Массив МТ/МВ зондирований KIROVOGRAD: квази-3D инверсия горизонтальных МВ откликов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 550.837

Массив МТ/МВ зондирований KIROVOGRAD: квази-3D инверсия горизонтальных МВ откликов

Варенцов Ив.М.

Иванов П.В.

Центр геоэлектромагнитных исследований, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Москва, Троицк

Ковачикова С.

Лозовский И.Н.

Геофизический институт Чешской АН, Прага

Анализируются горизонтальные магнитовариационные (МВ) отклики на западном склоне Воронежского массива (ВМ) и прилегающих территориях. Демонстрируется их приоритетное значение при выделении коровых проводящих структур. С помощью многопленочной квази-3D инверсии полного тензора горизонтальных МВ данных определяются положение и суммарная продольная проводимость этих аномалий. Устанавливается их сложное сочленение к ЮВ от Брянска.

Ключевые слова: Воронежский массив, коровые аномалии электропроводности, синхронные зондирования KIROVOGRAD, горизонтальные МВ отклики, многопленочная модель, квази-3D обратные задачи. горизонтальный магнитовариационный проводимость аномалия

Horizontal magnetovariational (MV) responses are analyzed at the western slope of the Voronezh Massive (VM) and adjacent territories. The importance of these data in the tracing of crustal conducting structures is demonstrated. The location and integral conductance of such anomalies are estimated applying the multisheet quasi-3D inversion technique to full-tensor MV data. The complicated junction of three crustal anomalies is outlined SE from Briansk.

Keywords: Voronezh Massive, crustal conductivity anomalies, KIROVOGRAD simultaneous soundings, horizontal MV responses, multisheet models, quasi-3D inversion.

С 2006 г. в рамках международного проекта KIROVOGRAD с участием ученых России, Украины, Белоруссии, Польши и Чехии на ЮВ России и севере Украины развертывается площадной эксперимент синхронного магнитотеллурического (МТ) зондирования для изучения геоэлектрической структуры литосферы - в т.ч., прослеживания аномалий электропроводности, ассоциированных с древними платформенными швами и областями современной активизации [1-5]. Эти исследования реализуют передовые технологии синхронных зондирований, обеспечивающие существенное подавление электромагнитных шумов (в т.ч., регионально коррелируемых) и надежное оценивание сразу трех передаточных операторов (импеданса, типпера и горизонтального МВ отклика) с последующей их совместной инверсией методами, учитывающими трехмерность получаемых данных [1]. Проект KIROVOGRAD дал первый масштабный массив синхронных зондирований на постсоветском пространстве, следуя за европейскими экспериментами BEAR и EMTESZ [5, 6]. К концу 2014 г. он включал более 200 синхронных МТ/МВ зондирований с базовыми пунктами в обс. ”Киев” (KIV) и на Геофизической базе МГУ (ALX) к западу от Калуги, а также более 300 локальных зондирований, выполненных до 2006 г. Обеспечено достаточно равномерное покрытие обширной территории (49-55°с.ш., 31-38°в.д.) со сгущением наблюдений в окрестности выявленных коровых аномальных структур. Данные структуры наиболее отчетливо видны в инвариантах горизонтального МВ отклика, имеющего повышенную чувствительность к квазилинейным субгоризонтальным проводящим аномалиям и иммунного к приповерхностным гальваническим эффектам [5, 6].

На рис. 1 показана карта изолиний максимальной амплитуды горизонтального МВ отклика (период 400 с), рассчитанного отн. самого западного зондирования на профиле НАВЛЯ, с наложенными эллипсами экстремальных амплитуд его аномальной части. В таком представлении максимальные изолинии и большие оси эллипсов отчетливо выделяют квазилинейные коровые проводящие аномалии (Кировоградскую, КрвА - на ЮЗ, Курскую, КурА - на ЮВ и Кирово-Барятинскую, КбрА - на севере), а также осадочную структуру Днепрово-Донецкой впадины, ДДВ - на юге [1, 3-5]. На рис. 2 показан 3D образ максимальной амплитуды горизонтального МВ отклика во всем диапазоне периодов, характеризующий относительные интенсивность и глубинность выделенных аномалий, визуализируя аномальные токовые системы в пространстве.

Рис. 1. Диаграммы инвариантов горизонталь-ного МВ отклика (отн. самого западного зондирования на профиле НАВЛЯ) для расширенного массива KIROVOGRAD: карта изолиний максимальной амплитуды с эллипсами (повернутыми на 90°) экстремальных амплитуд его аномальной части для периода 400 с; сплошные линии - границы тектонических структур: DDT - ДДВ; USH - Украинский щит, KRB и PRDB - его Кировоградский и Приднепровский блоки; VM-200m - изолиния 200 м мощности осадков ВМ; пунктир - важнейшие глубинные разломы: INF - Западно-Ингулецко-Белопольско-Навлин-ский, KKF - Криворожско-Крупецкой, VSHF - Волчанско-Шаблыкинский, NVF - Новооскольско-Воронцовский; в самом вверху - масштаб эллипсов (круг с равными полуосями длиной 0.5).

