Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОГО . ИЗУЧЕНИЯ КОРЫ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ЗЕМЛИ 9
ГЛАВА II. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ГСЗ И ГРАВИМЕТРИИ 18
I. Краткое описание метода ГСЗ 18
2. Краткая характеристика гравиметрического метода 21
3. Краткая характеристика изученности, зависимости. по лабораторным данным 26
4. Краткая характеристика проблемы комплексной интерпретапии. данных- ГСЗ и. гравиметрии. 32
ГЛАВА III. ИЗЛОЖЕНИЕ МЕТОДИКИ 39
I. Преобразование скоростного разреза в плотностную модель 39
2. Формулировка основной идеи, методики 43
3. Задание ограничений на восстанавливаемые плотности... 45
4. Применение метода регуляризации 46
5. Вычисление гравитационного поля модели. 49
6. Трансформация полей 58
7. Окончательная постановка задачи 62
8. Решение задачи, методами квадратического программирования 63
ГЛАВА ІV. ОПРОБОВАНИЕ МЕТОДИКИ НА МОДЕЛЯХ 67
I. Конечно-элементная аппроксимация среды 67
2. Линейная трансформация наблюденного поля 68
3. Опробование методики, на модельных примерах и. моделирование помех 69
4. Результаты расчетов 77
5. Выводы 98
6. О критериях выбора оптимальных решений 106
ГЛАВА V. ОПРОБОВАНИЕ МЕТОДИКИ НА ПРАКТИЧЕСКОМ МАТЕРИАЛЕ .
( ПО ДВУМ ДЛИННЫМ ПРОФИЛЯМ В СИБИРИ ) 119
I. Район исследований, характеристика экспериментального сейсмического материала 119
2. Описание гравитационных полей 124
3. Последовательность выполнения вычислений 126
4. Обсуждение результатов 129
5. Выводы 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
ЛИТЕРАТУРА 141
- КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОГО . ИЗУЧЕНИЯ КОРЫ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ЗЕМЛИ
- Краткое описание метода ГСЗ
- Преобразование скоростного разреза в плотностную модель
- Конечно-элементная аппроксимация среды
- Район исследований, характеристика экспериментального сейсмического материала
Краткий исторический обзор проблемы комплексного . изучения коры и верхней мантии земли
Начало работ по комплексированию сейсмического и гравиметрического методов при. изучении земной коры и. верхней мантии в том виде, как это рассматривается в работе, началось относительно недавно. Первым комплекоированием данных ГСЗ и гравиметрии, в СССР, по-видимому, можно считать интерпретацию профиля ГСЗ Иссык-Куль - Балхаш, проведенную под руководством Г.А.Гамбур-цева в 1953 г. Г161 . Итог работ представлял собой двухмерную двухслойную модель коры, причем рельеф границ К и М и плотности в слоях были увязаны с гравитационным полем. До этого и затем еще в течение 50 - 60 г.г. верхняя часть Земли изучалась этими, методами, главным образом или независимо, или установлением корреляционных связей между сейсмическими, параметрами, верхних оболочек Земли и гравитационным полем 129 J .
Основные слои. - собственно сама кора и. верхняя и нижняя мантия были выделены по сейсмологическим данным. Затем, в связи с развитием метода ГСЗ появились данные об изменчивости мощности земной коры, о сложной ее внутренней структуре и неодно-родностях, о их связях с тектоникой [27 ] . Однако многое о структуре земной коры было получено и независимо гравиметрическим методом: утолщение ее под горами ( по отклонениям отвесов ), различие в мощности коры под континентами, и океанами ( при равенстве полей водный слой должен был компенсироваться утонением коры ). Очень важным было установление обратной зависимости, между величиной аномалии Буге и мощностью земной коры Г 3 1 . Эта зависимость отражала наличие под горами "корней", то есть прогибов по границе М, которые и. проявлялись в отрицательных аномалиях Буге. Во-первых, эта зависимость позволяла оценивать мощность земной коры в районах, где не было материалов ЮЗ, а, во-вторых, и это самое главное, она подтверадала идеи изостазии, то есть состояния равновесия земной коры как основного закона формирования ее структуры. Дальнейшие исследования показали, что мощность коры по аномалиям Буге неплохо определяется лишь в горных регионах, на платформах аномалии Буге определяются не столько небольшими изменениями, формы границы М, сколько внутренней неоднородностью коры 17,20,24,35,41,49,67] . Были обнаружены компенсационные эффекты плотностных неоднородностей разных структурных этажей земной коры, например, оказалось, что прогибы по фундаменту, как правило сопровождаются поднятиями по границе М или скоростным уровням ( 6,5 - 7,0 ) км/с. Это существенно ограничивает использование гравиметрии даже для изучения рельефа фундамента, не говоря уже о более глубоких границах в коре.
