Магнитотеллурическое зондирование района извержения активного вулкана на Камчатке

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 550.837.2

МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ РАЙОНА ИЗВЕРЖЕНИЯ АКТИВНОГО ВУЛКАНА НА КАМЧАТКЕ

В 2014 году выполнены магнитотеллурические исследования в районе трещинного Толбачинского извержения в 2012 - 2013 гг. им. 50 -летия ИВиС и Большого трещинного Толбачинского извержения - БТТИ в 1975 - 76 гг. (район северных конусов). Исследования проводились с целью выявления аномалий повышенной электропроводности в земной коре, которые могут быть связаны с магматическими очагами. Известно, что магматические расплавы имеют пониженное электрическое сопротивление по отношению к кристаллическим и метаморфизованным породам литосферы. Сопротивление магматических расплавов оценивается от первых единиц до первых десятков Омм в зависимости от степени насыщенности водой. Сопротивление земной коры меняется от первых сотен до первых тысяч и более Омм. Различие удельного электрического сопротивления на порядки даёт возможность выявить в высокоомной земной коре наличие зон, насыщенных магматическим расплавом.

Общие сведения о районе исследований

Район исследований располагается в Толбачинской региональной зоне шлаковых конусов. Южная часть зоны называется Толбачинским долом, где сосредоточено большинство количество эруртивных центров в виде многочисленных трещин и шлаковых конусов, которые образовались в последние десятки тыс. лет. Здесь произошло в 1975 - 76 гг. Большое трещинное Толбачинское извержение, которое хорошо изучено геолого-геофизическими методами. Результаты исследований опубликованы в обобщающей монографии [2]. Последние трещинное извержение началось 27 ноября 2012 года [1]. Оно рассмотрено в работе [1]. Южнее вулкана Плоский Толбачик образовался разлом субмеридионального простирания и из него происходило излияние лавы. Верхний и нижний прорывы получили название «Прорыв им. Меняйлова» и прорыв им. С.И. Набоко, соответственно. Длина лавового потока верхнего прорыва составила 9 км, площадь 5.6 км2 . В нижней части прорыва лава изливалась из трещины длиной около 1 км на высотах 1500 - 1600 м . Мощность лавовых потоков меняется от 1 - 2 м у истока до 3 - 5 м в фронтальной части. Максимальная измеренная температура расплавов составляет 1100о С. Плотность лав оценивается от 2.58 до 2.65 - 2.7 г / см3 .

Методика работ

Площадь, покрытая лавовыми потоками, является труднодоступной для перемещения геофизической аппаратуры с помощью автомобиля. Поэтому была принята методика переноса аппаратуры вручную. Это было возможным, так как для геофизических наблюдений применялась малогабаритная станция Канадского производства «Феникс» МТU - 5 А, которая может быть использована в облегченном варианте АМТЗ для изучения верхних частей земной коры до глубин 5 - 10 км. Схема расположения пунктов МТЗ и АМТЗ представлена на рис.1.

Рис. 1. Схема расположения пунктов магнитотеллурического (10-22) и аудиомагнитотеллурического (1-13) зондирований

Район прорыва С.И. Набоко пересечён профилем АМТЗ с шагом 200 - 500 м. Диапазон регистрируемых колебаний от 0,0001 до 100 с. Длина приёмных электрических диполей 200 м. Для заземления электродов использовался глинистый раствор, что обеспечило понижение переходных электрических сопротивлений до первых десятков - кОм. За пределами лавовых потоков, есть возможность использовать автомобильный транспорт. Здесь в районе северных конусов БТТИ произведены наблюдения МТЗ и МВЗ в расширенном диапазоне периодов от 0,0001 до 1000 с и более, что позволяет получить более глубинную информацию об электропроводности геологической среды. В этом районе зондирования выполнены с шагом примерно 2 км.

Обработка и интерпретация данных МТЗ

В результате обработки данных МТЗ и МВЗ получены тензор импеданса и магнитный типпер. Тензор импеданса, как и магнитный типпер, даёт возможность оценить характер и степень геоэлектрической неоднородности среды. Анализ выполнен с помощью полярных диаграмм импеданса , параметра неоднородности и параметра асимметрии. Параметр неоднородности имеет значения первые десятые доли на коротких периодах. На длинных периодах указанный параметр возрастает, что связано с влиянием крупных структур. Параметр асимметрии свидетельствует, что на длинных периодах вариаций геоэлектрические неоднородности в первом приближении можно аппроксимировать в качестве двумерных, что связано с влиянием регионального разлома субмеридионального простирания. В основу интерпретации приняты кривые, полученные в главных направлениях. Они в большинстве случаев ориентированы по простиранию и вкрест простирания разлома. В дальнейшем эти кривые будем называть продольными и поперечными. Продольные кривые обладают повышенной разрешающей способностью к наличию глубинных проводящих зон. Поперечные кривые в лучшей мере отражают геоэлектрические свойства верхних частей земной коры. Совместный анализ продольных и поперечных кривых даёт возможность выявить глубинные разломы. Рассмотрим амплитудные и фазовые кривые МТЗ. На них выражен в левой части максимум, связанный с высокоомными образованиями, представленные вулканогенными породами, включая лавовые потоки. В средней части кривых выражен минимум, отражающий низкоомную осадочно-вулканогенную толщу, перекрывающую верхнемеловой фундамент. Важно отметить, что на продольных кривых МТЗ в низкочастотном диапазоне выражен минимум, свидетельствующий о возможном наличии глубинной проводящей зоны. Анализ свидетельствует, что амплитудные кривые подвержены влиянию локальных приповерхностных неоднородностей. Однако, фазовые кривые свободны от таких искажений и дают более сглаженную картину о структуре глубинной электропроводности. Характерно, что фазовые кривые импеданса в отличие от амплитудных кривых кажущегося электрического сопротивления отражают геоэлектрический разрез на более ранних периодах. Эти особенности были использованы для корректировки амплитудных кривых в низкочастотной области для получения более глубинной информации. По продольным, поперечным и фазовым кривым построены псевдоразрезы по профилю, пересекающему прорыв С.И. Набоко. На них хорошо выражены зоны повышенной электропроводности, которые поднимаются с глубинных частей разреза и приближаются к поверхности в районе прорыва. Количественная интерпретация МТЗ выполнена путём инверсии амплитудных и фазовых кривых с помощью программы Макки [3]. Предварительно были созданы пробные модели по профилям АМТЗ и МТЗ в рамках одномерных моделей. В дальнейшем эти модели уточнялись для продольной и поперечной поляризации электромагнитного поля. В результате расчётов получены геоэлектрические разрезы, для которых достигнута удовлетворительная сходимость модельных и экспериментальных кривых МТЗ

Результаты исследований

Рассмотрим геоэлектрический разрез, пересекающий прорыв С.И. Набоко (рис.2).

Рис. 2. Геоэлектрический разрез, пересекающий прорыв С.И. Набоко

В верхней части разреза выражен высокоомный слой с электрическим сопротивлением от первых тысяч до десятков тысяч Омм. Мощность осадочно-вулканогенной толщи варьирует от первых сотен метров до 3-4 км. Удельное электрическое сопротивление её составляет единицы - первые десятки Омм. Ниже осадочно-вулканогенной толщи расположен кайнозойский фундамент с удельным электрическим сопротивлением в первые сотни - первые тысячи Омм. Важным элементом модели является проводящая аномалия в земной коре на глубинах 4 - 14 км. Удельное электрическое сопротивление аномалии составляет 10 Омм. По форме она является субвертикальной. Ширина аномалии около 0.7 км. Выявленная коровая аномалия связана с высокопроводящей аномалией в осадочном чехле с удельным электрическим сопротивлением в 8-16 Омм. Аномальная зона в верхней части земной коры приурочена к магматическому прорыву им. С.И. Набоко. Это даёт основание связывать её с магматическими расплавами. Рассмотрим результаты глубинных МТЗ по профилю за пределами лавовых покровов (рис3).

