Сейсмическая томография земли доклад

Обновлено: 02.07.2024

Одним из самых распространенных и простых методов получения и обработки сейсмических данных является метод преломленных волн (МПВ) в модификации сейсмической томографии. Томография - восстановление внутренних параметров объекта по его проекциям меньшей размерности. В данном случае объектом является геологический разрез, его параметрами - скорости продольных или поперечных волн, а проекциями - времена их пробега от источника до приёмников. Сейсмотомография с поверхности подходит для поиска высокоскоростных и низкоскоростных объектов размером от первых метров, а также границ или областей разреза, где скорости меняются значительно. Важно отметить, что разрешение метода при работе с поверхности Земли всегда уменьшается с глубиной (для МСП это не так), а также весьма существенно зависит от шага между сейсмоприемниками и пунктами возбуждения. Как и во всех модификациях МПВ, есть ограничение на модель среды – скорость должна увеличиваться к низу разреза. Сейсмотомография, в зависимости от задачи, может быть реализована как в 2D, так и 3D вариантах.

Решаемые задачи могут быть самыми разнообразными: от инженерных и геотехнических до поисковых, таких как определение УГВ, картирование кристаллического фундамента или мерзлоты, определение мощности рыхлых отложений, поиск карста, суффозии, зон разуплотнения и др. Восстанавливаемые скоростные разрезы могут быть применены для сейсмомикрорайонирования (СМР). Глубинность исследования максимальна для центральной части расстановки сейсмоприёмников, зависит от длины годографа и обычно может быть оценена соотношением 1/4 в среднегеологических условиях. При длине годографа в 235 м (48к×5м, ПВ на 1 или 48 канале), глубина проникновения луча в центре расстановки может составить 60 м.

Для выбора оптимальной системы наблюдения и оценки разрешающей способности очень полезно выполнять численное кинематическое или полноволновое моделирование. В первом варианте создается упрощённая модель среды, несущая информацию только о предполагаемом распределении скорости, геометрии границ и возможных локальных объектах. На модель накладывается система наблюдения и рассчитываются годографы целевых волн, после чего решается обратная задача восстановления скоростного разреза, а результат сравнивается с исходной моделью.

Полноволновое моделирование в Tesseral Engineering предполагает создание более сложной модели, включающей распределение скоростей P и S волн, плотности пород, параметров затухания, пористости со свойствами флюида, трещиноватости и анизотропии Томсена. Далее для выбранной системы наблюдения рассчитываются сейсмограммы и выполняется их анализ и обработка. Моделирование на этапе планирования работ позволяет определить оптимальную систему наблюдения и возможность решения задачи с учётом зависимости разрешающей способности от длины волны, затухания сигнала и волн помех, а на этапе интерпретации данных, убедиться в её адекватности и надёжности решения поставленной задачи.

Сейсмотомография не требовательна к геометрии рельефа поверхности, как MASW и МОВ-ОГТ, а также не накладывает жестких ограничений на систему наблюдения. Полевые работы могут выполняться в горной местности, на болотах, в транзитной зоне, на акватории и в любых других условиях. Также можно комбинировать скважинные наблюдения с наблюдениями на поверхности. В качестве источников может быть выбран как падающий груз (кувалда или молоты AWD), так и скважинный/акваторный спаркер или сейсморужьё. В качестве сейсмоприемников используются вертикальные и горизонтальные геофоны или гидрофонные косы.

Томографической инверсию сейсмических данных мы выполняем в современных программных пакетах ZondST2d, XTomo-LM или ZondST3d. В ZondST2d возможно выполнение интерпретационной обработки, расчёт атрибутов (параметры анизотропии, добротность, градиент, качество данных, чувствительность модели) и совместная инверсия с данными других геофизических методов. Предварительная подготовка данных, такая как различное шумоподавление, суммирование, пикировка больших массивов и ведение геометрии для сложных систем наблюдения, выполняется в RadExPro или в специально разработанных оригинальных приложениях, включающих в том числе и применение нейросетей.