Сложные соотношения между неоднородностями коры на разных уровнях обусловили возврат к моделированию плотностных разрезов по сейсмическим данным, введенному в геофизическую практику Г. А. Гамбурцевым.
Краткое описание метода ГСЗ
Современный метод ГСЗ - это целый комплекс геофизических исследований. В зависимости от решаемых задач, возможностей и требований к детальности применяются разнообразные виды наблюдений: профилирование с непрерывными., кусочно-непрерывными и точечными установками, одиночные годографы или. системы встречных и нагоняющих годографов, используются разные типы волн: преломленные, отраженные, обменные. Для детальных работ, особенно при. изучении верхних частей коры, используются сейсморазведочные системы МОВ-ОГТ. Для труднодоступных районов разработана облегченная система дифференциальных зондирований. Для исследования строения верхней мантии ведутся наблюдения за большими взрывами на длинных ( несколько тыс. км. ) профилях. Разработан морской вариант ГСЗ. В результате этих исследований получаются существенно разные по детальности и достоверности сейсмические разрезы. Так, в процессе точечных дифференциальных зондирований могут быть прослежены только некоторые опорные границы и определены средние скорости между ними. Метод отраженных волн дает возможность определить степень расслоенности коры, но он часто не позволяет надежно определить скоростную модель. Первые волны позволяют определить изменчивость с глубиной скоростей волн в верхних 10 - 15 км коры и 10 - 100 км верхней мантии. Для этих интервалов глубин составляются обычно градиентные модели, представляемые на разрезах в виде изолиний скоростей. Средняя и нижняя части коры обычно изучаются по отраженным волнам, и на разрезе строится поле отражающих границ. Для границы М часто удается воссоздать сложно-построенные слоистые модели., или. переходные зоны, которые на разрезах изображаются сгущением изолиний скоростей или системой отражающих площадок, или. группой точек обмена.
В последнее время сейсмические разрезы стали, проверяться на сходимость с волновыми, полями, по разным типам волн [ 47 J , это повысило их достоверность и позволило освободится от некоторых характерных ошибок сейсмического метода I 43 J . В дополнение ко всему при обработке материалов ГСЗ на разрез наносят все данные о скоростях в осадочной толще и выделяют зоны глубинных разломов путем привлечения геологической информации..
Для комплексирования данных ГСЗ и гравиметрии, в частности, для изучения соотношений между плотностью и скоростью, необходимо знать форму основных границ и распределение скоростных параметров по разрезу, а также с какой точностью определены эти. характеристики и. какие величины аномалий силы тяжести можно ожидать от погрешностей в тех или иных частях сейсмического разреза. Очень важно также выделение случаев неоднозначного решения сейсмической задачи. Рассмотрим возможности современного метода ГСЗ именно с этих позиций.
Преобразование скоростного разреза в плотностную модель
Исходная проблема формализации задачи комплексной интерпретации данных ГСЗ и гравиметрии, заключается в том, чтобы ввести такое параметрическое, зависящее от конечного числа параметров, описание отображения между скоростным разрезом и. плотностной моделью, которое бы позволяло учитывать без упрощений всю сейсмическую и другую априорную информацию, при этом число параметров должно оставаться разумным, а задача технически разрешимой.
Практика совместной интерпретации данных ГСЗ и. гравиметрии, а также накопленная информация по изучению соотношений между скоростью сейсмических волн в горных породах и плотностью в них в лабораторных условиях, свидетельствуют о том, что в глобальном масштабе в коре и верхней мантии Земли должна осуществляться прямая корреляция между значениями плотности и скорости. Поэтому можно предположить, что в основных чертах плотностная модель должна повторять по структуре скоростной разрез, то есть градиентно-слоистым участкам распределения сейсмической скорости должно соответствовать градиентно-слоистое распределение плотности, блокам с постоянной скоростью - блоки с постоянной плотностью, скачки, плотности должны быть приурочены главным образом к регулярным границам ( граница М и граница осадки - фундамент ), поскольку детальные сейсмические исследования в коре показали., что понятие контактной поверхности приемлимо по существу только к опорным границам.
