ВВЕДЕНИЕ
Во время выполнения международного проекта “210°-ый Магнитный Меридиан” (210° MM),
продолженного затем в проектах “Circum-pan Pacific Magnetometer Network (CPMN)” и
“MAGnetic Data Acquisition System (MAGDAS)” был получен большой объем цифровых записей
вариаций геомагнитного поля вдоль меридиана от северного полюса до южного . Несколько станций располагались в полярных областях
России. Непрерывная регистрация вариаций в широкой полосе периодов осуществлялась
с помощью феррозондовых магнитометров с чувствительностью 0.1 нТ и частотой дискретизации
по времени 1 Гц, ориентированных по магнитному меридиану. Мы обратились к этим записям,
чтобы оценить возможность их использования для выполнения магнитовариационного зондирования
в российских областях Арктики. В этом регионе действовали три станции в пунктах обсерватория
“Тикси” (TIK, 71.59° N, 128.78° E), о. Котельный (KTN, 75.94° N, 137.71° E), п. Чокурдах
(CHD, 70.62° N, 147.89° E), представленных на .
Рис. 1.
Карта исследуемого района с эпицентрами местных землетрясений (точки) по работе , реальными индукционными стрелками на периоде 100 с и расположением рифтов (области,
закрашенные серым цветом) по работе : 1 – Усть-Ленский рифт; 2 – Омолойский
рифт; 3 –Усть-Янский рифт; 4 – Широстонский рифт. Серыми кубиками показано продолжение
зоны сейсмичности спредингового хребта Гаккеля на шельфе моря Лаптевых. Глубины моря
в м.
Магнитотеллурические (МТ) и магнитовариационные (МВ) исследования в полярных районах
имеют долгую историю. Так, в 70-х годах прошлого века они выполнялись в глубоководных
областях Северного Ледовитого океана с дрейфующего льда на полярных станциях . Большой объем МТ и МВ исследований
был выполнен в эти же годы в Канадском секторе Арктики . Здесь исследования были выполнены на обширной площади как на островах, так
и со льда.
Пожалуй, первые высококачественные результаты МТ зондирований в полярной области были
получены в Восточной Антарктике . Здесь на профиле, включающем 10
пунктов наблюдений, были получены записи вариаций в диапазоне периодов 0.01–1000 с.
Это позволило с учетом всех ранее полученных требований к обработке данных построить
кривые удельного кажущегося сопротивления (УКС) с высокой точностью и произвести их
инверсию для оценки геоэлектрического строения разреза. Аналогичные успешные МТ и
МВ исследования были выполнены на острове Десепшен (Deception Island), находящемся
между Антарктикой и Южной Америкой на активном вулкане. В этом же
районе, в Восточной Антарктике, индийские ученые успешно применили МТ технику для
исследования геоэлектрического строения региона . В Арктике на острове
Шпитцберген и западной Гринландии также опробовались современные модификации МТ аппаратуры
и алгоритмов обработки данных . Наиболее подробное и
детальное исследование возможностей МТ и МВ зондирований в полярных областях было
проведено во време эксперимента “BEAR” (1998–2002 гг.) по изучению геоэлектрического
строения Балтийского щита на основе синхронной регистрации МТ поля в 49 пунктах в
течение 2-х мес. При этом анализировались возможности робастных алгоритмов обработки
синхронных данных и моделировалось влияние полей полярных
токовых систем, рассчитываемых на основе модели IZMEM, на МТ и МВ передаточные операторы
. Исследования показали, что передаточные операторы, получаемые в результате
обработки экспериментальных данных, отражают реальный геоэлектрический разрез. Эффект
источника для различных конфигураций токовых систем в ионосфере над горизонтально-слоистым
разрезом рассматривался в работе . При наличии движущегося источника
поля его эффект ослабляется . В работе было показано,
что линейные связи между компонентами МТ поля выполняются и в случае линейного изменения
компонент поля с расстоянием.