Профиль находится южнее профиля АМТЗ на расстоянии примерно 5 км. Пункты МТЗ расположены на профиле с более редким шагом, чем на профиле АМТЗ. Поэтому на геоэлектрическом разрезе отразились только крупные геоэлектрические неоднородности. Важной частью геоэлектрического разреза является аномалия повышенной электропроводности в восточной части профиля на глубинах 40 - 60 км. Удельное электрическое сопротивление аномалии первые единицы Омм. Ширина изученной части аномалии составляет первые километры. По предварительным данным аномалия отвечает зоне пониженных скоростей по сейсмологическим данным. Земная кора над высокопроводящей глубинной аномалией характеризуется повышенным электрическим сопротивлением, которое может быть связано с насыщенностью разреза магматическими породами. магнитотеллурический зондирование электропроводность расплав

Рис. 3. Глубинный геоэлектрический разрез по данным МТЗ

Следует отметить, что коровая и верхнемантийная аномалии повышенной электропроводности пространственно приурочены к разлому, в районе которого на земной поверхности, располагается цепь шлаковых конусов. Какова природа верхнемантийной аномалии. По существующем представлениям удельное электрическое сопротивление основных пород, слагающих верхнию мантию на глубинах 40 - 60 км ,составляет первые сотни Омм. Понижение сопротивления до первых единиц Омм можно связать с наличием жидкой фазы в виде магматических расплавов. Таким образом, можно полагать, что в районе Толбачинского извержения в верхней мантии на глубинах 40 - 60 км существует магматический очаг, из которого расплавы магмы поступают в земную кору. Здесь на глубинах 6 - 12 км сформировалась коровая зона насыщенная жидкими флюидами в виде гидротермальных растворов и магматических расплавов. Из этой зоны флюиды проникают в верхние горизонты земной коры, где и образовались лавовые прорывы.

Библиографический список

1. Гордеев Е.И., Муравьёв Я. Д., Самойленко С. Б., и др. ДАН, 2013. Т. 452. №5. С. 562-566.

2. Большое трещинное Толбачинское извержение, Камчатка 1975 -1976 Под ред. С. А. Федотова. М.: Наука, 1984. 638 с.

3. Rodi, W. and R. L. Mackie, Nonlinear conjugate gradients algorithm for 2-Dmagnetotelluric inversion // Geophysics.2001.Vol. 66. P.174-187.

Аннотация

Рассмотрены методика и результаты интерпретации данных аудиомагнитотеллурического (АМТЗ) и магнитотеллурического (МТЗ) зондирований с привлечением современных методик и численного моделирования магнитотеллурического поля. В основу изучения положены кривые зондирований по направлениям вдоль и вкрест простирания структурных зон, обладающие различной разрешающей способностью к наличию коровых и мантийных геоэлектрических неоднородностей. В земной коре и верхней мантии выявлены аномалии повышенной электропроводности, связываемые с магматическими расплавами и гидротермальными растворами.

Ключевые слова: магнитотеллурическое зондирование, вулкан, извержение, магматический расплав, электропроводность, геоэлектрический разрез

The technique and results of data interpretation audiomagnetotelluric (AMT), and magnetotelluric (MT) soundings using modern techniques and numerical modeling of magnetotelluric field. The basis of the study put sounding curves in the directions along and across the strike of the structural zones have different resolution to the presence of crustal and mantle geoelectric inhomogeneities. The Earth's crust and upper mantle anomalies detected increased electrical conductivity, contact with magmatic melts and hydrothermal solutions.

Keywords: magnetotelluric sounding, volcano eruption magmatic melt, conductivity, resistivity section