Наиболее крупными структурами, выделяемыми на скоростных разрезах, являются осадочный чехол, если он вообще имеется в изучаемом регионе, консолидированная кора и верхняя мантия. Они выделяются как по величинам скоростей сейсмических волн С осадки - ( 2,0 - 6,0 ) км/с, консолидированная кора - ( 6,0 - 7,6 ) км/с, верхняя мантия - больше 7,8 км/с ), так и по отраженным волнам, как слои между наиболее сильными субгоризонтальными гранилами., на которых сейсмическая скорость изменяется скачком. Излагаемая методика нацелена на изучение коры и верхней мантии; причины, по которым ее нецелесообразно применять для осадочного чехла, были изложены выше, поэтому предполагается, что осадочный чехол изучен в достаточной степени другими методами и его гравитационное влияние может быть учтено и. исключено из наблюденного поля, и. он в дальнейшей интерпретации, не участвует. Вообще говоря, так же можно и. нужно поступать с любыми другими хорошо изученными бурением структурами, в верхних частях разреза. Для остальной части разреза о характере соответствия между скоростным и плотностным разрезом делаются следующие допущения:
1. Зависимость плотности от скорости весьма сложна, но в частях, где достаточно однородное тепловое поле и. имеются сходные геологические условия, есть все основания считать, что изолиниям скоростей должны соответствовать изолинии, плотностей.
2. Все части разреза, для которых предполагается единая функциональная зависимость, то есть одинаковым значениям скоростей соответствуют одинаковые значения плотностей, объединяются в макроблоки. Макроблок - это понятие параметрическое, а не геометрическое и не структурное. В один макроблок могут быть включены части разреза, пространственно разделенные. Число макроблоков определяет число ветвей в зависимости b-i(v) , каждому -соответствует своя ветвь.
Конечно-элементная аппроксимация среды
Вычислительные эксперименты показали., что при разбиении, изучаемого разреза на треугольники, необходимо руководствоваться следующими соображениями:
1. Отклонение изолиний от аппроксимирующего линейного отрезка не должно превышать 0,2 км на глубинах до 5 км, 0,3 км на глубинах ( 5 - 10 ) км, 0,4 км на глубинах ( 10 - 20 ) км и. 0,5 км на больших глубинах. Естественно, на участках изолиний с большой кривизной детальность разбиения должна быть существенно выше, нежели, на горизонтальных.
2. Необходимо, чтобы градиенты скорости, и ( соответственно ) плотности, в пределах треугольников были по возможности, близки, к средней прямой между нормалями, к изолиниям.
3. Нижняя часть разреза должна аппроксимироваться более обобщенно, так как повышение детальности аппроксимации, в этой части практически не повышает точности решения задачи, но резко увеличивает общее число элементов разбиения и, соответственно, трудности расчетов.
При выполнении, этих условий ошибка в нахождении модельного поля разрезов ( для стандартных зависимостей a=J-(v) ) не превышает ( ОД - 0,2 ) мГл. Этой точности, с запасом хватает для решения практических задач.
Линейная трансформация наблюденного поля.
Используемая в методике линейная трансформация полей в первом случае задается точками X и А . При отсутствии, случайных помех выбор этих точек не принципиален. Однако в условиях наличия помех, в особенности среднечастотных С см. далее ) возникает проблема оптимизации трансформации., ибо, если в точках
X и х значения помехи, велики., то это приводит к заметным погрешностям в значениях трансформанты, а тем самым и в решение обратной задачи. Для подавления влияния помех были разработаны два методических приема.
1) При выборе точек #1 и %i следует использовать участки с минимальным уровнем помех. Кроме того, в программе предусмотре но предварительное сглаживание поля в окрестностях точек и вместо значений j ( J и } (хг ) для построени фона берутся сглаженные значения.
