О возможной связи амплитудных аномалий суточных и полусуточных компонент приливных вариаций силы тяжести с термоупругими свойствами земной коры (по данным

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Том 154, кн. 4
Естественные науки
2012
УДК 550. 831. 015
О ВОЗМОЖНОЙ СВЯЗИ АМПЛИТУДНЫХ АНОМАЛИЙ СУТОЧНЫХ И ПОЛУСУТОЧНЫХ КОМПОНЕНТ ПРИЛИВНЫХ ВАРИАЦИЙ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ С ТЕРМОУПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ ЗЕМНОЙ КОРЫ (по данным наблюдений с гравиметрами CG-5 Autograv)
Э. В. Утёмов, Д. К. Нургалиев, А. Г. Харисов, Н.А. Матвеева
Аннотация
В работе было показано, что существуют статистически значимые отклонения суточных и полусуточных приливных компонент наблюдаемых вариаций силы тяжести от теоретических, рассчитанных по формулам Лонгмана. Этот результат был получен в нескольких пунктах наблюдения в пределах Республики Татарстан в 2012 г. Для объяснения причин этого явления была выдвинута реологическая гипотеза.
Ключевые слова: лунно-солнечные приливы, числа Лява, гравиметрия, сила тяжести, термоупругость.
Введение
При обработке материалов высокоточных гравиметрических съемок вариации ускорения силы тяжести, вызванные приливами Луны и Солнца, обычно рассматриваются как помехи и от них стараются избавиться введением соответствующих поправок. Формулы, по которым рассчитываются такие поправки, основаны на статической теории, предложенной еще Ньютоном [1−3].
В рамках данной теории амплитуда приливных вариаций (амплитудный фактор) зависит от чисел Лява [4], которые, в свою очередь, определяются упругими свойствами недр Земли. В целом ряде работ [5−9] отмечается, что на приливные вариации силы тяжести оказывают влияние факторы, не учитываемые в расчетных формулах для поправок за приливы: термоупругость, реологические свойства недр, влияние океанических приливов, резонансные явления жидкого ядра Земли, собственные колебания Земли. Отметим, что современные высокоточные гравиметры с низким дрейфом и микрометрической точностью позволяют выявлять «тонкие» аномалии, связанные с подобными явлениями. Таким образом, данные наблюдений приливных вариаций силы тяжести и их аномалии в той или иной форме содержат уникальную информацию о неодно-родностях, тектонике, структуре, реологических свойствах вещества земной коры, мантии, собственных колебаниях ядра.
Настоящая работа посвящена анализу аномалий отношения полусуточной составляющей амплитудного фактора к суточной по данным мониторинговых наблюдений в четырех пунктах в пределах Республики Татарстан (РТ). Интерес
0. 08 —
? 0. 04 -z
& gt-ь 0 —
-0. 04 —
-0. 08 -72
0. 004 г
Г© 0. 002 —
с-
? о —
& gt-й
-0. 002 —
-0. 004 —
72
Рис. 1. Результаты гравиметрического мониторинга в здании Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета. A — наблюдаемая и теоретическая (серая линия) вариации силы тяжести. Б — разности средней наблюдаемой и теоретической вариаций силы тяжести (серая линия)
к данному параметру возник в связи результатами гравиметрического мониторинга в здании Института геологии и нефтегазовых технологий (ИГиНТ) Казанского федерального университета (КФУ). Измерения проводились четырьмя гравиметрами CG-5 Autograv (компания Scintrex Ltd., Канада) весной 2012 г. в течение нескольких суток (см. рис. 1).
На рис. 1, Б представлен график разности средней наблюдаемой и теоретической вариаций силы тяжести (серая линия). Как видно из рисунка, данный график имеет мощную гармоническую компоненту с суточным периодом. Данный факт невозможно объяснить недоучетом океанических приливов, поскольку такие приливы также имеют полусуточную компоненту. С другой стороны, этот результат можно рассматривать как аномалию отношения полусуточной приливной компоненты к суточной.
О существовании различий амплитудного фактора для приливных компонент с разным периодом известно еще из работ М. С. Молоденского [10], а также из других ранних работ [11, 12]. Однако наиболее геологически содержательной возможностью при исследовании аномалий данного параметра, на наш взгляд, является установление связи параметра с термоупругими свойствами вещества земной коры и мантии.