3D-ИНВЕРСИЯ ТИППЕРОВ
Рассчитанные по (12) значения ассиметрии типпера изменяются с изменением периода и
находятся в пределах 0.3–0.5 для пункта KTN и 0.0–0.4 для пункта TIK, и разрезы в
пунктах можно характеризовать как 2D/3D и применить 3D-инверсию типперов. Для выполнения
этой операции была использована программа трехмерного моделирования методом конечных
разностей Mod3D, разработанная в Орегонском университете США и успешно применяемая в различных геологических обстановках для инверсии профильных
и площадных МТ экспериментов . Программа ModEM решает регуляризованную обратную задачу нелинейным методом
сопряженных градиентов, минимизируя функционал
В расчетах использовались только типперы. В нашем случае имеются наблюдения в двух
точках и к тому же разнесенных на расстояние около 600 км. Поэтому мы применили 3D-инверсию
типперов по одной точке в пунктах TIK и KTN. Все расчеты выполнялись с использованием
оборудования ЦКП “Дальневосточный вычислительный ресурс” ИАПУ ДВО РАН на многопроцессорном
вычислительном кластере IRUS17 (https://www.cc.dvo.ru). На обоих пунктах размерность сетки была 60 × 60 × 53 ячеек по осям x, y, z соответственно, без учета ячеек в верхнем полупространстве. Ось x модельной сетки была направлена по меридиану на север в пункте TIK, вдоль которого
простирается западный берег губы Буор-Хая и по азимуту 35° на СЗ в пункте KTN, т.е.
в направлении реальной индукционной стрелки в этом пункте. Начало модельной системы
координат помещалось в пункте измерений. В горизонтальной плоскости в центральной
части сетки размером 40 × 40 ячеек размер ячейки был 10 × 10 км и к краям сетки он
увеличивался в геометрической прогрессии со знаменателем 1.24, что определило область
моделирования ≈1184 × 1184 км. По оси z вниз размер первой ячейки был задан 50 м и увеличивался с глубиной в геометрической
последовательности со знаменателем 1.2. Стартовые модели разреза задавались однородным
полупространством с УЭС Ом ⋅ м. В пункте TIK, пренебрегая влияним на результат мелководья губы Буор-Хая,
где глубины составляют первые метры, море не включалось в стартовую модель. В пункте
KTN, наряду с подобными моделями для изучения влияния моря и островного расположения
пункта в модели включалось глубоководное и мелководное море, и моделировался остров
в первом слое разреза овалом с осями 200 × 140 км по широте и долготе соответственно.
Мелководное море в одних моделях доходило только до пункта наблюдения, в других оно
простиралось до континента. Параметры сглаживания модели по осям задавались значением
0.1. Экспериментальные значения типперов определялись на 21 периоде в пункте TIK и
на 18 периодах в пункте KTN. Их ошибка задавалась равной 0.02 на обоих пунктах. Близость
экспериментальных значений типперов к предсказанным по результирующей модели оценивалась
по (13). На приведены графики экспериментальных и модельных типперов в зависимости от периода
вариаций для обоих пунктов. СКО на обоих пунктах характеризуется значениями ≈3.0.
Из рисунка видно, что экспериментальные зависимости на пункте TIK и на пункте KTN наиболее точно аппроксимируются таковыми в результирующей модели. Эти
коэффициенты в большей степени будут определяться текущими в разрезе электрическими
токами, параллельными береговой черте вблизи пунктов наблюдений.
ВЫВОДЫ
В выполненных исследованиях показано, что типперы, получаемые в результате обработки
МВ данных, отражают геоэлектрическое строение региона, а эффекты полярного электроджета
подавляются программой обработки экспериментальных записей. Об этом свидетельствуют
и устойчивые ориентации реальных индукционных стрелок, указывающих области нахождения
локальных проводящих неоднородностей в геоэлектрическом разрезе.
При интерпретации результатов зондирований отмечается корреляция между глубинными
проводящими неоднородностями в разрезах и отрицательными аномалиями в гравитационном
поле по спутниковым и наземным данным. Проводящие неоднородности вблизи обоих пунктов
в полученных моделях фиксируются на глубинах, не превышающих 100–200 км, что соответствует
низкоскоростному характеру сейсмического разреза в этом же интервале глубин, полученного
по данным сейсмической томографии.
Проводящая неоднородность, выделенная по результатам 3D-инверсии в районе пункта TIK,
тяготеет к области с максимальной сейсмичностью в губе Буор-Хая, которая может являться
одной из причин наблюдающихся здесь резких контрастностей в электрических проводимостях
среды, получаемых в моделях 3D-инверсии.
Конечно, для детального изучения верхних частей разреза данных недостаточно и необходимы
дополнительные профильные или площадные измерения геомагнитных вариаций. Это относится
и к глубинным областям разреза, в которых в этом случае можно было бы детализировать
положение проводящих неоднородностей и их конфигурацию.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований установлены следующие закономерности формирования и распространения
многолетнемерзлых пород на арктическом шельфе.
1. На арктическом шельфе зафиксировано существование горизонта высокого сопротивления
(высокоомный слой), подтвержденного буровыми работами и термометрическими наблюдениями,
кровля которого связана на шельфе Карского моря (приямальский участок, глубины моря
1–100 м) и моря Лаптевых (залив губы Буор-Хая, Хатангский залив, глубины моря 1–10
м) с многолетнемерзлыми породами.
2. Многолетнемерзлые породы в транзитной зоне суша–шельф имеют двухслойное строение.
Мощность современных “козырьков” многолетнемерзлых пород составляет не более 10 м
и простирание до 100–200 м.
3. Для западной части Печорского моря характерно редкоостровное распространение многолетнемерзлых
пород. Отдельные острова многолетнемерзлых пород имеют размеры более 1–5 км по горизонтали
и 150–300 м по вертикали. Для восточной части Печорского профиля характерно массивноостровное
распространение многолетнемерзлых пород. Отдельные острова многолетнемерзлых пород
имеют размеры 10–50 км и 200–300 м по вертикали. Кровля многолетнемерзлых пород на
шельфе Печорского моря располагается в пределах 1–150 м, подошва – в пределах 300–400
м. Для шельфа Карского моря характерно прерывистое распространение многолетнемерзлых
пород с зонами сквозной деградации многолетнемерзлых пород, достигающих горизонтальных
размеров от 10 до 50 км. Кровля многолетнемерзлых пород на шельфе Карского моря располагается
в пределах 1–150 м, подошва – 300–400 м. Для шельфа моря Лаптевых характерно прерывистое
распространение многолетнемерзлых пород с зонами деградации многолетнемерзлых пород,
достигающих горизонтальных размеров до 100 км. Кровля многолетнемерзлых пород на шельфе
моря Лаптевых располагается в пределах 1–100 м, подошва – в пределах 400–600 м.
4. С помощью математического моделирования с учетом данных экспериментального исследования
теплофизических свойств отложений подтверждено предположение о формировании многолетнемерзлых
пород арктического шельфа в верхнем плейстоцене при его осушении и возможной значительной
мощности криолитозоны, испытывающей в настоящее время преимущественно тепловую и химическую
(концентрационную) деградацию, как кровли, так и подошвы.
5. По результатам геофизических работ и тепловых расчетов обосновано вероятное присутствие
гидратных толщ газов значительной мощности до глубин 1000 м на шельфе морей восточного
сектора Российской Арктики.
6. Проведена типизация неоднородности многолетнемерзлых пород, учитывающая строение,
свойства и масштабный уровень исследуемых объектов.
7. Построена авторская схема криогенногидратных (многолетнемерзлых и газогидратных)
толщ на шельфе морей Российской Арктики, отличающаяся распространением, состоянием,
строением криолитозоны с изменением глубин залегания кровли, подошвы многолетнемерзлых
и газогидратных толщ, а также обозначением зон современной деградации многолетнемерзлых
толщ от известных ранее геокриологических карт.