2) Используется несколько трансформант, определяемых различным заданием пар точек ( х± , %% ). Для каждой пары решается задача восстановления плотности, а за окончательное принимается сред нее по всем решениям. Оба приема, как правило применялись одновременно. Необходимость просчитывать несколько вариантов привела к увеличению затрат машинного времени.. При просчетах сложных моделей с большим числом параметров это оказалось очень существенным недостатком и поэтому пришлось поменять вид трансформации. Во втором варианте линейный фон стротся по методу наименьших квадратов, кро - 69 ме экономического эффекта, его преимуществом является и. то, что в этом варианте субъективный момент, который в какой-то степени присутствовал в первом, сведен к нулю.
Район исследований, характеристика экспериментального сейсмического материала
В последнее десятилетие в этом регионе силами Специальной Региональной Геофизической Экспедиции ( СРЕЗ ) НПО "Нефтегео-физика" МГ СССР проведен большой объём работ на так называемых длинных сейсмических профилях I13,28,30,31,69,76,85J. Название это отражает значительную длину сейсмических годографов, а, следовательно, большую глубину исследований, обеспеченную применением крупных промышленных взрывов. Сейсмические разрезы по профилям СРГЗ составлены до глубины 700 км, то есть включают зону фазовых переходов в низах верхней мантии.. Отличительной чертой этих работ является не только их глубинность, но и. использование новой модификация ГСЗ, которую можно назвать методом комплексных сейсмических исследований. Основа этого метода заключается в использовании, для построений разного класса волн:отраженных, преломленных и обменных в обоих типах полей - продольных ( Р ) и поперечных ( ) колебаний. Это существенно повышает информативность и. надежность результативных материалов. В частности, построение сейсмических границ независимо по разным типам волн позволяет доказать их достоверность, определить характер изменения скорости, на этой границе и. точность определения её глубины и рельефа.
Для расчетов были выбраны два профиля ГСЗ ( см. рис. 43 ) профиль I ( БР I ) - Ханты-Мансийск-Лена, протяженностью 2800 км, и профиль II ( ПР II ) - Березово - Усть- Дая, протяженностью 3500 км. Эти параллельные профили. ( расстояние между ними примерно 500 км ) имеют широтное направление и пересекают такие крупные геоструктуры, как Обь-Тазовская синеклиза ( 0-Тс ) и Приенисейское поднятие ( ПЕп ) молодой Западно-Сибирской плиты ( З-Сп ) и Тунгусскую ( Тс ) и. Вилюйскую ( Be ) синеклизы и разделяющую их Мирнинско-Айхальскую седловину ( М-Ас ) древней Сибирской платформы ( Сп ). Профиль II кроме этого еще захватывает западным концом Приуральское поднятие ( ПУп ), а восточным - Алданский Щит ( Ащ ).
Сопоставление сейсмических моделей выбранных профилей ( см. рис. 46 и 47 ) показывает, что пересекаемые ими тектонические структуры имеют в целом по обоим профилям сходное глубинное строение земной коры и верхней мантии, вдоль профилей. На представленных сейсмических моделях четко очерчиваются три крупных осадочных бассейна. Молодая 0-Тс перекрыта довольно мощным осадочным чехлом, толщиной в среднем 8 км, местами, до II км, её фундамент сформирован герцинскими. структурами., а его поверхность разбита системой поднятий и прогибов. В наиболее глубоких впадинах залегают породы палеозойского возраста ( второй структурный этаж ), они. перекрыты сверху относи - 121 -тельно спокойно залегающими, осадками, юрского и мелового возраста, древняя Тс заполнена метаморфизованными осадками палеозоя и. покровами базальтов общей толщиной 10 - 12 км, молодая Вс -рыхлыми, юрскими, и меловыми, осадками, толщиной 8 - 12 км, до 14 км в самой глубокой ее части. Мощность земной коры, то есть глубина до границы М, изменяется вдоль профилей от 33 км до 52 км. Минимальными, глубинами, поверхности, мантии характеризуется Вс, максимальными - отдельные участки ПЕп, Тс и М-Ас. Четкая обратная зависимость между глубиной до фундамента и глубинами до границы М, что создает известный эффект компенсации в гравитационном поле структур фундамента подъемом глубинных границ, наблюдается в Вс, в меньшей степени в 0-Тс и. нарушается для Тс. Граница фундамента и поверхность М разбиты системами, разломов и часто имеют ступенеобразный характер. Для 3-п характерно некоторое увеличение средних сейсмических скоростей в консолидированной коре по сравнению с Сп.