Рис. 2. Изоповерхность (на уровне 1.25) максимальной амплитуды горизонтального МВ отклика (отн. самого западного зондирования на профиле НАВЛЯ) для расширенного массива KIROVOGRAD; по горизонтальным осям - географические координаты (град.), по вертикали - период (с, lg-масштаб); данные в пределах осадочных структур ДДВ исключены.

В этой связи, представляется целесообразным вести решение интерпретационных обратных задач с использованием горизонтальных МВ откликов, как в комплексе с другими МТ/МВ данными, так и независимо от них. Результаты совместной 2D+ инверсии [6] данных импеданса, типпера и горизонтального МВ отклика оказались весьма информативными на северных профилях массива [1-4, 6, 7]. Ниже приводятся новые результаты площадной инверсии полного тензора горизонтального МВ оператора в рамках квази-3D методики. Она основана на приближенном, но очень быстром пленочном модельном алгоритме с граничными условиями Прайса и тихоновской минимизации функционала невязки данных с различными стабилизаторами методом сопряженных градиентов. Первоначально она была разработана для квази-3D инверсии типпера в однопленочной модели, интегрирующей все аномалии электропроводности [9, 10], но затем при интерпретации данных экспериментов EMTESZ и KIROVOGRAD получила существенное развитие с переходом к инверсии горизонтальных МВ откликов и анализу многопленочных моделей [1, 4, 6, 11]. Двухпленочная реализация методики дала возможность раздельно изучать поверхностные и глубинные аномалии и, в т.ч., подбирать глубинные структуры при фиксации априорных приповерхностных представлений. Переход к инверсии полного тензора горизонтальных МВ данных позволил в полной мере учесть их способность к прямому картированию аномальных токовых систем, а также уменьшить искажающее влияние токовых систем, текущих за пределами области инверсии, весьма существенное для данных типпера [1, 5].

Актуальная модель квази-3D инверсии МВ данных массива KIROVOGRAD включает горизонтально-слоистую структуру с сопротивлениями слоев, сверху вниз: 1000, 300, 100 и 30 Ом*м и мощностями по 100 км. Неоднородные пленки располагаются на глубинах 2 и 20 км, имеют равномерную дискретизацию 20 км по широте и 10 км по долготе симметрично относительно точки (52єN, 34.5E) и являются однородными на периферии (вне области рис. 1) с фоновыми продольными проводимостями 100 и 400 См, соответственно. Структура верхней пленки определяется путем осреднения оценок приповерхностной продольной проводимости по эффективным МТ кривым массива KIROVOGRAD и другим априорным данным [1] и фиксирована в ходе инверсии (рис. 3а). Продольные проводимости в ячейках нижней пленки (общим числом ~2500) оптимизируются. Вместе инвертируются все компоненты горизонтального МВ оператора (рассчитанного отн. самого западного зондирования на профиле НАВЛЯ, рис. 1) для заметно расширенного в 2013-14 г (по сравнению с предшествующими решениями подобной обратной задачи [1, 4]) массива зондирований KIROVOGRAD. Реализуется выбор оптимального параметра регуляризации [10]. В итоге удается быстро и устойчиво оценить продольную проводимость субгоризонтальных аномалий электропро-водности. При этом необходим контроль точности условий Прайса и возможны искажения при “многоэтажной”, гальванически связанной структуре аномалий. На рис. 3б-г приведены три частных решения задачи квази-3D инверсии для периодов 400, 1600 и 3600 с. Робастные абсолютные невязки (Q67, [7]) по всей совокупности компонент составляют 0.097, 0.104 и 0.122, а относительные L2 (с нормировкой на эффективную амплитуду) - 14.0, 14.3 и 15.9 %.

Рис. 3. Продольная проводимость (См, lg-масштаб) в модели квази-3D инверсии горизонтального МВ отклика в эксперименте KIROVOGRAD: а - в верхней “осадочной” пленке, б-г - в нижней “коровой” пленке для инверсии на периодах 400, 1600 и 3600 с, соответственно.

Показанные распределения коровой продольной проводимости выгодно отличаются от предшествующих решений задачи [1, 4]. Уточненная модель продольной проводимости осадков ДДВ позволила уменьшить интенсивность ложных коровых аномалий в ее пределах, вызванных погрешностями пленочной аппроксимации. Подобные аномалии теперь возникают лишь на окраинах южного борта ДДВ и могут также отражать влияние бортовых зон глубинных разломов. Существенно “сфокусированы” аномальные коровые структуры. Их восточная ветвь (КурА и КбрА) прослежена в большем числе зондирований и отчетливо совпадает в плане с полосой ярких положительных магнитных аномалий - Курской и Барятинской [2-4]. Ее северное окончание отделилось от бортовых структур Московской синеклизы, а продолжение на ЮВ приобрело выраженное ЮВВ простирание. Структура КрвА проявилась под осадками ДДВ и приняла более слитную форму севернее. Продольная проводимость на осях КрвА и КурА приближается к уровню 104 См, а на оси КбрА локально достигает уровня 5000 См. Уточнение получила область сочленения КрвА, КурА и КбрА к ЮВ от Брянска. В модели инверсии для периода 400 с (рис. 3б) выделился еще один меридианальный верхнекоровый проводник - вдоль западной границы Кировоградского блока Украинского щита и далее под ДДВ на север до границ с Россией и Белоруссией.

Полученные решения подлежат дальнейшему уточнению по результатам 11 новых зондирований 2015 г. на ЮВ окончании КурА и северном - КбрА. На их основе, а также по результатам совместных профильных 2D+ инверсий МТ/МВ данных строятся адекватные начальные модели для задач 3D инверсии, решаемых в настоящее время по всей совокупности данных по программе ModEM [12].

Наши исследования выполнены при поддержке РФФИ (гранты 13-05-12094_офим и 13-05-91330_ННИО). Авторы благодарны участникам Рабочей группы KIROVOGRAD [1]. Особая признательность - украинским ученым Т.К. Бурахович, А.Н. Кушниру, И.М Логвинову, В.Н. Тарасову за возможность включения в базу данных KIROVOGRAD результатов их зондирований 2012-14 г. и белорусскому исследователю В.Н. Астапенко за содействие в интеграции данных белорусских зондирований 1990-х годов.

Литература

1. Варенцов Ив.М., Ковачикова С., Куликов В.А. и др. Синхронные МТ и МВ зондирования на западном склоне Воронежского массива // Геофиз. журн. 2012. Т. 34(4). С. 90-107.

2. Абрамова Д.Ю., Абрамова Л.М., Варенцов Ив.М. и др. Корреляция аномалий постоянного магнитного поля и коровых геоэлектрических структур на западном склоне Воронежского массива // Геофизический журнал. 2012. Т. 34. № 4. С. 62-69.

3. Алексанова Е.Д., Варенцов Ив.М., Куликов В.А. и др. Глубинные аномалии электропроводности в северной части Воронежской антеклизы // Геофизика. 2013. №2. С. 32-38.

4. Варенцов Ив.М., Гордиенко В.В., Гордиенко И.В. и др. Склон Воронежского кристаллического массива (геофизика, глубинные процессы). Киев: Логос. 2013. 118 с.

5. Varentsov Iv.M. Arrays of simultaneous EM soundings: design, data processing, analysis and inversion // EM sounding of the Earth's interior: theory, modeling, practice. Elsevier. 2015. P. 271-299.

6. Varentsov Iv.M. Arrays of simultaneous EM soundings: design, data processing and analysis // EM sounding of the Earth's interior (Methods in geochemistry and geophysics, 40). Elsevier. 2007. P. 263-277.

7. Varentsov Iv.M. Methods of joint robust inversion in MT and MV studies with application to synthetic datasets // EM sounding of the Earth's interior: theory, modeling, practice. Elsevier. 2015. P. 191-229.

8. Варенцов Ив.М., Лозовский И.Н., Абрамова Л.М. и др. Массив МТ/МВ зондирований KIROVOGRAD: сопоставление геоэлектрических моделей на северных профилях КИРОВ, ЖИЗДРА И БРЯНСК // Настоящее издание. 2015. 4с.

9. Cerv V., Kovacikova S., Pek J. et al. Modelling of conductivity structures generating anomalous induction at the eastern margin of the Bohemian Massif and the West Carpathians // Acta Geophys. Pol. 2002. V. 50(4). P. 527--545.

10. Kovacikova S., Cerv V., Praus O. Modelling of the conductance distribution at the eastern margin of the European Hercynides // Stud. Geophys. Geod. 2005. V. 49. P. 403-421.

11. Kovacikova S., Varentsov Iv.M., EMTESZ and KIROVOGRAD WGs. Quasi-3D inversion of horizontal MV responses // EM soundings: theory and applications (Proc. Int. Workshop on EM sounding in memory of Professors Mark N. Berdichevsky and Peter Weidelt). М: IPE RAS. 2010. P. 45-46.

12. Egbert G., Kelbert A. Computational recipes for EM inverse problems // Geophys. J. Int. 2012. V. 189. P. 251-267.

Размещено на Allbest.ru