Наша компания отличается бережным отношением к обработке данных и их последующей инверсии. Уделяется большое внимание полноте данных их качеству, суммированию накоплений, проверке правильного введения геометрии и ручной пикировке в сложных геологических условиях. Бывают случаи, когда для наилучшего решения задачи инверсии нужно уделить особое внимание созданию начальной модели, например, фиксировать скорости в ячейках, если работы выполняются на акватории. Также тщательно тестируются и выбираются размер ячеек модели, параметры решения обратной задачи, такие как метод инверсии, величина и эллипс сглаживания, увеличение степени сглаживания с глубиной, количество итераций. Мы часто выполняем полноволновое или кинематическое моделирование, для того чтобы убедиться в корректности обработки и интерпретации данных.

Важнейшим этапом любого геофизического проекта является получение качественных полевых данных. Наша команда геофизиков может обеспечить любой этап выполнения геофизического проекта – от подбора оборудования и проектирования системы наблюдения до сопровождения проекта, выполнения обработки и интерпретации данных.

Сейсмическая томография (Короновский Н.В. , 2000), НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Рассмотрены сейсмотомографический метод изучения внутреннего строения Земли, а также другие методы геофизической томографии. Демонстрируются успехи сейсмотомографического метода для расшифровки структуры мантии Земли.

Н. В. КОРОНОВСКИЙ

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Геологи всегда мечтали увидеть, что же находится в недрах Земли. Ведь самая глубокая скважина в мире на Кольском полуострове проникла в толщу горных пород всего лишь на 12 км 262 м. Тем не менее о внутреннем строении земного шара мы знаем очень много, и эти знания основаны главным образом на изучении скоростей прохождения упругих волн в недрах Земли. Значения скоростей различных сейсмических волн позволяют рассчитать распределение плотности вещества и давления внутри Земли. Все это дало возможность геофизикам предложить несколько моделей внутреннего строения Земли с выделением в ее пределах ряда сферических оболочек, характеризующихся более или менее однородными физическими свойствами и достаточно четкими поверхностями или границами разделов, обозначенными благодаря изменению скоростей упругих объемных сейсмических волн. Наибольшим признанием ученых до последнего времени пользовалась модель строения Земли К.Е. Буллена, созданная в 1959-1969 годах. В последнее время используется более новая, уточненная модель PREM (Prelimenary Reference Earth Model), которая характеризуется "нормальным", то есть усредненным распределением с глубиной различных физических параметров, в том числе скоростей сейсмических волн. Наиболее важным источником информации о строении Земли являются землетрясения, самые глубокие очаги которых располагаются на уровне примерно 700 км. Все землетрясения порождают сейсмические волны деформации, пронизывающие в различных направлениях земной шар.

Очевидно, что, чем больше регистрируется землетрясений, тем точнее и полнее информация о недрах нашей планеты. В последние десятилетия количество сейсмических станций во всем мире многократно увеличилось, а следовательно, возрос поток информации, обработка которой требует огромных по объему и трудоемких вычислений. И тут вовремя появились быстродействующие компьютеры, позволившие на многие порядки ускорить процесс вычислений новых данных, непрерывно поступающих с сейсмостанций.

Именно эти два фактора - новые сейсмические станции и компьютеры позволили выявить небольшие (до ? 5%) отклонения скоростей прохождения сейсмических волн через недра Земли относительно стандартных моделей их распределения К.Е. Буллена или PREM. Геологам открылась удивительная картина размещения аномальных участков в мантии Земли с положительными или отрицательными значениями скоростей упругих объемных сейсмических волн относительно их "нормальных" значений для соответствующих глубин. Эти участки можно наблюдать как в двух-, так и в трехмерном изображении. Методы, позволяющие получать подобные объемные картины неоднородностей в мантии и коре Земли, получили название сейсмической томографии.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЙСМОТОМОГРАФИИ

Наверное, многие из читателей слышали о медицинской томографии, которая формирует двухмерное изображение определенного среза (слово "томо" означает срез) объекта, например головного мозга с помощью рентгеновских лучей. Проводя сканирование большого числа тонких срезов, можно построить и трехмерное (объемное) изображение интересующего врачей объекта. При таком исследовании источник рентгеновских лучей должен двигаться вокруг объекта и лучи, интенсивнее поглощаясь в более плотных тканях, дают на снимке более темное изображение. Различие в плотностях позволяет получить изображение интересующих нас неоднородностей, скажем новообразований в головном мозге.