1. Математическая основа
В гравиметрии для введения поправок за приливные лунные и солнечные вариации силы тяжести используются расчетные формулы, основанные на статической теории. Так, например, в гравиметрах CG-5 Autograv используется алгоритм расчета приливных поправок, основанный на формулах Логнмана [2], которые, в свою очередь, опираются на статическую теорию приливов. В рамках данной теории предполагается, что и смещение поверхности, и возникающий из-за деформации Земли потенциал пропорциональны приливному потенциалу.
В первом грубом приближении для расчетов приливных поправок силы тяжести можно использовать модель твердой Земли:
Zо = ЗО^ R ^ cos2 Т- 3 j, (1)
где s — среднее расстояние от центра Земли до центра светила, m — масса светила, Y — зенитное расстояние (угол, образованный дугой на небесной сфере проекциями точки наблюдений и светила). Поставляя численные характеристики светил, получим:
Z = 0. 165"| cos2 Т -1
П'- (2)
Z = 0. 0761 cos2 Т — I.
Здесь коэффициент, а вводится для учета изменения расстояния от Земли до Луны во времени.
Модель жесткой Земли не учитывает того факта, что в действительности фигура Земли под действием приливных сил деформируется. В модели эластичной Земли учитываются приливные деформации Земли: гравитационные эффекты, связанные с перераспределением масс в теле Земли и смещением точки наблюдений во время приливов. В этом случае имеем следующую формулу для каждого из светил:
2 = ^ + 21 + 72 = 20 — -к +. (3)
Здесь 20 определяется формулой (1) — и 22 — поправки, учитывающие влияние перераспределения масс в теле Земли и смещение точки наблюдений соответственно- коэффициенты к и д — числа Лява, зависящие в конечном счете от твердости Земли. Если бы Земля была абсолютно твердой, то числа к и д были бы равны нулю. Таким образом, коэффициент
8 = 1 + к --к, (4)
2
называемый амплитудным фактором, характеризует увеличение приливных вариаций силы тяжести вследствие деформации Земли.
Рис. 2. Пример графика теоретических (широкая серая линия) и наблюдаемых приливных вариаций силы тяжести в здании ИгиНТ КФУ
Рис. 3. Пример амплитудного спектра теоретической (пунктирная широкая линия) и наблюдаемой (тонкая черная линия) приливных вариаций силы тяжести (полигон № 2)
2. Методика измерений и обработка результатов
Измерения проводились гравиметрами СО-5 Autograv в течение 20 112 012 гг. циклами порядка 513 сут в четырех пунктах в пределах РТ: в здании ИгиНТ КФУ, магнитной обсерватории КФУ, а также на полигонах № 1 (юго-восток РТ) и № 2 (северо-восток РТ). Даты наблюдений были приурочены к максимальным приливам (новолуние, полнолуние). Учёт дрейфа нуль-пункта производился с помощью аппроксимации остаточных (за вычетом теоретических поправок за приливы) аномалий силы тяжести полиномом 4-го порядка. На рис. 2 в качестве примера представлены графики теоретических вариаций (серая широкая кривая) и наблюдаемых вариаций (после учета дрейфа 0-пункта, тонкая черная кривая), измеренных в здании ИГиНТ КФУ.
По результатам измерений в спектральной области определялся параметр
Ат А& quot-
^1224
п =
Ат А& quot- '-
24 12
(5)
где А12 и А24 — средние значения амплитудного спектра А (а) приливных вариаций силы тяжести в центрированном окне в окрестностях полусуточных и суточных периодов (см. рис. 3). Ширина окна выбиралась таким образом, чтобы включить все основные приливные компоненты (01, Рь Q1, К и М2, ?2, N2, К2). Верхний индекс «т» соответствует теоретическим вариациям, рассчитанным по формулам Лонгмана, верхний индекс «н» — наблюденным вариациям.
Табл. 1
Пункт Ши- Дол- Параметр п Коли- Коли- Продолжи-
рота гота чество чество тельность
изме- прибо- измере-
рений ров ний, сут
Здание 55. 820 49. 103 1. 0382 ± 0. 507 6 4 13
ИГиНТ (3. 82%)
Магнитная 55. 930 48. 740 1. 0362 ± 0. 0024 2 2 9
обсерватория (3. 62%)
Полигон № 1 54. 702 52. 069 0. 9708 (2. 92%) 1 6 5
Полигон № 2 55. 759 52. 606 1. 0600 (6. 00%) 1 4 10
Параметр п показывает, во сколько раз теоретическое (рассчитанное в рамках статической теории по формулам Лонгмана) отношение полусуточной к суточной составляющей амплитудного фактора отличается от той же величины, полученной для наблюдаемых вариаций. Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Шестикратные независимые измерения в здании ИГиНТ и двукратные в магнитной обсерватории КФУ свидетельствуют о статистической значимости результатов, поскольку среднеквадратический разброс полученных значений параметра п приблизительно на порядок (примерно в 7 раз в здании ИгиНТ и в 15 раз в магнитной обсерватории) меньше отклонений среднего значения этого же параметра от теоретической единицы (см. табл. 1). В процентном представлении эти отклонения составляют величины порядка 3−4%, за исключением значения отклонения параметра на полигоне № 2, где отклонение достигло 6%.
По полученным значениям п (х, у) была построена карта распределения данного параметра (см. рис. 4). Обнаруженные в результате гравиметрических наблюдений статистически значимые аномальные отклонения амплитуд суточных приливных компонент относительно полусуточных могут иметь интерпретацию в рамках сразу нескольких гипотез.
Так, например, в (различных) моделях Земли, рассмотренных в работах Джефриса и Винсента [11], Пекериса [12], Молоденского [10], амплитудный фактор должен зависеть от величины периода приливной компоненты: амплитудный фактор должен быть минимален для компонент с периодом, близким к 24 ч (компонента К), и увеличиваться в сторону компонент с более короткими или более длинными периодами.
Значения параметра п (х, У) отличаются для точек, расположенных на относительно малом расстоянии и это позволяет предположить влияние верхней части мантии или даже земной коры на наблюдаемое явление. По строению земной коры районы пунктов наблюдений значительно отличаются и мощностью земной коры [13], и строением осадочного чехла, например, полигон № 1 располагается вблизи нефтяного месторождения-гиганта, кроме того известные данные о распределении теплового потока на территории РТ [14] (см. рис. 5) свидетельствуют о значительном различии геотермических условий на пунктах. Сравнение карт, представленных на рис. 4 и 5, свидетельствует об их внешнем сходстве. На представленных картах повышенным значением соответствующего параметра выделяется Южно-татарский свод, при этом область Северо-татар-ского свода на обеих картах имеет пониженные значения.
О м 50 000 н 100 000 м Рис. 4. Карта распределения параметра п (см. формулу (5) и табл. 1)
0 м 50 000 М 100 000 м
Рис. 5. Карта распределения теплового потока
Одна из наших гипотез существования аномалий отношения суточных и полусуточных компонент приливных вариаций силы тяжести заключается в существенном реологическом влиянии температуры земных недр на характер частотной зависимости амплитудного фактора от вынуждающей приливной силы,
в частности, подтверждением такой гипотезы и являются данные распределения теплового потока в районе исследований.
Заключение
Представленные результаты обработки данных гравиметрических наблюдений свидетельствуют об обнаружении интересного явления — статистически значимом аномальном отклонении амплитуд суточных приливных компонент относительно полусуточных, при этом данные отклонения имеют выраженную пространственную изменчивость, которая может быть обусловлена различием упругих параметров как верхней части мантии, так и земной коры и даже осадочного чехла. Одной из гипотез является возможность влияния температуры на характер частотной зависимости амплитудного фактора от вынуждающей приливной силы.
В любом случае обнаруженное явление открывает новое направление исследований в, казалось бы, понятной области изучения земных приливов и может стать новым инструментом изучения земных недр.
Отметим, что изложенные результаты имеют предварительный характер, для подтверждения или опровержения гипотезы требуются как увеличение пунктов наблюдений, так и теоретическое обоснование гипотезы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект 2010−218−01−192).
Summary
E.V. Utemov, D.K. Nurgaliev, A.G. Kharisov, N.A. Matveeva. A Possible Relationship of Amplitude Anomalies in Diurnal and Semidiurnal Tidal Components of Gravity Variations to Thermoelastic Properties of the Earth'-s Crust as Observed Using Gravimeters CG-5 Autograv.
The paper shows that there are statistically significant deviations in the diurnal and semidiurnal tidal components of the observed gravity variations from the theoretical ones, calculated by Longman'-s formulas. This result has been obtained at several observation points within the Republic of Tatarstan in 2012. To describe the genesis of this phenomenon, a rheological hypothesis has been suggested.
Key words: lunar-solar tides, Love number, gravity, thermoelasticity.
Литература
1. Клайн М. Математика. Поиск истины. — М.: Мир, 1988. — 295 с.
2. Longman I.M. Formulas for Computing the Tidal Acceleration Due to the Moon and the Sun // J. Geophys. Res. — 1959. — V. 64, No 12. — P. 2351−2355.
3. Маловичко А. К., Костицын В. И. Гравиразведка. — М.: Недра, 1992. — 357 с.
4. Love A.E.H. Some Problems of Geodynamics. — Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1911. — xxvii + 180 p.
5. Мельхиор П. Земные приливы. — М.: Мир, 1968. — 482 с.
6. Dehant V., Defraigne P., Wahr J.M. Tides for a convective Earth // J. Geophys. Res. -1999. — V. 104, No Bl. — P. 1035−1058.
7. Молоденский С. М. Влияние неоднородностей упругих модулей, топографии и термоупругих деформаций среды на амплитуды и фазы приливных волн // Изменение ок-
ружающей среды и климата: природные и связанные с ними техногенные катастрофы. Т. 1: Сейсмические процессы и катастрофы. — М.: ИФЗ РАН, 2008. — С. 262−282.
8. Latychev K., Mitrovica J.X., Ishiib M., Chan N.H., Davis J.L. Body tides on a 3-D elastic earth: Toward a tidal tomography // Earth Planet. Sci. Lett. — 2009. — V. 277, No 1−2. -P. 86−90.
9. Лубков М. В. О влиянии крупномасштабных неоднородностей мантии на суточные числа Лява // Геофиз. журн. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 129−134.
10. Молоденский М. С., Крамер М. В. Земные приливы и нутация Земли. — М.: Изд-во АН СССР. 1961. — 41 с.
11. Jeffreys H., Vicente R. O. The theory of nutation and the variation of latitude // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. — 1957. — V. 117. — P. 142−161.
12. Alterman Z., Jarosch H., Pekeris, C.L. Oscillations of the Earth // Proc. R. Soc. Lond. A. -1959. — V. 252, No 1268. — P. 80−95.
13. Кузнецов Г. Е. Глубинное строение и геодинамика недр Республики Татарстан // Мониторинг геологической среды: активные эндогенные и экзогенные процессы: Материалы I Всерос. конф. — Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2000. — С. 35−50.
14. Khristoforova N.N., Khristoforov A.V., Muslimov R. Kh. Temperature distribution and anomalies in the crystalline basement of the Tataria Arch // Phys. Chem. Earth (A). -2000. — V. 25, No 6. — P. 597−604.
15. Takeuchi H. On the Earth tide of the compressible Earth of variable density and elasticity // Trans. Am. Geophys. Union. — 1950. — V. 31. — P. 651−689.
16. Гарленд Дж.Д. Форма Земли и сила тяжести. — М.: Мир, 1967. — 196 с.
17. Молоденский С. М. Резонанс жидкого ядра по данным приливных гравиметрических наблюдений в Талгаре // Физика Земли. — 2009. — № 10. — С. 3−8.
18. Молоденский С. М. О влиянии регионального рельефа на приливные деформации (на примере Эльбрусского вулканического центра) // Изменение окружающей среды и климата: природные и связанные с ними техногенные катастрофы. Т. 1: Сейсмические процессы и катастрофы. — М.: ИФЗ РАН, 2008. — С. 255−261.
Поступила в редакцию 10. 10. 12
Утёмов Эдуард Валерьевич — кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геофизики и геоинформационных технологий Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: eutemov@mail. ru
Нургалиев Данис Карлович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, проректор по научной деятельности Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: danis. nourgaliev@ksu. ru
Харисов Айрат Гумерович — аспирант кафедры геофизики и геоинформационных технологий Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: airat. x@gmail. com
Матвеева Наталья Александровна — аспирант кафедры геофизики и геоинформационных технологий Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: limonich@mail. ru

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой