Введение к работе
Актуальность темы.
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 Балтийский щит (А.А.Ковтун). Он является наиболее, крупным и стабильным выступом древнего кристаллического фундамента Восточно-Европейской платформы. На Балтийском щите практически отсутствует осадочный чехол, что позволяет весьма эффективно использовать метод магнитотеллурического зондирования для исследования особенностей строения литосферы. В стабильных регионах древние тектонические процессы оставили много следов в виде хорошо проводящих областей в коре и верхней мантии. Эти проводники обусловлены в основном графито- и/или флюидо-насыщенными породами (Л.Л.Ваньян), образовавшимися в результате тектонических преобразований, и указывают на положение шовных зон и границ геоблоков. Отдельные результаты магнитотеллурических исследований указывают на наличие электрической анизотропии литосферы, которая, по всей видимости, является следствием тектонических процессов. Исследование этого явления также дает возможность судить о процессах эволюции литосферы. Очень важным с точки зрения строения Земли является вопрос о положении астеносферного слоя и его физических параметрах. Именно глубинные МТ зондирования позволяют расширить наши знания в этом направлении. Кроме того, метод магнитотеллурического зондирования дает информацию о распределении электропроводности в коре, что имеет большое практическое значение при решении задач разведочной геофизики.
Таким образом, исследование методом магнитотеллурического зондирования геоэлектрического строения Балтийского щита является актуальной задачей.
Решение выше указанных проблем требует совершенствования методов обработки магнитотеллурических данных и предъявляет высокие требования к регистрирующей аппаратуре.
Необходимым этапом успешного использования метода магнитотеллурического зондирования является обработка полевого материала, позво-
ляющая устойчиво определять компонент тензора импеданса на поверхности Земли по временным записям естественного электромагнитного поля (ЕЭМП). В последнее десятилетие значительный успех в повышении качества обработки достигнут на пути использования робастной статистики. Первые работы по применению робастных статистик для обработки магнитотеллурических данных появились в конце 80-ых годов (Chave A.D., Thomson D.J.). В этих работах использовалась робастная М-оценка Хью-бера задачи регрессии, которая заменила метод наименьших квадратов. Робастный подход позволил снизить влияние помех на результат вычислений компонент тензора импеданса. До сих пор, однако, построение эффективных процедур обработки остается весьма сложной и актуальной проблемой. Поскольку требуется учесть влияния большого количества факторов, сказывающихся на результатах обработки. Исследования проводятся в очень широком интервале периодов (Ю-3 — 104 сек), что создает дополнительные трудности при выборе оптимальной процедуры.
До последнего времени на кафедре Физики Земли для проведения АМТЗ и МТЗ использовалась аналоговая аппаратура. Это позволяло выполнять работу в достаточно ограниченных масштабах, поскольку требовалось много времени на обработку полевого материала. По причине очень высокой стоимости промышленных станций в настоящее время их покупка практически невозможна. Таким образом, необходимо было совершенствовать аппаратуру и создать на базе имеющихся разработок цифровой вариант.
Цель работы:
заключается в разработке цифрового комплекса регистрации и обработки магнитотеллурических данных в расширенном интервале периодов и исследовании магнитотеллурическим методом геоэлсктрического строения литосферы Балтийского щита на восточном участке гсотраверса SVEKALAPKO.
Задачи исследования:
-разработать алгоритм обработки магнитотеллурических данных, позволяющий устойчиво определять компоненты тензора импеданса в интервале периодов (10~3 — 104 сек);
-обеспечить цифровую регистрацию ЕЭМП в расширенном интервале периодов (Ю-3 — 104 сек), разработав цифровую часть и программное обеспечение для АМТ-МТ станций;
-выполнить АМТ-МТ зондирования на восточном участке геотраверса
SVEKALAPKO с целью изучения гсоалсктричсского строения зоны сочленения Беломорского и Карельского геоблоков. Научная новизна:
1. Разработан новый алгоритм обработки магнитотеллурических дан
ных, основанный на использовании робастных статистик. В алгоритме
впервые применяется робастная оценка регрессии, предложенная Зиге-
лем, позволившая повысить устойчивость определения компонент тензора
импеданса.
2. Разработана методика цифровой регистрации магнитотеллуриче
ских данных в расширенном интервале периодов. Созданы алгоритм и
программы для цифровых МТ и АМТ станций.
3. Получены новые данные о геоэлектрическом строении зоны сочлене
ния Карельского и Беломорского геобяоков на геотраверсе SVEKALAPKO.
Практическая ценность:
разработанные алгоритмы и программы для обработки магнитотел-лурической информации в настоящее время являются основным рабочим инструментом для сотрудников Института Физики, Санкт-Петербургского Университета при проведении МТЗ в расширенном интервале периодов;
методика и разработанные алгоритмы для цифровой регистрации естественного электромагнитного поля Земли могут быть использованы при создании новых цифровых магнитотеллурических станций;
создан пакет программ (Delphi 3.0), позволяющий практически по единой методике обрабатывать данные магнитотеллурических зондирований в широком интервале периодов;
полученные новые магяитотеллурические данные вдоль восточной части геотраверса SVEKALAPKO могут быть использованы для построения геологической модели данного региона, а также в целях разведочной геофизики.
Защищаемые положения:
1. Предложенный алгоритм обработки магнитотеллурических данных,
основанный на использовании робастных оценок, позволяет повысить ка
чество обработки магнитотеллурических данных в широком интервале пе
риодов (Ю-3 — 104 сек).
2. Разработанная методика и программное обеспечение для цифро
вой регистрации МТ и АМТ данных позволяют сократить затраты на
проведение зондирований и существенно повысить качество получаемого
материала в условиях высокого уровня промышленных помех.
3. Определено геоэлектрическое строение коры и верхней мантии от первых сотен метров до 300 км вдоль восточной части геотраверса SVEKALAPKO. Выявлено поднятие подкорового проводящего слоя в зоне сочленения двух геоблоков Карельского и Беломорского с глубины 100-150 км до глубины 30-60 км.
Апробация работы и публикации.
Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на XXI генеральной ассамблеи IUGG (Колорадо, 199S), на международных конференциях "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург 1996, 1998), на международной геофизической конференции и выставке "Москва-97" (Москва, 1997), на международном Workshop по проекту SVEKALAPKO (Финляндия, 1997), на международном 14-ом Workshop по электромагнитной индукции в Земле (Румыния, 1998). По теме диссертации опублико-Віано 14 работ.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, двух приложений и списка литературы. Работа изложена на 140 страницах, содержит 39 иллюстраций и 2 приложения. Библиография включает в себя 92 наименования.
Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю профессору Аиде Андреевне Ковтун за постоянную помощь в работе и ценные советы, а также сотрудникам кафедры Физики Земли НИИФ СПбГУ канд. физ-мат. наук Н.И.Успенскому и канд. физ-мат. наук С.А.Вагину благодаря усилиям которых были созданы АМТ-МТ станция и выполнены полевые работы, сотрудникам канд. физ-мат. наук И.Л.Вардазянц и Н.П.Легенковой. Автор благодарит канд. физ-мат. наук И.М.Баренцева и Е.Ю.Соколову (ИГЭМИ-ИФЗ РАН) за предоставление материалов для тестирования программ обработки.