Сейсмическая томография базируется на измерении скоростей объемных и поверхностных сейсмических волн, направленных таким образом, чтобы "просветить" интересующее геофизиков непрозрачное тело, например массив горных пород, который исследователь не может непосредственно наблюдать. При этом массив неподвижен, так же как источники и приемники сейсмических волн.

Приложение силы к твердому упругому телу - горной породе, например, в виде удара, мгновенного смещения по разлому, подземного взрыва - вызывает в нем деформацию, то есть сейсмическую волну, которая распространяется во все стороны от места приложения силы. Наиболее эффективным способом образования сильных колебаний является землетрясение, волны деформаций от очага или гипоцентра которого пронизывают весь земной шар. Специальные приборы - сейсмографы улавливают и фиксируют эти волны, преобразованные в колебания почвы, и записывают их в виде сейсмограмм.

Через твердое изотропное тело могут проходить только два типа объемных волн: продольные и поперечные. Первая из них представляет собой волну сжатия-растяжения, как и обычная звуковая волна. Смещение частиц вещества при этом происходит вдоль направления движения волны. В поперечной волне частицы перемещаются перпендикулярно направлению движения волны. Более подробно о сейсмических волнах можно прочитать в [1].

Скорости продольных (vp) и поперечных (vs) сейсмических волн составляют в горных породах обычно несколько километров в секунду и увеличиваются при повышении давления и плотности горной породы и понижении температуры. Скорость продольных волн всегда больше поперечных, и поэтому они первыми достигают регистрирующих приборов - сейсмографов. Интервал времени между приходом продольной и поперечной волн будет являться мерой расстояния до очага землетрясений. Поэтому, имея минимум три станции, можно довольно точно определить эпицентр землетрясения.

Сейсмические волны распространяются в гетерогенных средах не прямолинейно, а проделывают сложный путь, и скорость волн на различных глубинах определяется по годографам - графикам зависимости времени от координат точек наблюдения. Линейные годографы - это основной источник сведений о типах волн в сейсмологии.

Если сейсмические волны генерируются многими источниками, например очагами землетрясений, они достигают регистрирующих станций в расчетное время, которое устанавливается по принятой модели, допустим PREM. Но когда на их пути встречается какая-то аномальная масса, то скорость волн будет или уменьшаться, или, наоборот, увеличиваться в зависимости от значения плотности. Чем выше плотность, тем выше скорость сейсмических волн. Таким образом, объемные продольные и поперечные волны, проникая глубоко в мантию Земли, позволяют выявить неоднородности в ее пределах (рис. 1).

Вполне очевидно, что, чем больше сейсмических волн проходит через какую-либо неоднородность в мантии Земли или земной коре, тем более подробную информацию об изменениях фаз, периодов, амплитуд и скоростей этих волн мы будем иметь. Количество записей особенно важно, так как одно землетрясение дает лишь одну, усредненную скорость волны вдоль луча, попавшего на сейсмоприемник. Но когда лучей много и они идут с разных сторон, взаимно пересекаясь, тогда информация об источнике волн гораздо более полная. Иными словами, на сейсмоприемники поступят данные о флуктуациях многих физических параметров, которые после трудоемкого процесса их обработки покажут, какие существуют отклонения от стандартной модели. Поскольку землетрясений ежегодно происходит сотни тысяч, а станций, регистрирующих сейсмические волны, многие тысячи, необходимо обработать колоссальный объем материала, который может сделать только быстродействующая ЭВМ. Современные цифровые сейсмографы регистрируют сейсмические волны и позволяют сразу же вводить их в ЭВМ. Следует отметить, что исследования сейсмических границ и неоднородностей внутри Земли представляют собой сложную, непрерывно совершенствуемую задачу. Необходимо отфильтровать помехи и шумы, неизбежно возникающие при определении времени вступления продольных, поперечных и других волн на сейсмограмме.

