приливных
параметров для станций субширотного трансазиатского профиля с точностью до
третьего-четвертого знака.
- установить количественно влияние неоднородностей мантии на
приливный гравиметрический фактор (для Байкальской рифтовой зоны и
транссибирского профиля).
- с учетом моделей разлома Бамонта-Бергера-Молоденского рассмотреть
влияние разломов на приливные параметры, полученные из анализа наклонов и
деформаций (для границы Байкальской рифтовой зоны и Сибирской
платформы).
- на основе многолетних изменений наклона выбрать модель
деформирования и получить значения реологических параметров, определить
модель деформирования и смещения блоков земной коры по вариациям
скоростей деформаций (в зоне контакта БРЗ и платформы), определить значения
эффективной вязкости при различных моделях деформирования.
Фактический материал и методы исследований.
Теоретической основой решения проблемы является теория приливных деформаций Земли и физические модели деформирования среды с линейной реологией. Для экспериментального изучения приливных и медленных эффектов автором проведены многолетние высокоточные измерения с помощью приливных наклономеров (1985 - 2003 гг.), гравиметров (1991 — 2003 гг.), штанговых деформографов (1989 - 2003 гг.) и получены уникальные данные. Подобные ряды экспериментальных данных для рассматриваемых регионов получены впервые и отличаются высокой точностью.
Данные по абсолютной гравиметрии (1992 - 2003 гг.), лазерной деформографии (1992 - 2003 гг.) и водомерным измерениям (1979 - 1990 гг.) получены автором совместно с Арнаутовым Г.П., Стусем Ю.Ф., Калишем Е.Н., Рыбушкиным А.Ю., Фоминым Ю.Н.. Аппаратурный комплекс, используемый в исследованиях, включал в себя приборы, принадлежащие Институту геофизики СО РАН, Институту автоматики и электрометрии СО РАН, Королевской обсерватории Бельгии, Байкальской опытно-методической сейсмологической экспедицией и Сибирской опытно-методической лазерной партии. В комплексных исследованиях использовались материалы, полученные Институтом земной коры СО РАН, Байкальской опытно-методической сейсмологической экспедицией и ВСНИИФТРИ (г.Иркутск). Анализ приливных данных проводился с использованием материалов банка данных Международного приливного центра (ICET).
Основные методы исследования: приливный анализ, эксперимент, сопоставление адаптированных моделей и приливных параметров. Методика обработки материалов приливных измерений соответствует требованиям Международного приливного центра, использовались программы для ПК, разработанные Venedikov (Болгария), Wenzel (Германия) и Ducarme (Бельгия). Рассматривались модели приливной деформации Земли Молоденского М.С. и СМ., Wahr J., Duhant V., Beaumont С. и Berger J., а также модели влияния океана по Schiwiderski Е., данные по движению полюса международного центра вращения Земли (Севр, Франция).
Использовалась совокупность экспериментальных методов: - для гравиметров впервые использовались сверка на базовой приливной обсерватории Уикль (Бельгия) мировой сети ICET и метод калибровок с применением гравиметра ГАБЛ. Использование комплекса методов калибровки гравиметров обеспечило точность, соответствующую четвертому знаку в приливном параметре;
- для приливных кварцевых наклономеров впервые использован «нулевой»
метод и проведена сверка приборов на Приливной обсерватории Вальферданже
(Люксембург) Европейского центра по геодинамике. С использованием
электромагнитного метода и метода смещений с помощью кварцевой пружины
получена высокая точность как в приливном диапазоне (до 10" ), так и в
многолетнем (до 10");
- для всех видов измерений проведена оценка сезонных эффектов
(температурные, барические эффекты и нагрузка оз.Байкал) и их вклад в
результаты наблюдений;
- одновременное использование линейных штанговых и лазерных
деформографических систем позволяет достигать высокую точность в
приливном диапазоне (до 10" ) и в многолетнем диапазоне (до 10").
Данные по космической геодезии на постоянных пунктах Азии и по сетевым измерениям (Алтай, Новосибирск, Иркутск, БРЗ) получены Calais Е., Deverchere J., Леви К.Г., Саньковым В.А., Трапезниковым Ю.А., Зубовичем А.В., Брагиным В.Д. и автором работы. Результаты GPS измерений обрабатывались по программам GPSurvay, GAMIT-Globk, как в Институте геофизики СО РАН, так и в мировых и региональных центрах обработки данных. В исследованиях современных движений земной коры юга Сибири привлекались результаты, полученные геодезистами ГУГКа, Колмогоровыми В.Г. и П.П. и др. Строение регионов юга Сибири рассматривалось с учетом представлений: Пузырева Н.Н., Фотиади Э.Э., Крылова СВ., Дучкова А.Д., Зорина Ю.А., Логачева Н.А., Артюшкова Е.В., Ружича В.В. и др. Гравиметрические приливные измерения (ст.Ключи) и обработка материалов проводилось при участии Сарычевой Ю.К.. Модели деформирования земной коры юго-западной части БРЗ разрабатывались
с учетом моделей Elsasser W., Budiansky В., Amazigo J., Rice J., Nur J., Hager В., Herring Т. и др.
Исследования проводились согласно планам НИР Института геологии и геофизики СО АН СССР и Института геофизики СО РАН, в соответствии с программой ГНТП «Глобальные изменения природной среды и климата», а также при поддержке грантов РФФИ № 93-05-14021, № 95-05-15517с, № 97-05-96502, № 98-05-65228, № 98-05-05-65227, № 01-05-471, № 01-05-478 и в рамках интеграционного проекта 77 СО РАН «Стратегия прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне». Под руководством автора выполнены исследования по проектам «Земноприливные исследования в Сибири» и «Земноприливные исследования в Сибири и на Дальнем Востоке Россиго> согласно межправительственным российско-бельгийским соглашениям 1995г., 1997 г., 1999 г., 2002 г. и по проекту ИНТАС № 97-30874. Защищаемые положения:
Экспериментально, с использованием математических и физических построений теории приливных деформаций Земли подтверждена корректность моделей Вара-Дюхан с параметрами Земли по Гильберту-Дзивонскому (PREM) для северной части Азии, впервые в России получена экспериментальная кривая резонанса в районе частоты свободной нутации жидкого ядра Земли в суточном приливном диапазоне.
Экспериментально, с использованием модели Молоденского СМ. для латеральных неоднородностей, сделана количественная оценка влияния неоднородностей мантии на гравиметрический фактор (0.06%) для Байкальской рифтовой зоны.
3. Экспериментально на приливных параметрах, определяемых по
наклономерным и деформографическим измерениям, получено их соответствие
приливным моделям Бамонта-Бергера-Молоденского (неоднородность по
упругим модулям) для зоны глубинного разлома (до 10 % и до 9), выделены
вариации во времени приливных амплитуд и фаз (до 5% и 5).
4. Используя реологические модели Кельвина-Фойхта и Максвелла по
кривым затухания наклонов и деформаций после сильных (магнитуда 6-7)
землетрясений региона, получена оценка реологического параметра -эффективной вязкости для зоны разлома (1018 Па-с), нижней коры и астеносферы (1019-К020 Пас) Байкальской рифтовой зоны. Научная новизна и личный вклад:
1. По данным многолетнего мониторинга приливных вариаций силы
тяжести, полученным с помощью гравиметров Аскания и ЛаКоста-Ромберга,
при использовании современных методов подготовки и анализа данных
(приливные программы Венедикова-Дюкарма и ETERNA, программа расчета
влияния океана), определены значения региональных приливных параметров —
амплитудного фактора и фазового запаздывания для приливных волн 01, PI, S1,
К1, \|/1, N2, М2 и S2 (Западная, Восточная Сибирь и Дальний Восток).
Использованы оригинальные серии данных длиной от 1.5 до 6 лет полученные
автором на обсерваториях Ключи (Новосибирск), Иркутск - ВНИИФТРИ, Талая
(оз.Байкал), Забайкальское (Хабаровский край). Полученные результаты
позволяет провести верификацию моделей приливной деформации Вара-Дюхан-
1993 и Дюхан-Дефрейн-Вара-1999. Точность оценок приливных параметров по
Трансазиатскому профилю позволила разделить модели и остановиться на
модели Вара-Дюхан1993 с упругой мантией. Данная оценка подтверждена
результатами европейских станций (Международный приливный банк данных
ЕСЕТ) для трансконтинентального профиля для средних широт. Восточную
часть профиля и составляет представленный трансазиатский профиль.
Используя анализ результатов по приливным вариациям силы тяжести, наклонов и деформаций по обсерваториям Ключи, Иркутск и Талая получены значения частоты свободной нутации жидкого ядра отражающей динамический эффект жидкого ядра Земли. Результаты показали отличие от условий равновесия (модель WD93) на границе мантии и жидкого ядра Земли (5-8%). Полученные результаты соответствуют результатам по гравиметрам на основе эффекта сверхпроводимости (SG) и по VLB I методу, полученным в Западной Европе и Северной Америке.
По данным о наклонах, полученным кварцевыми наклономерами, и о деформациях, полученным штанговыми и лазерными деформографами, оценены
локальные вариации приливных параметров для приливных волн Ol и М2 в различных азимутах для зоны разлома на границе Сибирской платформы и юго-западной части БРЗ. В результатах отмечены азимутальные различия (до 10-15 % в приливной амплитуде наклонов и деформаций, и до 9 в фазовом запаздывании), связанные с существованием глубинного разлома земной коры. Полученные отличия могут быть вызваны аномальными упругими свойствами зоны разлома (по Vp до 6%). Подход с использованием положений статической теории приливных деформаций позволил исключить искажение поля деформаций, вызванное локальными источниками. Получено значение числа Шида 1 = 0.0839±0.0001 с высокой точностью.
По данным о деформациях, полученным лазерным деформографом, определен характер изменений во времени приливных параметров (амплитуды и фазы приливной волны М2) разломной зоны в юго-западной части Байкальского региона. Вариации в амплитуде могут достигать 1-5 %, в фазе 1-5, что может быть связано с вариациями упругих модулей в зоне разлома (по Vp до 2%). Вариации приливных амплитуд и фаз, полученные на трехмесячных сериях лазерным деформографом, коррелируют с периодами сильных землетрясений юго-западной части Байкальской рифтовой зоны (27.12.1991 г., М = 7; 29.06.1995 г., М = 5.5, 25.02.1999 г., М = 5.8).
С использованием кварцевых наклономеров, штанговых и лазерных деформографов, получены количественные оценки скоростей и многолетних вариаций деформации и наклонов земной поверхности на границе Сибирской платформы и Байкальского рифта (юго-западная часть - ст. Талая). В периоды сильных землетрясений изменения составляют от 10"5 до 10"6 в год, при обычных значениях - 10"8ч-10"7в год.
6. По данным, полученным с помощью кварцевых наклономеров (1985-2003
гг.), выделены циклы в ходе наклонов от 3 до 18.5 лет: моменты поворота
вектора наклона совпадают с сильными (М>5) локальными (L<200 км)
землетрясениями. На кривой хода наклонов выделена фаза нагружения и
разгрузки, используя модель Кельвина-Фойхта, проведена оценка эффективной
вязкости зоны глубинного разлома (2-10 Па-с) и переменной части тектонических напряжений (2МПа).
По данным деформографических измерений, получены значения главных деформаций и их изменения во времени. Ориентация главных осей деформации соответствует наличию к северу от пункта субширотной границы Байкальской рифтовой зоны. Характер изменения кривой сдвиговой деформации в период сильного землетрясения на границе БРЗ (М = 7) указывает на вязко-упругий характер деформирования приразломной части литосферы по модели Максвелла (1019Па-с).
Показано, что горизонтальные деформации в приразломной зоне (с.Талая) связаны с субширотными перемещениями блоков земной коры вдоль разлома (от 1 до 10 мм в год). По экспериментальным данным за 12 лет выделены вариации, связанные с накоплением и релаксацией деформации при сильных землетрясениях в земной коре региона. На периодах более года для интерпретации результатов могут быть использованы модели типа литосфера-астеносфера и двухслойные модели земной коры; В зависимости от вида модели эффективная вязкость оценивается значениями от 1019 до 1020 Па-с.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований позволили обосновать возможность применения приливных моделей Вара-Дюхан (1993) и океанических приливных моделей Швидерского (1980-1983) для расчета поправок при определении значения ускорения силы тяжести и измерении смещений методами космической геодезии в азиатской части России. Точность полученных экспериментальных оценок (0.1%) приливных параметров позволяет проводить расчеты приливных поправок до 0.1 микрогала в гравиметрии и до 0.1 мм в смещениях (методы GPS геодезии и др.). Эти результаты подтверждают достоверность полученных в последние годы оценок скоростей современных движений (Саньков, Кале, Зубович, Тимофеев) и возможность их использования для проверки различных геодинамических моделей. Полученные экспериментальные и теоретические оценки эффектов мантии накладывают ограничения на латеральные аномалии по профилю, менее 1% для верхней мантии (мощность 300 км) и менее 0.3% для мантии в целом.
Исследования в восточной части профиля позволяют начать верификацию существующих и построение новых моделей Мирового океана для северо-западной части Тихого океана и морей восточной части России. Мониторинговые исследования наклонов и деформаций показали связь поверхностных наклонов и деформаций с развитием сейсмического процесса (для средних и сильных землетрясений). Полученные зависимости будут использованы при построении теории развития сейсмического процесса и при исследованиях по прогнозу землетрясений. Полученные значения эффективной вязкости для зоны разлома, нижней коры и астеносферы могут быть использованы при моделировании процессов деформирования Байкальской рифтовой зоны.
Апробация работы. Подходы и результаты, полученные в работе, неоднократно докладывались автором на российских и зарубежных конференциях. Среди конференций можно выделить следующие: «Метрология в гравиметрии», (Харьков. 1980, 1984, 1991); «Современные движения земной коры», (Кишинев. 1982); II Орловская конференция «Изучение Земли как планеты методами геофизики и астрономии», (Полтава, 1986); Симпозиум КАПГ по изучению современных движений земной коры. (Дагомыс, 1988); Совещания по сейсмологии и прогнозу землетрясений (Иркутск, 1987, 1989, 1990); « Геодезия и сейсмология, деформация и прогноз», (Ереван, 1989); «Геолого-геофизические исследования в сейсмоопасных зонах СССР», (Фрунзе, 1989); «Разломообразование в литосфере: тектонофизические аспекты», (Иркутск, 1990); Zonenshain memorial conference on plate tectonics, (Москва, 1993); «Геодинамика, структура и металлогения складчатых сооружений юга Сибири», (Новосибирск, 1994); «Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные)», (Москва, 1994); Conference on stress and stress release in the lithosphere, (Karlsruhe, Germany, 1995); «Gravity and Geoid» (Graz, Austria, 1995); «Continental rift tectonics and evolution of sedimentary basins», (Новосибирск, 1996); 13 th International Symposium on Earth Tides, (Brussels, Belgium, 1997), "Method of study, structure and monitoring of the lithosphere" (Новосибирск, 1998); «Современная сейсмология: Достижения и проблемы» (Москва, 1998); IUGG 99
(Birmingham UK, 1999); «300 лет геологической службе России» (Санкт-Петербург, 2000); «Внутреннее ядро Земли. Геофизическая информация о процессах в ядре» (Москва, 2000), международный семинар "On the Use of Space Techniques for Asia-Pacific Regional Crustal Movements Studies", APSG, (Иркутск, 2002), Второй международный семинар по Геодинамике и проблемам окружающей среды высокогорных регионов, (Бишкек, 2002), LIII конференция «Современные проблемы геодезии и оптики», СГГА, (Новосибирск, 2003).
По теме диссертации опубликовано более 100 работ (около 50 статей в реферируемых журналах).
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 296 наименований. Полный объем диссертации 297 страниц, включая 75 рисунков и 83 таблицы.
Благодарности. В заключении автор считает своим приятным долгом сказать, что в процессе исследований на различных этапах многолетней работы он ощущал благожелательное внимание и содействие, а также получал ценные советы и помощь коллег и специалистов - Э.Э. Фотиади, СВ. Крылова, Н.Н. Пузырева, Н.Л. Добрецова, Д.Г Гриднева, Н.Н. Парийского, СМ. Молоденского, А.В. Ладынина, Ю.К. Сарычевой, Б.П. Перцева, Л.А. Ладыниной, В.Д. Суворова, Б.П.Сибирякова, В.Г. Колмогорова, П.П.Колмогоровой, А.Г. Кирдяшкина, Г.П. Арнаутова, Е.Н.Калиша, Ю.Ф. Стусь, М.Г. Смирнова, В.М.Семибаламута, В.А.Орлова, П.Мельхиора, Б.Дюкарма, М. Ван Раумбеке, М.Бонадда, А.В. Зубовича, О.И. Мосиенко, П.Г. Дядькова и многих других. Большая и неоценимая помощь в экспериментальных исследованиях бьша оказана О.К.Масальским, Л.В.Анисимовой, С.Ф.Паниным, В.А.Ощепковым, В.Ф.Ощепковой, А.Ю.Рыбушкиным, А.Н. Фоминым, Е.А. Грибановой, П.Ю. Горновым, СЮ. Хомутовым, B.C. Яковенко, Д.Г.Ардюковым, Е.А.Запреевой и другими. Всем им автор искренне благодарен.
Автор особо признателен СВ.Гольдину, А.Д.Дучкову и М.И. Эпову, настойчивые и дружеские советы, которых в значительной мере способствовали появлению этой работы.
Океанический прилив и статическое нагружение
Свободное скольжение и, возможно, ламинарный поток должен определять граничные условия вдоль берегов континентов. Превышение поверхности океана определяется по наблюдениям в различных местах. Тем не менее, масса в океанах должна сохраняться.
Решение уравнений (1.11) строится численными методами [259, 260]. Для этого поверхность океана разбивалась на сетку (1х1 соответственно это 45000 площадок), вводилась батиметрия (от 5 до 7000 метров) для введения средней глубины на каждой 1х1 сферической трапеции, выбиралась модель ломаной геометрической границы и принимались некоторые гипотезы о трении и вихревой вязкости.
В последней версии [259], которая наиболее удовлетворительно согласуется с мировой картой - по экстремальным точкам в высоте, давлению на дне, записанному в глубинных частях морей, или по нагружению, регистрируемому по земноприливным данным, был выбран линейный закон для донного трения (с коэффициентом трения b = 0.01 м-с 1) и латеральная вихревая вязкость л , пропорциональная средней площади (для глубины D: f-D(l+ sin 0)/2 значение заключено между 1.3 10 до 1.3 40 м -с" ). Эти величины подбирались эмпирически по минимуму отклонения с помощью гидродинамической интерполяции по данным, полученным на 2000 уровневых морских приливных пунктах по всему миру. Показано [260], что введение вязкости необходимо, это сохраняет нестабильность потока под контролем и позволяет преодолеть возможность резонанса на определенных глубинах океана. Вихревая диссипация существенна в глубоких океанах, а донное трение важно в мелких морях. Введение вторичного потенциала улучшает решение, хотя он не играет такой роли, как вязкость.
На всех котидальных картах приливы вращаются вокруг амфидромических точек (нулевой амплитуды), обусловленных наличием континентов и силой Корриолиса, которая поворачивает их против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой в южном полушарии. Имеются двадцать амфидромических точек для волны М2 и двенадцать для волны 01 в открытом океане, и очень много в заливах, проливах и на небольших площадях (например - Адриатическое море, Корейское море, Гудзонов залив и многие другие). Шведерский [218] создал не менее одиннадцати карт для главных волн Ssa, Mm, Mf, Qi, Oi, Рь N2, Мг, S2, K2. Он приписывает точность 5 см для отдельной волны и 10 см для комбинации волн. Проверка, проведенная другими авторами, не противоречит его утверждениям, хотя, кажется, в экстремальных точках отклонение может достигать 15 см. Сравнение с измерениями давления в глубинных частях океанов, конечно полезно для проверки котидальных карт. Добавление пяти малых полусуточных волн 2N2, Цг, 2, г, Тг по интерполяции сплайнами в частотных доменах [202, 203] привело к значительному улучшению точности карт Шведерского (среднеквадратическая ошибка снизилась до 3-4 см).
Точные модели океанических приливов настоятельно необходимы для получения поправок в спутниковые радарные альтиметрические измерения высоты поверхности моря (Geos 3-1975, Seasat -1978, Geosat -1985, ERS -1-1991, Topex-Poseidon -1992 и др.) [214]. Объектом таких измерений является изменения в океанах, связанные с отклонениями и водоворотами главных океанических течений (таких как Гольфстрим) и Определение топографии геоида на площади океана, особенно над горами, желобами и разломными зонами. Такие измерения должны основываться в первую очередь на существующих моделях океанических приливов.
По решению генеральной ассамблеи IUGG в Гамбурге в 1983 году карты Шведерского используются как рабочий стандарт во всех приложениях [202, 203]. Далее альтиметрия своими средствами старается их улучшить [161, 162]. Так в работе [139] приведен прямой приливный анализ на основе первого года измерений Geosat, полученных с использованием переходных точек и пунктов, которые спутник проходил хотя бы дважды. Рассматривались гармонические компоненты или все частоты (повторяющиеся через 17 дней) за исключением Р1 разрешаемой в течение 11 месяцев.
Соответствие между анализом данных Geosat и картами Шведерского оказалось хорошим, в пределах 5 см (например для волны М2 в 1 градусной зоне в Тихом океане - волна с 7.5 градусной длиной происходит от загрязнения М2 с фиктивным периодом 317 дней с годовой компонентой, которая только частично вызвана приливной силой), но имеются участки с расхождением в 10-15 см и иногда выше (шельф Патагонии и Панамский залив) [140].
Калибровка относительных приливных гравиметров
Мобильные относительные гравиметры типа «Аскания» GS-12 №186 и ЛаКоста-Ромберга G-402 использовались при наблюдениях на приливных станциях Сибири (Новосибирск, Иркутск) в последнее десятилетие. Конструкция приборов описана в работах [22, 62]. Определение масштаба записи гравиметров Аскания классически осуществляется смещениями с помощью микрометра с относительной точностью 1%. Сам микрометр калибруется на заводе-изготовителе (до 2%). Все вариации свойств микрометра во времени контролируются при помощи встроенного устройства. Стальные шарики с точно известной массой нагружают маятник прибора (Рис. 2.3). Количество сдвигов микрометра сохраняется постоянно при калибровках. Для прибора используемого на сибирских станциях GS-12 проблемой является л систематическим занижением значения микрометра на 2-3%. Этот эффект быть выявлен сравнением большой группы приборов (до 4-х) на станциях Талгар (Казахстан), Новосибирск и Иркутск. Поэтому с начала 80-х годов калибровка гравиметра вьшолняется методом наклона на специальной плите с поверкой при одновременных наблюдениях с лазерным абсолютным гравиметром ГАБЛ-М.
Эти методы не зависят от свойств микрометренной пружины и отсчетного устройства прибора. В методе использована параболическая зависимость маятника гравиметра от наклона (рис. 2.4). Для калибровок используются специальные плиты базой 1000, 1200 мм с шагом микрометренного винта 0.5 мм на оборот. На станции Ключи (Новосибирск) применялись плиты с базой 1200 мм. Технология калибровки заключается в выведении прибора в положение минимума чувствительности в наклону (N0), далее в положение (N0 ± 0.5-т-І.О оборота винта) и (N0 ± 1.5-5-3.0 оборота винта). Использование малых углов наклона плиты (3.0 оборота винта = 1.5 мм и угол = 1.5 /1200 = 1.25-10" радиан 260 секунд дуги 4 минуты дуги) позволяют использовать вместо sin-a угла значение угла - а. Изменение силы тяжести записывается в виде:
g = go(ai-a2)2/2 (2.1) go - абсолютное значение на пункте наблюдений; ai = (а.\- + ai+), большой наклон вправо и влево; а2 = (а2 - + а2+), малый наклон плиты. Максимально задаваемое значение изменения силы тяжести достигает 500 микрогал или до трех приливных амплитуд [270].
Использование малых и больших наклонов и в итоге их разности исключает ошибку из-за неточности определения положения минимума чувствительности к наклону. Масштабный фактор можно записать как k = Ag/As, где As - это смещение на записи. Записи калибровок, полученные на станции Ключи (Новосибирск) приведены на рисунках 2.5, 2.6 (аналоговая запись на самописец КСП-4). Пример использования метода для полугодичной серии измерений на станции Иркутск показан в таблице 2.3. Как показали оценки на станции Иркутск и на станции Ключи (Новосибирск) метод обеспечивает точность 1-Ю"3.
Метод калибровки с использование абсолютного гравиметра ГАБЛ (краткое описание прибора приведено в следующем параграфе) состоит в одновременной регистрации вариаций двумя приборами (относительным и абсолютным) на одном пункте. Точность метода определяется ошибкой абсолютных измерений (от 0.5 мкгал до 2-5 мкгал) и значением приливных вариаций (до 150 мкгал). При измерениях с гравиметром ГАБЛ в районе г. Новосибирск используются три пункта - это пункт в подвале Института Автоматики и Электрометрии, пункт на приливной гравиметрической станции Ключи и пункт Боровое на левом берегу р.Обь выше Новосибирской ГЭС.
Пункты различаются по уровню промышленных шумов, так на пункте Институт обычно качественная работа возможна только в ночное время, пункт Обь - находится в 100 метрах от реки и на пункте обнаружена зависимость от изменений уровня реки. Пример месячной серии на пункте Обь приведен на рис. 2.7. Отметим, что за период июнь-октябрь 1991 в водохранилище уровень изменился на 0.7 метра, а сила тяжести на 11 микрогал (±1 микрогал). Существуют трудности с введением поправки на изменения уровня, из-за задержки во времени уровня воды относительно уровня грунтовых вод в районе станции. В это же время значение силы тяжести на станции Институт сохранялось постоянным в пределах ошибки измерений (±1 микрогал). Более низкий уровень помех и ошибки измерений получен для станции Ключи (0.5-1.0 мкгал). Дополнительные параметры - давление, температура, остаточный вакуум и уровень грунтовых вод на пункте - также измеряются одновременно. Каждое наблюдение ГАБЛ-ом можно записать в виде: Gj = go + ТІ + ВІ С + 0.306 (Pi -994) + Dj при 1 і n (2.2)
Где n - номер измерений, G, наблюденное значение силы тяжести, go постоянная часть, Tj прилив, Bj остаточный вакуум (сопротивление воздуха), С коэффициент, Pj наблюденное значение атмосферного давления, Dj остаток. Каждое наблюдение можно представить в виде: Gji = gi + ТІ + Di t где gi постоянная часть. (2.3)
С учетом линейных изменений выше приведенное уравнение преобразуется к виду: GJI = g2 + ТІ + F tj + Da (2.4) g2 - постоянная часть, F - коэффициент, tj - время, Da - остаток. Величина F достигает 0.1 микрогал в сутки. Линейный фактор отражает вариации уровня грунтовых вод (коэффициент связи от 1 до 20 мкгал на метр уровня, зависит от конкретных условий стации измерений).
Определение масштабного коэффициента, например, для периода июнь-июль 1991 года по методу наклона дало к = 2.704 ± 0.001 микрогал на мм, а используя экстремумы на приливной кривой, по определениям абсолютного гравиметра к = 2.705 ± 0.005 микрогал на мм. Как видим, получена хорошая сходимость двух методов определения.
Приливные вариации силы тяжести на станциях Ключи, Талая, Забайкальское, приливные модели Земли W&D93 и SCW80, и мантийные эффекты
Изучение приливных вариаций силы тяжести проводятся для экспериментальной проверки и уточнения моделей приливной деформации, а с другой стороны, полученные в результате анализа значения приливных параметров главных волн используются для вычисления приливной поправки в другие измерения, например, в абсолютные гравиметрические измерения. В этом случае точность определения приливных параметров определяет уровень систематической ошибки в других геофизических экспериментах. Исследования приливных вариаций силы тяжести на станции Ключи (Новосибирск, сейсмостанция) проводятся с середины 60-х годов. Измерения до середины 70-х годов проводились одним гравиметром «Аскания» GS-12 №186 в камере с пассивным термостатированием. Сложность калибровки гравиметра, узкий динамический диапазон записи и несовершенство методов приливного анализа обусловили большое отличие полученных экспериментальных данных от модели приливной деформации Земли (до 2%-4%) [81]. Во второй половине 70-х годов совместно с ИФЗ АН СССР и Полтавской геофизической обсерваторией начаты исследования группой гравиметров по профилю Москва-Новосибирск-Иркутск. По измерениям в камере с пассивной термостабилизацией, на самописцах с большим динамическим диапазоном, группой из 4-х гравиметров (3 прибора фирмы «Аскания» [22, 62] и отечественный гравиметр СКГ [76]) получены приливные параметры в пределах 0.5%-1% соответствующие существующей приливной теории [12, 82, 83]. В конце 70-х этот комплект приборов был установлен в термостабилизированной камере института ВНИИФТРИ (г.Иркутск). Здесь активно разрабатывались методы калибровки гравиметров и были получены многолетние ряды данных. Из осложняющих факторов иркутского цикла исследований следует отметить высокий уровень промышленных помех и невозможность проведения всего иркутского цикла (1979 г. -1984 г.) на одной станции. В итоге ошибка измерений оказалась на уровне 0.3%-0.5% и в этих пределах отмечены как вариации приливных параметров по приливному профилю, так и вариации амплитудного фактора во времени [25, 26, 27, 29, 30, 228]. Только в последний период иркутских измерений (1983 г. - 1984 г.) в измерениях с приливными гравиметрами использовался метод наклона позволивший уменьшить вариации масштаба записи во времени (таблица 2.3, глава 2). Позднее, в середине 90-х был проведен повторный анализ иркутских данных (за 1979 - 1983 гг.) в международном центре по земным приливам ICET (КОБ, Бельгия) профессором П.Мельхиором и автором диссертационной работы. Анализ подтвердил результаты, полученные при анализе в Институтах России. Был сделан вывод, что вариации во времени калибровочного фактора гравиметров «Аскания», полученного традиционным методом (парных сдвигов), определяют ошибку измерений в 0.5%-1%.
Последний цикл измерений с гравиметром «Аскания» GS №186 - это 1987 г.-1997 г.. Измерения проводились в термостатированной камере станции Ключи с использованием калибровки методом наклона и поверок с абсолютным гравиметром ГАБЛ [270].
Анализ полученных приливных вариаций проводится с помощью специальных программных пакетов. Остановимся на самом распространенном в последнее время в мировой практике программном пакете приливного анализа ETERNA 3.0 [289].
Программный пакет приливного анализа ETERNA версия 3.0 состоит из следующих программ: ETERNA: Приливный анализ на FORTRAN 77 ETGTAB: Расчет модели земных приливов на FORTRAN 77 PLOTDATA: Вывод данных и остатков на Microsoft 5.0 FORTRAN PLOTHIST: Вывод графика отстатков на Microsoft 5.0 FORTRAN PLOTSPEC: Вывод спектра остатков на Microsoft 5.0 FORTRAN PLOTRESA: Разложение остатков на Microsoft 5.0 Quick Basic 4.0 Все программы могут быть установлены на IBM-AT машинах под оперативной системой MS-DOS, а также могут быть установлены на рабочих станциях под оперативной системой UNIX. Пакет приливного анализа ETERNA использует процедуру наименьших квадратов с мультиканальным вводом для разделения приливных параметров и метеорологических параметров и спектральный анализ остатков для разделения стандартных отклонений выделенных приливных параметров. Математическая модель пакета приливного анализа ETERNA разработана Хойницким и модифицирована Шуллером и усовершенствована Венцелем [289]. Пакет приливного анализа ETERNA может использовать: до 85 групп волн, до 175 неизвестных параметров, до 300 блоков данных, неограниченное количество данных в каждом блоке, четыре различных приливных потенциала (DOODSON 1921, CARTWRIGHTAYLER-EDDEN 1973, BULLESFELD 1985 и TAMURA 1987), см. Таблицы 1.1, 1.2 и 1.3 в Главе 1. одиночный и мультиканальный ввод, до пяти дополнительных параметров при мультиканальном вводе, восемь высокочастотных фильтров данных или моделей дрейфа, в случае высокочасточных фильтров: 8 симметричных числовых FIR фильтров различной длины и размера, для моделей дрейфа: TSCHEBYSCHEFF - полином любой степени. в зависимости от блока может быть выбран, единое окно или окно HANN может быть использовано как весовая функция при процедуре наименьших квадратов, оценка ошибки при процедуре наименьших квадратов или FOURIER-спектр остатков.
Косвенные эффекты в наклонах и деформациях (нагрузка оз. Байкал)
При проведении продолжительных измерений деформаций важно исключить влияние различных косвенных эффектов из результатов. Одним из осложняющих факторов являются сезонные эффекты различной природы. Для исключения температурных воздействий, как на аппаратуру, так и на геологическую среду, приборы необходимо располагать в глубоких штольнях. На глубинах 50-100 метров годовые метеорологические влияния уменьшаются в наклонах до уровня 10 7 - 10"8 радиан, в деформациях до 10 8 - 10"9 [24, 75]. Гидрологические влияния на станции Талая - эффект дождей (июль-август) достигает того же уровня. Следует заметить, что большая глубина промерзания грунтов (2-3 м) и длинный период отрицательных температур (октябрь-апрель) создают эффект экрана для поверхностных вод в период (октябрь-июнь), что исключает эффект весеннего таяния в результатах наблюдений в штольне станции Талая [33, 96]. Последний эффект сильно осложняет проведение долговременных измерений, например, на станциях Средней Азии [10]. Сезонный эффект в наблюдениях деформаций, связанный с вариациями уровня оз.Байкал можно рассчитать используя методику учета приливных океанических нагрузок [59]. Отметим, что собственные колебания уровня оз.Байкал - сейши имеют периоды: ТІ = 4ч.38.5м.; Т2 = 2ч.33.0м.; ТЗ = 1ч.27.7м.; Т4 = Іч.ОО.Ом.; Т5 = Оч.44.0м., амплитуды стоячих волн: 14; 3; 5; 2 и 1 см, т.е. эти колебания лежат вне области долгопериодных явлений. Расчет влияния годовых вариаций уровня проводится с учетом трех эффектов: а) притяжения водных масс; б) изгиба поверхности под водной нагрузкой; в) изменение потенциала вызванного деформацией пород.
Вычисление эффекта притяжения можно проиллюстрировано на рис. 4.3. Поверхность озера разбивается на сектора глубиной И, радиусами г и г + dr, углами 0j и 02, а объем dv = hds с pdvмассой, где/? - плотность воды. Притяжение равно:
Измерения наклонов активно развиваются в сейсмоактивных районах мира. Известно, что интерес к этим исследованиям, появился после первых результатов, полученных в периоды сильных землетрясений Японии [90]. Здесь впервые вьщелены признаки, связанные с землетрясениями - поворот вектора наклона и вариация его скорости. Проведение наклономерных измерений в БРЗ позволило получить результаты, которые показали сходные черты поведения (рис. 4.4) и корреляцию с сейсмичностью региона [33, 99, 96]. Сезонное изменение до 1 мкрадиан связано с годовыми изменениями метеопараметров (температура и атмосферное давление) и вариациями уровня оз.Байкал.
В ортогональной системе координат выражение для вектора наклона можно записать в виде П = QD + Пи- Выражение содержит две части, связанные с деформацией Земли и с приливным лунно-солнечным потенциалом Ui [113]: П = ( zo d0)( d0 Е ) - d0( zo d0 Е) + zo x ( d0 (г d0 ) - г) (l/g)[AU!-+ M ъ . AU,) + x" - I0( І x")] (4.15) Где: - база do есть вектор в однородной среде, относительно времени t=0, состоящая из двух частей - нормы 1 = d01 и направления d0= do/1. Эти части определяют изменение за время t на базе d. - Е тензор, определяющий деформацию (тензор деформации) Е = (1/2)(Vs + sV), где s = d - do (вектор относительного смещения). - г вектор вращения: г = (1/2)(Vxs) - направление zo, выбранное, например, перпендикулярно относительно вертикали. Эффект в этом направлении: io = (VU0 /1 VUo I) = VUo/g. (4.15a) где VUo локальный гравитационный потенциал, g ускорение силы тяжести. При условиях однородной среды, измерениях на поверхности (нормаль ортогональна плоскости поверхности) наклоны, связанные с деформацией (напряжениями) отсутствуют. Они появляются при наличии неоднородностей -топографии, полости или геологической структуры (латеральной аномалии плотности, в упругих модулях и т.д.). Т.е. появляется так называемый эффект связи наклонов и деформаций.
При построении многолетних графиков хода наклона использовались значения скорости за месяц, которые определялись на начальную дату каждого месяца, приливные вариации в этом случае исключались. Согласно приведенным на рис. 4.5, 4.6 данным, поведение наклонов для компонент север-юг и восток-запад различно. Получены периоды вариаций наклона от 1-3 лет до 18.5 лет. По направлению север-юг отмечается инверсия в 1989 году. Ход замыкается для периодов: март 1985 г. - сентябрь 2001 г., лето 1985 г. - лето 1994 г. - лето 2000 г.; лето 1986 г. - лето 1991 г.; лето 1988 г. - лето 1990 г., лето 1995 г. - лето 1999 г.. Максимальное изменения наклона в азимуте север-юг составило 10 сек. дуги (50 мкрадиан). В азимуте восток-запад зарегистрирован систематический тренд с лета 1985 г. по конец 1994 г.. Ход замыкается для периодов апрель1985 г. - апрель 1986 г., лето 1989 г. - лето 2000 г., лето 1991 г. - лето 1992 г. - лето 1999 г. и для периода 1993-1994-1995-1996-1997-1998 гг.. Максимальный уровень вариаций составил 40 мкрадиан (8 сек. дуги).
