СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ СМЕЩЕНИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ НА АКВАТОРИЯХ
METHOD OF DETECTING POSITIVE VERTICAL COMPONENT OF CRUSTAL MOVEMENT IN WATER BODIES

Изобретение относится к геологическим исследованиям строения дна на акваториях, преимущественно при интерпретации результатов сейсморазведки в океане.
Технический результат применения изобретения состоит в возможности выявления полей положительной вертикальной компоненты смещений земной коры (далее ЗК).
Сущность изобретения заключается в том, что измеряют глубину дна и мощность неуплотненных осадков в локальной области с их постоянным вещественным составом, например с пелагическим осадконакоплением, объемный вес толщи воды и средний объемный вес толщи неуплотненных осадков, измеряют или задают априорно диаграмму фазового перехода неуплотненных осадков в уплотненные при условии постоянства давления на границе раздела как функцию зависимости мощности неуплотненных осадков от глубины дна и определяют с точностью до произвольной постоянной относительную положительную вертикальную компоненту смещений ЗК для каждой точки наблюдений как разность между измеренной глубиной дна и глубиной дна на этой диаграмме для такого же значения мощности неуплотненных осадков по формуле:
t
σ'=H'-H,
где
σ' - относительная вертикальная положительная компонента смещения ЗК,
Н' - глубина дна на фазовой диаграмме h' (Н'),
h' - мощность неуплотненных осадков на фазовой диаграмме h' (Н'),
t
t
H - наблюдаемая глубина дна в точке с мощностью неуплотненных осадков h,
t
h=h' для каждой точки наблюдений.
В результате достигается возможность детектирования вертикальной положительной компоненты смещений ЗК.
Предложенный способ поясняется следующими чертежами. На фиг.1 показано географическое положение профиля непрерывного сейсмического профилирования (далее НСП) в области Атлантического океана с пелагическим осадконакоплением [1]. На фиг.2 представлен временной и сейсмогеологический разрезы НСП по этому профилю. На фиг.3, 4 проиллюстрировано определение относительной вертикальной компоненты смещений земной коры для двух выбранных границ раздела после оцифровки экспериментальных данных. На фиг.5 показаны примеры полученных распределений относительной положительной вертикальной компоненты смещений земной коры вдоль этого профиля для двух границ раздела.
Обоснование возможности детектирования положительной вертикальной компоненты смещений земной коры на акваториях
В первых исследованиях методом непрерывного сейсмического профилирования (НСП) в океане, начиная с 1964 г., был обнаружен широко распространенный горизонт - первая сильная граница под дном [2], который авторы идентифицировали с кровлей частично консолидированных осадков. В дальнейшем обнаружен нижележащий горизонт, идентифицированный с кровлей консолидированных осадков [3]. Рассмотрим взаимосвязь мощности неуплотненных осадков и глубины дна океана.
Положение в пространстве границы раздела между неуплотненными и уплотненными осадками закономерным образом должно определяться действующим на ней литостатическим давлением, вещественным составом, плотностью и температурой. Вертикальные движения ЗК и (или) изменения уровня океана должны искажать эту закономерность.
Рассмотрим влияние давления и вертикальной компоненты смещений ЗК на форму этой границы для локальной области, в пределах которой температуру, вещественный состав неуплотненных осадков и скорость седиментации можно считать постоянными, что может быть справедливо для пелагических областей осадконакопления в океане. Для таких исследований необходимы данные о структуре и физических свойствах осадков. Достоверные определения эффективных скоростей в осадочном слое получены с помощью радиобуевых наблюдений [4]. Скорости в осадках, измеренные сейсмическими методами и на образцах, неоднократно обобщались [5, 6]. Результаты этих обобщений могут быть применены для обработки данных НСП. По кривой Нейфа и Дрейка связи скорости и плотности [7] можно задать средние объемные веса в осадочных слоях.
Нормальная зависимость мощности от глубины
0
0
0
0
k
0
0
k
k
k
Рассмотрим идеализированную зависимость мощности рыхлых отложений от глубины дна в отсутствие вертикальных движений ЗК или изменения уровня океана. Если сейсмический горизонт в осадочной толще является кровлей в некоторой стадии консолидированных осадков, то для каждого их типа должна существовать связь между глубиной океана и мощностью рыхлых отложений. Рассмотрим идеализированную колонку среды из трех слоев в точке М с географическими координатами (X, Y, 0) в текущий момент времени t. Под слоем воды мощностью Н с объемным весом ρ залегают рыхлые осадки на уплотненных, имеющие мощность h и объемный вес γ, зависящий в общем случае от литостатического давления Р, т.е. γ=γ[Р(Н, h)]. Предположим, что некоторая стадия консолидации в элементе толщи, находящемся на границе раздела, происходит в результате подготовки его действием критического давления P на глубине H+h в течение длительного геологического времени. Объемный вес осадков над кровлей критический γ, под кровлей происходит скачок плотности, P и γ постоянны для каждого типа осадков и не зависят от точки наблюдения М при неизменном вещественном составе рыхлых отложений. В этом случае на границе раздела выполняется условие
0
0
k
3
-1
3
где h - глубина по породе в слое неуплотненных осадков. Из экспериментальных данных [5, 6] известно, что объемный вес осадков у поверхности дна для пелагиали мало отличается от величины γ=1.5±0.1 г/см и не зависит от глубины дна в широком диапазоне, т.е. на поверхности его отложения могут рассматриваться как несжимаемая жидкость (водоподобный грунт). С глубиной по толще он линейно увеличивается с градиентом g=0.5-1.0 км·г/см. При условии постоянства γ и γ для зависимости мощности осадков от глубины океана после интегрирования уравнения (1) получим линейную функцию
m
k
m
где k=ρ/γ, b=P/γ,
m
m
m
k
γ - средний объемный вес рыхлых отложений, γ=(γ+γ)/2.
0
0
k
0
0
k
m
Функция h(H) убывающая: при увеличении глубины океана мощность неуплотненных осадков уменьшается. Таким образом, мы должны наблюдать структуру, противоположную облеканию. На глубине Р/ρ h=0 (минимальная, равная нулю мощность, выклинивание слоя), максимальная мощность h=P/γ достигается, когда дно выходит на поверхность, т.е. положение границы раздела определяется только высотой столба неуплотненных осадков. Данная граница раздела сечет стратиграфические горизонты, а возраст ее формирования - современный.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Выражение (2) представляет собой фазовую диаграмму в координатах Н, h (глубина, мощность), на которой выше (правее) прямой (2) осадки могут быть только уплотненными, а точка границы раздела (Н, h) должна находиться на этой прямой. На поведение нормальной зависимости h(H) действует множество факторов и, если считать совокупность их подчиненной нормальному закону распределения, то можно предположить, что между наблюдаемыми парами h, H должна существовать стохастическая связь. Построив облако этих точек в плоскости (h, H) по регрессии мощности по глубине, можно оценить выполнение (2) в исследуемом районе (фиг.3, 4).
Аномальная зависимость мощности от глубины
Если уплотнение осадков происходит в соответствии с (2), то вертикальные смещения ЗК и (или) изменения уровня океана должны исказить нормальную зависимость (2).
k
При отрицательной или равной нулю вертикальной компоненте смещения ЗК (и, или повышении уровня океана) при наших условиях будет всегда выполняться (2), т.к. уровень с давлением P=const будет перемещаться вверх в соответствии с (2), захватывая выше по разрезу новые материальные точки и вместе с ним будет мигрировать граница раздела.
0
t
Рассмотрим влияние положительных вертикальных движений ЗК (уменьшения уровня океана) на зависимость мощности рыхлых отложений от глубины дна. Заметим, что ранее уплотненные и потерявшие подвижные компоненты осадки, оказавшись на уровне, где критическое давление не достигается, уже не разуплотняются. Пусть в некоторый момент времени t в каждой точке M(X, Y, 0) выполнялось уравнение (2). К моменту наблюдений t произошли положительные вертикальные смещения ЗК, σ(М) и отложился слой осадков δh(M). Тогда для каждой точки М глубина дна H стала
k
t
Материальная точка, связанная раньше с уровнем P=const, переместится на величину σ вверх по разрезу, а мощность неуплотненных осадков h увеличится на δh и
m
t
Умножая равенство (3) на k=ρ/γ и складывая с (4), для мощности рыхлых отложений h в момент наблюдений t получим
Уравнение (5) отличается от уравнения (2) на величину
,
t
t
которая может иметь только отрицательные значения, если не выполняется уравнение (2). В противном случае точка (H, h) на фазовой диаграмме (2) окажется в зоне уплотненных осадков. Неравенство Δ<0 выполняется, если
t
t
0
k
0
Таким образом, если не выполняется уравнение (2), (Δ<0), для облака точек (H, h), то можно предположить в некоторых точках М наличие положительной компоненты смещений ЗК, произошедших за время t-t накопления осадков мощностью 5h. Граница раздела «помнит» положение уровня критического давления P в прошлом, что и дает возможность детектирования положительной вертикальной компоненты смещений ЗК. Скорость смещения V, для точки М для скорости седиментации в ней S согласно (7) при делении на t-t
Неравенства (7) или (8) характеризуют тот факт, что если седиментация «обгоняет» приращением давления (за счет большей плотности осадков) падение его на горизонте скачка при подъеме ЗК (уменьшении уровня океана), то будет выполняться уравнение (2) и этот горизонт будет мигрировать вверх по разрезу. Если известно уравнение (2), то, вычитая из (2) (5), для положительного смещения σ получим:
0
t
σ=H-H-δh,
t
здесь δh предполагается постоянной (при постоянной скорости седиментации в рассматриваемой области) для каждой абсциссы H.
При δh=0 (современные движения ЗК):
0
t
m
или σ=(h-h)γ/ρ
0
0
при линейной функции h(H).
k
При неизвестных величинах δh и P определим относительное смещение σ'. Построим в плоскости (H, h) прямую h'=C-kH', где С - произвольная постоянная, и используем ее как уравнение (2). Тогда, вместо (9)
t
σ-D=H'-H,
где в D объединены все члены, не зависящие от М, и для σ' получим (см. фиг.3, 4)
0
m
Если за время t-t произошло только понижение уровня океана, то для всех точек М σ' будет одинаковой величиной, угловой коэффициент регрессии мощности по глубине будет равен k=-ρ/γ, а радиус корреляции ее - минимальным.
Примеры применения способа
На фиг.1 показано положение профиля 1 в районе сочленения Зеленомысского поднятия и котловины Зеленого Мыса: рельеф - предсказанная топография по спутниковой альтиметрии, изобаты проведены через 100 м; пикеты на профиле размечены через 10 км. На фиг.2 представлен временной и сейсмогеологический разрезы НСП (а, б): а - временной сейсмоакустический; б - предполагаемый сейсмогеологический разрез, указаны принятые средние скорости продольных волн и заданные средние плотности в исследуемых слоях. Индексация горизонтов выполнена с учетом предложенных индексов в [3, 4, 8]. По этим же работам присвоены средние скорости внутри выделенных слоев. Средние плотности в них заданы по скоростям продольных волн в соответствии с кривой Нейфа и Дрейка (Nafe, Drake) [8]. Опорные горизонты: F, А, β, В, Bz - кровли соответствующих слоев: F, А, β, В, Bz. Предполагаемая природа слоев и их индексы: осадочные: 1 - неуплотненные осадки (F), 2 - полуконсолидированные осадки (А), 3 - консолидированные осадки (β), 4 - древние консолидированные осадки (В); 5 - фундамент осадков, океанические базальты, (Bz); 6 - захороненные русла суспензионных потоков (а-в): а - места проекций на дно, б - локальные, в - траектории в разрезе; 7 - структурные элементы (а-д): а - опорные сейсмические горизонты; б - поверхность фундамента Bz; разрывные нарушения (в, г): в - уверенные, г - предполагаемые; д - промежуточные горизонты. Пикеты размечены через 10 км. Для проверки гипотезы не стратиграфической, а физической природы некоторых границ раздела, выбраны горизонты А и β, которые образуют структуру, противоположную облеканию (фиг.2 - а, б).
3
На фиг.3, 4 показана иллюстрация определения относительной положительной вертикальной компоненты смещений ЗК по формуле (10): 2 - облака точек (h, H): фиг.3 - для слоя F по горизонту А, фиг.4 - для слоя F+A по горизонту β; 1 - прямая линейной МНК регрессии мощности по глубине; 2 - область наибольшей кучности, из которой взяты точки (H, h) для регрессии, 3 - теоретическая прямая h'(H'); указаны: уравнение регрессии, стандартное отклонение s, км, радиус корреляции R, км, ср.кв. объемный вес γ, г/см. Регрессионные прямые дают значения средних объемных весов, значительно отличающихся от реальных, что может свидетельствовать о существовании в данном районе положительных смещений ЗК, если изучаемые слои лежат на более уплотненных осадках одинакового первичного состава.
На фиг.5 показаны определенные по формуле (10), распределения по профилю 1 относительной положительной компоненты вертикальных смещений ЗК: относительные смещения ЗК: 1, 2 - положительные: 1 - σ' по горизонту А для слоя F, 2 - σ'' по горизонту β для слоя F+A; 3 - разность этих смещений:
σ''-σ'.
Относительные положительные смещения (фиг.5 - 1, 2) 1 - σ' (слой F), 2 - σ'' (слой F+А) имеют корытообразные профили со смещенными минимумами и общим в долине разлома Вима на 195-м км. Обратим внимание на наличие русел турбидитных потоков в области минимумов смещений, просвечивание ступеньчатости смещений, контролируемой разрывными нарушениями и выступами фундамента Bz, и возможную пространственную периодичность разности смещений: σ''-σ' (фиг.2). Возраст смещений по крайней мере моложе периода отложения минимальной мощности соответствующих слоев.
В результате можно предположить подъем блока ЗК с островами Зеленого мыса в новейшее время с амплитудой порядка 100 м и одновременный подъем уступа Кабо-Верде с амплитудой до 200 м.
Положительные вертикальные смещения ЗК могут быть как эндогенными (тектоника), так и внутрикоровыми (архимедово всплывание залежей углеводородов, соляных куполов и т.п.).
Применение способа для исследования строения океанского дна может дать информацию о тектонических явлениях в ЗК. Выявление полей положительной вертикальной компоненты смещений ЗК с применением сравнительно дешевого способа НСП (без применения дорогостоящей глубинной сейсморазведки) может служить дополнительным поисковым признаком скоплений углеводородов, а нахождение координат максимальных значений этих смещений указывать выбор мест разведочного и промыслового бурения или постановки детальной глубинной сейсморазведки.
Источники информации
1. В.Н.Ефимов, С.Г.Сколотнев. Новые данные о строении осадочного чехла в районе сочленения Зеленомысского поднятия и котловины Зеленого Мыса (Центральная Атлантика) по данным непрерывного сейсмического профилирования. ДАН. 2006. Т.407. №4. С.506-511.
2. Ewing J., Zauner R., Seismic profiling with a pneumatic sound sourse, J.Geophys. Res., 69, 4913-4915 (1964).
3. Ewing J., Worzel J.L. Ewing M., Windisch C., Ages of horizon A and the oldest atlantik sediments Science, N.Y., 154 1125-1132 (1966).
4. Houtz R., Ewing J., Le Pichon X., Velocity of deep-sea sediments from sonobuoy data, J. Geophys, Res., 73, 2615-2641 (1968).
5. Орленок В.В., Ильин А.В., Шурко И.И. Скорости продольных звуковых волн в осадочной толще океанов по данным глубоководного бурения. - Вопр. Судостроения. Акустика, 1980, вып.14, с.60-70.
6. Семенов Г.А. Сейсмические модели осадочного слоя в океане, M., 1990.
7. Nafe J.E., Drake C.L., Physical properties of marine sediments. In: The sea, V.3 ed. M.Hhill, Intersciense Publ., New York and London, 1963, p.794-815.
8. Le Pichon., Ewing J., Houtz R.E, Deep-sea sediments velocity determination made while reflection profiling, J. Geophys. Res., 73, 3661-3697 (1968) [Bott, 248].