Существуют различные методы для определения глубинных сейсмических границ и неоднородностей, связанные с отраженными, преломленными и обменными волнами. Но можно использовать, как это и делается в сейсмотомографии, сразу все типы волн, не изучая их последовательно, а как бы суммируя их вместе. Это так называемая многоволновая томография, которая дает гораздо более качественное представление о глубинных неоднородностях. Надо подчеркнуть, что известные алгоритмы для построения изображений на основе анализа скоростей сейсмических волн удачно дополняются знанием особенностей геологических разрезов, которые хорошо известны для верхних горизонтов земной коры и прежде всего осадочных толщ, но хуже для ее более глубинных уровней и еще хуже для мантии Земли.

Процесс отбора необходимых сейсмических параметров и оценка их качества для получения томографического изображения столь же важны, как и конечный результат - построение трехмерной картины интересующей нас неоднородности в недрах Земли. Именно отбор экспериментальных сейсмических данных, а также их первичная обработка являются тем необходимым основанием, на котором строится вся дальнейшая работа для получения изображения [4]. Это особо следует подчеркнуть для того, чтобы было понятно, почему сейсмотомографические изображения, в основу которых положен, казалось бы, одинаковый первичный материал, при обработке разными исследователями могут значительно отличаться.

Сейсмическая томография позволила получить первые представления о конвективных течениях вещества в мантии Земли. До этого геологи и геофизики имели лишь умозрительные представления о подобных движениях в мантии, основываясь на явно несовершенных числовых моделях конвекции и изменениях поля силы тяжести на поверхности Земли. Та картина, которая открылась геофизикам при использовании сейсмотомографии для изучения неоднородностей в мантии Земли, оказалась во многом неожиданной, что было продемонстрировано Д.Л. Андерсоном и А.М. Дзевонским еще в начале 80-х годов [3]. Самое важное, что удалось выявить, - это разнонаправленное горизонтальное или близкое к нему движение относительно холодного и нагретого вещества, а не только перемещение в вертикальной плоскости, как это предполагалось раньше. Холодные и горячие струи вещества мантии образуют сложное переплетение в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и при этом не наблюдается полного соответствия их глубинных продолжений по отношению к поверхностным.

Так, например, нагретые колонны мантийного вещества под областями новейшего вулканизма или рифтовыми зонами срединно-океанических хребтов не поднимаются из глубины в виде прямых колонн, а имеют весьма причудливую форму, отклоняясь в стороны и обладая отростками, апофизами, шарообразными вздутиями.

Однако в пределах верхней мантии подтвердились основные положения теории тектоники литосферных плит, и мы действительно наблюдаем погружение холодных и более плотных океанических пластин под более легкие континентальные и подъем нагретого вещества вдоль осей рифтовых океанических и континентальных зон. Но эти закономерности непростые. Погружающиеся холодные плиты имеют различные углы падения от почти вертикальных до очень пологих. Часть из них достигает глубины верхней и нижней мантии (~ 670 км). Часть проникает ниже, а некоторые как бы продавливают поверхность верхней и нижней мантии, раздуваясь и образуя "бульбу".

Наблюдаемая объемная картина мантийных неоднородностей, наличие сложно переплетающихся холодных и горячих или "быстрых" и "медленных" масс различной конфигурации создают причудливую и неожиданную модель внутренней структуры вещества мантии (рис. 2). Необычность картины объясняется еще и тем, что погружающиеся "холодные" плиты охлаждают прилегающие участки мантии, а поднимающиеся "горячие" струи, наоборот, нагревают их, из-за чего конфигурация мантийных неоднородностей становится еще более сложной. При этом нет однозначного ответа на вопрос, где и на каком уровне зарождаются струи нагретой, то есть "медленной", мантии, так как наиболее неопределенные результаты томографии относятся к низам нижней мантии - глубинам между 2000 и 2900 км.

Особый интерес для томографического изучения представляют недра Земли под Исландией. Как известно, это крупный вулканический остров, расположенный в океане на оси Срединно-Атлантического хребта. Извержения многочисленных вулканов происходят довольно часто и отличаются своей силой. Например, извержение трещинного вулкана Лаки в 1783 году, давшего 12 км3 базальтовой лавы, явилось катастрофой для Исландии, во время которой погибло почти все поголовье овец и лошадей, так как сернистые газы уничтожили кормовую растительность. Очевидно, что относительно неглубоко в верхней мантии располагаются первичные магматические очаги, поставляющие базальтовую магму на поверхность.

Исследования методом сейсмической томографии, проведенные Х. Бивардом и В. Спэкменом и опубликованные в 1999 году, показали наличие под Исландией огромного столба или плюма (от слова "плюмаж") разуплотненной, то есть менее вязкой, мантии, берущего начало почти от границы ядро-мантия с глубин более 2900 км. Средний диаметр плюма составляет около 500 км, хотя на протяжении плюма он колеблется от 300 до 700 км (рис. 3). Сам плюм обладает сложной формой и напоминает столб дыма. Отклонение скоростей сейсмических волн по сравнению со стандартной моделью оценивается всего в ? 0,5%. Надо отметить, что в несколько более ранней работе К.Дж. Вольфа с соавторами, опубликованной в 1977 году, столбообразный плюм был прослежен только до глубин всего 400 км. Происхождение подобного столба разуплотненной мантии под Исландией пока остается загадкой, так же как и образование похожих плюмов под Гавайскими островами или Йеллоустонским парком на западе Северной Америки, известным своими молодыми вулканами и гейзерами.

Интересные томографические изображения неоднородностей в верхней мантии в Средиземноморье были получены В. Спэкменом, в частности в районе Эгейского моря, который характеризуется высокой сейсмичностью, все еще активным вулканизмом в пределах Кикладской островной дуги и наличием глубоководного Гелленского желоба. Геологические процессы в этом регионе интерпретировались в виде субдукции океанической литосферной плиты в северном направлении. И вот сейсмическая томография блестяще подтвердила это предположение. Действительно, на томографическом разрезе наблюдается пластина повышенной плотности ("быстрая"), что подтверждается увеличением скоростей продольных сейсмических волн на 3%. И эта пластина мощностью около 250 км погружается под углом 45? глубже 600 км (рис. 4). К ее верхней части к зоне изгиба приурочены гипоцентры землетрясений до глубин 200 км, а севернее над пластиной располагается зона разуплотнения в верхней мантии, где скорости продольных сейсмических волн уменьшаются по сравнению со стандартной моделью также на 3%. Именно к этой области мантийного разуплотнения приурочены активные вулканы Кикладской дуги, например известный Санторин.

Надо отметить, что подобные, весьма впечатляющие картины субдуцирующейся холодной, "быстрой" океанической плиты, погружающейся под континентальную, сейчас выявлены почти во всех островных дугах: Камчатской, Курильской, Японской, Марианской, а также в активных окраинах типа Андийской (рис. 5).

Впечатляющие успехи сейсмической томографии в изучении Земли не должны заслонять от нас использование ее с применением и других хорошо известных геофизических методов: магнитного, гравиметрического, электромагнитного, электрического, акустического, оптического и др. Например, структуру гидросферы можно изучать с помощью высокочастотных (до тысячи герц) акустических волн и также получать трехмерные изображения латеральной и вертикальной неоднородностей водной толщи, особенно разнообразных течений и вихревых структур, известных, например, около главной ветви Гольфстрима.

Можно также проводить изучение атмосферы, которая достижима для электромагнитных, световых и акустических волн. Принцип тот же самый, а вариации плотности в атмосфере, так же как влажности и температуры, весьма значительны. Применение электромагнитного метода для томографического изучения литосферы основано на получении параметров интенсивности поля, частоты колебаний, времени распространения и направленности. Гравиметрия позволяет использовать только один параметр - интенсивность силы тяжести, как, впрочем, и электрический, в то время как в магнитном методе параметров два: интенсивность и направленность. Всеми этими методами также возможно изучение неоднородностей различных оболочек Земли с получением изображений в трехмерном измерении.

Метод сейсмической томографии успешно применяют для разведки месторождений нефти и газа, изучения тонкой геологической структуры между скважинами, рудных залежей и других относительно небольших объектов по сравнению с неоднородностями в мантии Земли. Томографическое изучение детальной структуры между несколькими скважинами в нефтегазоносных районах позволяет воссоздать реальную объемную картину распределения нефтенасыщенных пластов, флюидоупоров, воды и газа. При этом резко возрастает точность попадания скважиной в зону, где скопились нефть или газ. Двух- и трехмерные крупномасштабные томографические изображения представляют особенный интерес для геологов-практиков, при разведке месторождений полезных ископаемых, особенно при увеличении добычи углеводородов, так как иногда до 70% нефти остается в нефтесодержащих пластах при ее первичном извлечении, а далее нефть необходимо вытеснять из пласта водой или в случае вязких нефтей паром. Поэтому сейсмическая томография в разведочной геофизике приобретает сейчас первостепенную роль.

Внедрение в геофизические методы исследования томографии, прежде всего сейсмической, открыло возможности изучения внутренней структуры неоднородностей мантии Земли и более частных внутрикоровых структур. Чем больше объемных и поверхностных сейсмических волн пронизывают недра Земли, чем больше сейсмоприемников их регистрируют и чем мощнее ЭВМ, тем точнее может быть исследована неоднородность в мантии, выявляемая изменением скоростей волн, проходящих через нее. Благодаря сейсмической томографии впервые была получена общая картина структуры конвективных потоков в мантии Земли, которые являются движущим механизмом перемещения литосферных плит. Безусловным открытием было установление горизонтальных или близких к ним "быстрых" и "медленных" неоднородностей мантийного вещества. Геофизическая томография во всех своих разновидностях позволила с гораздо большей точностью устанавливать объемную структуру месторождений полезных ископаемых, в частности нефти и газа, а также выявлять неоднородности в гидро- и атмосфере. Развитие сети современных сейсмостанций и появление быстродействующих ЭВМ позволили "просветить" мантию Земли, что является наиболее впечатляющим достижением.

1. Короновский Н.В., Абрамов В.А. Землетрясения: Причины, последствия, прогноз // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. ╧ 12. С. 71-78.

3. Андерсон Д.Л., Дзевонский А.М. Сейсмическая томография // В мире науки. 1984. ╧ 12. С. 16-25.

4. Былевский Г.А., Петерсилье В.И. Применение томографии при геофизических исследованиях горных пород: (По зарубежным источникам). М.: МГП "Геоинформмарк", 1992. С. 37.

5. Николаев А.В. Проблемы геотомографии // Проблемы геотомографии. М.: Наука, 1997. С. 4-38.

Рецензент статьи Д.Ю. Пущаровский

Николай Владимирович Короновский, доктор геолого-минералогических наук, профессор, зав. кафедрой динамической геологии геологического факультета МГУ, действительный член РАЕН, заслуженный деятель науки РФ. Область научных интересов - региональная и общая геология, геодинамика и магнетизм. Автор более 280 научных статей, нескольких монографий и четырех учебников.

История развития сейсмической томографии. Методика построения трехмерных региональных томографических моделей по данным времен пробега от локальных землетрясений. Рассмотрение общей геофизической характеристики Тянь-Шаня и анализ его сейсмичности.

Рубрика	Геология, гидрология и геодезия
Предмет	Геология
Вид	автореферат
Язык	русский
Прислал(а)	Усольцева
Дата добавления	10.12.2013
Размер файла	1,3 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Мощные узлы оледенения, большие площади, занятые снежниками и ледниками, выходы грунтовых вод в горох Тянь-Шаня и Алая. Формирование густой и разветвленной гидрографической сети Кыргызстана. Области рассеивания стока. Озера тектонического происхождения.

презентация [2,8 M], добавлен 04.06.2014

Анализ связи естественного импульсного электромагнитного излучения и глобальной сейсмической активности по наблюдениям вдали от локальных источников возмущения. Изучение возмущений в ионосфере, возникающих за несколько дней до сильных землетрясений.

курсовая работа [1,7 M], добавлен 14.05.2012

Происхождение и развитие микроконтинентов, поднятий земной коры особого типа. Отличие коры океанов от коры материков. Раздвиговая теория образования океанов. Позднесинклинальная стадия развития. Типы разломов земной коры, классификация глубинных разломов.

контрольная работа [26,1 K], добавлен 15.12.2009

Основные типы земной коры и её составляющие. Составление скоростных колонок для основных структурных элементов материков. Определение тектонических структур земной коры. Описание синеклиз, антеклиз и авлакоген. Минеральный состав коры и горных пород.

курсовая работа [2,0 M], добавлен 23.01.2014

Исследование явления землетрясения и изучение методов обеспечения сейсмостойкости сооружений. Прогнозирование землетрясений по состоянию земной коры и атмосферы. Необходимость большого числа сейсмографов и соответствующих устройств для обработки данных.

По иронии судьбы, сейчас академик Н. Л. Добрецов работает в нашей лаборатории сейсмической томографии, т. е. формально я являюсь его руководителем. Думаю, излишне говорить, что он непростой сотрудник. Отбросив от себя большинство административных дел, он полностью погрузился в процесс научного творчества. И при этом не дает скучать всем, кто находится рядом с ним.

По инициативе академика Добрецова регулярно проводятся лабораторные семинары, которые традиционно пользуются большой популярностью среди сотрудников двух наших геологических институтов. На этих семинарах мы бурно обсуждаем самые разные вопросы наук о Земле. И хотя не все и не всегда соглашаются со смелыми предположениями Николая Леонтьевича, думаю, никто не будет оспаривать утверждение, что нестандартный и порой парадоксальный взгляд большого ученого позволяет увидеть проблему и подойти к ее решению совершенно с другой стороны.

Общаясь с Николаем Леонтьевичем, я всегда восхищаюсь широтой эрудиции и тем огромным объемом знаний, который он держит в голове. Я не раз поражался, как он умудряется быть в курсе геологической информации о любом районе, который мы начинаем обсуждать. Фиджи или Хоккайдо, Тайвань или Аляска – всегда у него готовы описания структур, основные геологические события и даже ученые, работавшие с этими регионами. При этом он может сделать паузу, сетуя на плохую память, а потом выдать труднопроизносимые названия и фамилии.

Вулканические метаморфозы

Сибирским исследователям одним из первых в мире удалось предоставить доказательства, что структура недр под вулканами может существенно меняться на различных этапах вулканической активности (Koulakov et al., 2013). Для этого на основании данных длительных сейсмологических наблюдений была построена четырехмерная томографическая модель коры под вулканами Ключевской группы Центральной части п-ова Камчатка и прослежены ее изменения на разных этапах извержения. В целом можно сказать, что основной питающий источник магмы под Ключевским вулканом, расположенный на глубине ниже 24 км, оставался неизменным в течение всего периода наблюдений. В то же время вышележащие структуры значительно менялись благодаря миграции флюидов и расплавов.

В период, предшествующий крупным извержениям вулканов Ключевский и Безымянный, под ними находилось два тела с аномально высоким отношением скоростей продольных и поперечных сейсмических волн (V_P/V_S), которые были расположены друг над другом на глубинах 12 и 1 км. Эти аномалии отражают наличие промежуточных магматических камер, существование которых подтверждается петрологической информацией о разнообразии составов и режимов извержений вулканов Ключевской группы.

При извержении конфигурация сейсмических аномалий изменилась, а среднее значение отношения V_P/V_S увеличилось. Это может свидетельствовать об активизации миграции флюидов и расплавов во время извержения и насыщении ими пород под вулканами. В последующие три года после извержений средний уровень отношения V_P/V_S под вулканами уменьшился, а аномалии в верхней части коры исчезли. Это свидетельствует о наступлении фазы релаксации вулкана, когда количество флюидов в системе становится недостаточным для формирования магматических очагов.

Эти результаты свидетельствуют, что магматические очаги являются очень динамичными системами. Вероятно, их вещество (пористое как губка) содержит перегретые породы, близкие к точке плавления. При проникновении флюидов из мантии температура их плавления понижается, что и приводит к частичному расплавлению пород и формированию магматических очагов. Однако если в результате вулканической активности флюиды в конце концов выходят на поверхность, расплавленная субстанция в магматических очагах может быстро исчезнуть

…В последние годы Н. Л. Добрецов принимает участие в полевых работах нашей лаборатории на Камчатке. В 2014 г. он смог обследовать и собрать геологические образцы в практически неприступных местах на вулкане Ичинская Сопка – второй по высоте точке Срединного хребта. Маленькому вертолету с Николаем Леонтьевичем на борту удалось приземлиться на вершине утеса, где ранее явно не ступала нога человека. На кадрах фотосъемки видно, как вертолет буквально ныряет со скалы в пропасть, так как из-за разреженности горного воздуха аппарат становится управляемым только при наборе определенной скорости.

Вместе с сейсмологической группой Николай Леонтьевич побывал и на камчатском вулкане Толбачик, менее чем за год до этого пережившем крупное извержение. Сразу же по прибытию на место после изматывающей многочасовой дороги он с горящими глазами приступил к изучению свежих, еще теплых лавовых потоков. Отмечу, что лавовые потоки – это далеко не место для расслабленной прогулки: более или менее плоские участки на них чередуются с хаотически разбросанными хрупкими, чрезвычайно подвижными и ужасающе острыми базальтовыми образованиями. По ощущениям – это все равно, что ходить по горам битого бутылочного стекла. Тем не менее до самой темноты Николай Леонтьевич буквально скакал по этим непроходимым местам вместе со студентом, который едва поспевал за ним. А уже следующим утром они еще затемно отправились в другой маршрут по исследованию потоков так называемого Большого трещинного Толбачинского извержения, случившегося в 1975 г.

Чутье и колоссальный геологический опыт Н. Л. Добрецова позволили собрать в этих коротких вылазках интересные образцы, анализ которых в Новосибирске дал материал для важных выводов по тектонике.

На модели сейсмических неоднородностей под Курило-Камчатской и Алеутской дугами, построенной с помощью этого алгоритма, мы видим четкое изображение погружающейся океанической плиты (слэба), которая проявляется как плоская наклонная аномалия с повышенными скоростями продольных (Р) и поперечных (S) сейсмических волн.

Заметно, что в различных сегментах дуги слэб имеет разную толщину и максимальную глубину погружения. В южных участках (сечение 2) слэб на глубине уплощается и становится практически горизонтальным на глубине 600–700 км, не проникая в нижнюю мантию. Под Северными Курилами и Южной Камчаткой (сечение 1) слэб имеет форму капли, с более тонкой верхней частью и утолщением внизу. В этом случае слэб погружается на глубину 900 км, вплоть до нижней мантии.

Я думаю, что наука оставалась для Н. Л. Добрецова главной страстью даже тогда, когда он руководил Сибирским отделением РАН и на занятия ей оставалось очень мало времени. Его эрудиция, способность посмотреть на задачу под неожиданным углом всегда очень вдохновляют и во многом определяют мои собственные успехи.

Koulakov I., Gordeev E. I., Dobretsov N. L., Vernikovsky V. A., Senyukov S, Jakovlev A., Jaxybulatov K. Rapid changes in magma storage beneath the Klyuchevskoy group of volcanoes inferred from time-dependent seismic tomography //Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2013. V. 263. P. 75–91. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2012.10.014

Кулаков И. Ю., Добрецов Н. Л., Бушенкова Н. А., Яковлев А. В.. Форма слэбов в зонах субдукции под Курило-Камчатской и Алеутской дугами по данным региональной томографии //Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 6. С. 830—851.

Читайте также: