к.т.н. РАШИДОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ. Геомагнитные

ГЕОМАГНИТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОДВОДНЫХ ТИХОГО ОКЕАНА
Владимир Александрович Рашидов
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО
РАН
г. Петропавловск-Камчатский
В последние 55 лет магнитные исследования подводных вулканов (гор) получили широкое распространение, о чем свидетельствуют многочисленные
публикации в отечественной и зарубежной литературе.
Можно выделить несколько обобщающих работ, наиболее полно отражающих
состояние дел в области изучения подводных гор геомагнитным методом.
В последние 55 лет магнитные исследования подводных вулканов (гор) получили широкое распространение, о чем свидетельствуют многочисленные
публикации в отечественной и зарубежной литературе. Можно выделить несколько
обобщающих работ, наиболее полно отражающих состояние дел в области
изучения подводных гор геомагнитным методом.
В конце 2011 г. – начале 2012 г. пристальное внимание средств массовой
информации было приковано к интересному природному процессу – подводному
извержению в Красном море, в результате которого образовался остров-вулкан
Зубаир (Zubair).
21 ноября 2013 г. Идзу-Бонинская островная дуга. О. Нишиносима
С развитием современных технологий в последние годы появились новые пакеты
программ 3D обработки данных геомагнитного изучения подводных вулканов
(Бабанц и др., 2005, 2006; Блох и др., 2006, 2007, 2008, 2009а, 2009, 2010, 2011,
2912, 2013, 2014, 2015; Blanco-Montenegro et al., 2008; Caratori Tontini et al., 2009;
Cella et al., 2008; Koyama et al., 2008; Kubota, Uchiyama, 2005; Paoletti et al., 2008),
позволяющие определять особенности внутреннего строения вулканических
построек.
(a) Magnetic and (b) gravity
model along a profile
intersecting the Marsili’s
summit. (d, e) The
corresponding
models of a seamount
made of uniform nonaltered oceanic crust are
shown for comparison, as
are (c, f) the corresponding
cross sections.
CARATORI TONTINI ET AL.,
2010
Подводный
вулкан Берга
а– батиметрия;
б – аномальное
магнитное поле
ΔTа;
в –
распределение
эффективной
намагниченности
вулкана;
г – распределение
эффективной
намагниченности,
изображенное на
поверхности
вулкана.
Magnetic anomalies and derived
horizontal magnetization vectors
of seamounts in the IzuOgasawara arc. Magnetization
vectors of seamounts
with GFR 2.5 are plotted in Fig.
2(b). (a) Total intensity magnetic
anomalies. (b) Horizontal
magnetization vectors of
seamounts in the
Izu-Ogasawara arc.
By Yoshio Ueda, 2007
Заметную роль в изучении подводных вулканов Тихого океана сыграли
камчатские ученые (http://www.kscnet.ru/ivs/grant/grant_04/index.html,
http://www.guyot.ocean.ru/), плодотворно работающие в тесном контакте с
коллегами из Москвы, Перми, Костромы, Владивостока и Иркутска.
В результате 15-ти летних исследований (с 1977 по 1991 гг.) подводного
вулканизма Тихого океана с борта НИС «Вулканолог» была разработана
методика изучения современного подводного вулканизма, изучено большое
количество подводных вулканов, выявлены определенные критерии
обнаружения неизвестных вулканических объектов геофизическими,
гидрохимическими и гидрогазохимическими методами исследований.
Наибольший эффект, несомненно, достигался при заверке найденных
объектов геологическим опробованием.
Районы исследований
Цифровой магнитометр SDM-4000
SeaSPY
Системы галсов геофизических исследований
по В.М. Гордину, 1986
Сравнение показаний квантового магнитометра КМ-2 на прямом (1) и обратном
(2) курсах.
Вулканы Авачинский и Козельский
Расчеты для
различных
азимутов
простирания
прямоугольных
призм по В.М.
Гордину и Е.Н.
Исаеву, 1979
ПОДВОДНЫЕ ВУЛКАНЫ ОКРАИННЫХ МОРЕЙ
Новогвинейское море
Магнитные аномалии ΔТа
2D магнитное моделирование
Базальты лавовых потоков
S = 10000 км2
V = 3000 км3
Вулкан Рабаланакайя (о. Новая Британия).
Южно-Китайское море. Вулканическая зона в районе о-вов Тху-Катуик
Аномальное магнитное поле(ΔТа
Оси магнитных аномалий
Разломная тектоника
2D магнитное моделирование
Розы-диаграммы направлений
простирания разломов (а) и магнитных
аномалий (б) на шельфе Южно-Китайского моря
Распределения остаточной
намагниченности базальтов
вулканической зоны Тху-Катуик
а
б
Сейсмоакустический разрез и аномальное магнитное
поле. Подводный вулкан Иль де Сандр
Участки проявления подводной
вулканической деятельности
на шельфе Южно-Китайского моря
Вулканы Вьетнама
Южный участок
Зерна оливина в лерцолитах
вулкана Иль де Сандр
S = 3400 км2
V = 21 км3
ПОДВОДНЫЕ ВУЛКАНЫ ОСТРОВНЫХ ДУГ
Островная дуга Кермадек
Подводный вулкан
Вулканолог
Батиметрия
Аномальное магнитное
поле (ΔТ)а
фумаролы
100 м
200 м
Фрагмент эхограммы
2.5D магнитное моделирование
Подводная вулканическая группа Ковачи. Соломонова островная дуга
Батиметрия
Аномальное магнитное поле Δ)а
2.5D магнитное
моделирование
Марианская островная дуга.
Батиметрия
Подводный вулкан Минами-Хиоси
Аномальное магнитное поле Δ)а
1с
2с
Фрагмент сейсмограммы
фумарола
2.5D магнитное
моделирование
1, 2 - графики магнитного поля,
соответственно, аномального и
модельного;
3 – аномалеобразующие тела;
4 – значения эффективной
намагниченности для
аномалеобразующих тел
Jэф (А/м);
5 – поверхность дна.
Фрагмент эхограммы
Идзу-Бонинская островная дуга.
Батиметрия
Аномальное магнитное поле Δ)а
Подводная вулканическая группа Софу
3D магнитное моделирование
В.И. Бондаренко
Ю.И. Блох
Ю.И. Блох
А.С.Долгаль
В.И. Бондаренко
В.А. Рашидов
П.Н. Новикова
П.Н. Новикова
В.А. Рашидов
А.А. Трусов
А.А. Трусов
Коллективом, состоящим из представителей классических отечественных
геофизических школ, несколько лет плодотворно выполняется интеграция
вузовской, академической и отраслевой науки организаций Москвы,
Костромы, Перми и Петропавловска-Камчатского.
Осуществляются перманентная связь между поколениями и регионами
Российской Федерации и привлечение молодых ученых и аспирантов для
выполнения фундаментальных научных исследований.
Разработанная оригинальная интерпретационная технология
моделирования данных гидромагнитной съемки (ГМС), выполненной на весьма
нерегулярной сети наблюдений в комплексе с эхолотным промером,
непрерывным сейсмоакустическим профилированием (НСП), анализом
естественной остаточной намагниченности и химического состава
драгированных горных пород успешно применяется авторским коллективом для
изучения подводных вулканов Курильской островной дуги. В разработанной
технологии применяются различные методы интерпретации материалов ГМС, одни
из которых ориентированы на 2D и 2.5D анализ магнитного поля на отдельных
галсах, а другие на 3D анализ по всему массиву наблюдений. Технология
принципиально избегает любых операций с интерполированными значениями поля
и выполняется с учетом фактического пространственного расположения точек
ГМС.
Для уточнения глубинного строения подводных вулканов используются:
анализ особых точек – система СИНГУЛЯР (методы В.Н. Страхова, В.М. Березкина
и Г.А. Трошкова );
определение направления вектора намагниченности горных пород – программа
ИГЛА;
3D-моделирование вулканической постройки – программа REIST;
интерпретационная томография;
монтажный метод решения обратной задачи магнитометрии (ОЗМ);
построение 3D-интерполяционных моделей по результатам моделирования
монтажным методом
Курильская островная дуга
Курильская островная дуга –
классическая двойная дуга,
состоящая из внутренней
(вулканической) и внешней
(тектонической) дуг,
разделенных междуговым
трогом, Охотоморский склон
которой осложнен подводными
вулканами, которых при
современныом уровне
изученности насчитывается 125.
Изученные подводные
вулканы Курильской
островной дуги
Советские ученые, чьими именами названы подводные
вулканы КОД
Григорьев Иосиф Федорович - геолог,
академик АН СССР
Белянкин Дмитрий Степанович - геолог
и петрограф, академик АН СССР
Смирнов Сергей Сергеевич – минералог,
академик АН СССР
Эдельштейн Яков Самойлович –
БЕРГ Лев Семенович -
геоморфолог и геолог, профессор
географ и биолог, академик АН СССР
Миронов Степан Ильич –геологгнефтяник, академик АН СССР
Подводный вулкан Крылатка
Рельеф и аномальное магнитное поле ΔТа
Акустические аномалии в водной толще
Изображение, синтезированное системой СИНГУЛЯР
для локализации особых точек функции, описывающей
аномальное магнитное поле (ΔT)а, с наложенным
рельефом дна по данным эхолотных промеров
Подводный вулкан Крылатка
2.5D магнитное моделирование
3D магнитное моделирование
Фрагмент сейсморгаммы
а – батиметрия;
б – аномальное магнитное поле (ΔT)а;
в – распределение эффективной намагниченности
вулкана, изображенное на поверхности вулкана;
г – распределение локальной эффективной
намагниченности, изображенное на поверхности
вулкана
Профили эхолотного промера и НСП, проходящие через
подводный вулкан Миронова. К – побочные конусы.
Подводный вулкан Миронова: а – батиметрия; б – аномальное
магнитное поле ΔTа; в – распределение эффективной
намагниченности вулкана; г – распределение эффективной
намагниченности, изображенное на поверхности вулкана.
Подводный вулкан
Миронова
Изображения, синтезированные системой СИНГУЛЯР для локализации особых
точек функций, описывающих аномальные магнитные поля (ΔT)а подводного
вулкана Миронова, с наложенным рельефом дна по данным эхолотных промеров.
Уточнение ориентации вектора намагниченности подводного
вулкана Миронова с помощью программы ИГЛА.
Томографическая интерпретация магнитного поля вулкана Миронова (а) и
результаты решения обратной задачи магниторазведки монтажным методом для
профилей А-А', Б-Б' и В-В' (б-г): 1 - исходное поле; 2 - модельное поле.
Намагниченность объекта - 2 А/м; снят линейный региональный фон Y = 4.95Х –
180.5 (Y в нТл, Х в км)
ПОДВОДНЫЙ ВУЛКАН МИРОНОВА
Пространственное
положение
выделенного
магнитовозмущающего
блока
по
результатам
2.5Dмоделирования: 1 – монтажный элемент.
Подводный вулкан Юбилейный
Изображение, синтезированное системой СИНГУЛЯР для локализации
особых точек функции, описывающей аномальное магнитное поле ΔTа, с
наложенным рельефом дна по данным эхолотных промеров
Подводный
вулкан
Юбилейный:
а – батиметрия;
б – аномальное
магнитное поле
ΔTа;
в –
распределение
эффективной
намагниченности
вулкана;
г – распределение
эффективной
намагниченности,
изображенное на
поверхности
вулкана.
Подводный вулкан Макарова
Интерпретация данных ГМС
начинается с анализа особых точек
функций, описывающих аномальные
поля на отдельных галсах, с помощью
интегрированной системы СИНГУЛЯР,
которая предоставляет возможность
синтезировать результаты анализа
тремя независимыми методами:
В.Н. Страхова, В.М. Березкина и
Г.А. Трошкова, а также с 2.5D
моделирования.
Синтез результатов применения
интегрированной системы СИНГУЛЯР
на отдельных галсах показал
приуроченность основных особых
точек функций, описывающих
аномальные поля, к верхней кромке
вулканических пород. Помимо этого,
методы особых точек позволили
предположить наличие на глубинах
2.5-3.0 км периферических
магматических очагов и
субвертикальное положение
подводящих каналов.
Усредненное направление вектора намагниченности горных пород определяется с
помощью программы ИГЛА, предназначенной для интерактивной экспрессинтерпретации локальных аномалий гравитационного и магнитного полей.
Вулканическая постройка, расположение верхней кромки которой установлено по
данным эхолотного промера и НСП, аппроксимируется усеченной пирамидой, и ее
параметры, в том числе компоненты вектора магнитного момента, оцениваются с
учетом регионального фона в интерактивно задаваемом многоугольном
интерпретационном окне. Установлено, что вектор намагниченности пород отклонен от
вектора нормального поля T0 на угол около 38° (азимут склонения 211°, наклонение
77°)
Подводный вулкан Макарова
Подводный вулкан Макарова
К вулканической постройке
приурочена положительная аномалия
магнитного поля ΔТа интенсивностью
более 150 нТл.
Трехмерное моделирование
вулканической постройки с помощью
программы REIST из пакета
структурной интерпретации
гравитационных и магнитных
аномалий СИГМА-3D показало, что
наиболее намагниченной является
привершинная часть вулканической
постройки и фрагмент ее южного
склона до глубины 2300 м .
Погрешность подбора аномального
поля при этом составила ± 8.1 нТл.
а – батиметрия;
б – аномальное магнитное поле ΔTа;
в – распределение эффективной
намагниченности вулкана;
г – распределение эффективной
намагниченности, изображенное
на поверхности вулкана
Трехмерное моделирование вулканической постройки
Интерпретационная томография вулкана Макарова
Модель подводящего канала вулкана Макарова
профиль А-А'
Монтажным методом, использующим в качестве исходных данных вертикальную
составляющую ΔZa, полученную путем редуцирования поля к полюсу, была
рассчитана серия эквивалентных решений обратной задачи магниторазведки,
отвечающих «коридору» невязки ± 15 нТл.
Модель подводящего канала вулкана Макарова
В качестве наиболее реалистичного варианта интерпретации были выбраны модели с
величиной намагниченности, равной 2.5 А/м, близкой к магнитным свойствам базальтов и
андезибазальтов.
Интерполяционная 3D-модель источника магнитного поля: 1- элемент
замощения.
Подводный вулканический массив Эдельштейна
Юго-западная постройка
вулканического массива
Эдельштейна
Вулканический массив Эдельштейна
Фрагмент сейсмограммы
а – аномальное магнитное поле;
б – пересчет на высоту 200 м;
в – пересчет на высоту 600 м;
г - пересчет на высоту 1000 м
2.5-мерное магнитное моделирование
вулканического массива Эдельштейна
Подводный вулканический массив Эдельштейна
Изображение, синтезированное системой СИНГУЛЯР для локализации особых точек
функции, описывающей аномальное магнитное поле ΔTа,
с наложенным рельефом дна по данным эхолотных промеров
Подводные вулканы Белянкина и Смирнова
Подводный вулкан Белянкина
Фрагмент сейсмограммы
2.5-мерное моделирование
магнитного поля подводных
вулканов Белянкина и Смирнова
Изображения, синтезированное
системой СИНГУЛЯР
Подводный вулкан Белянкина
Подводный вулкан Смирнова
Подводный вулкан 1.4
Сейсмоакустический разрез и график
аномального магнитного поля ΔТа
Трансформация аномального
магнитного поля
Железомарганцевые корки
3D магнитное моделирование
Изображение, синтезированное системой СИНГУЛЯР для локализации
особых точек функции, описывающей аномальное магнитное поле (ΔT)а,
с наложенным рельефом дна по данным эхолотных промеров
а – батиметрия; б – аномальное магнитное поле (ΔT)а;
в – распределение эффективной намагниченности
вулкана; г – распределение эффективной
намагниченности, изображенное на поверхности вулкана
НИС
«Вулканолог»,
1983
Погребенная вулканическая
зона
у о. Парамушир
НИС «Геолог
Петр Андропов»,
1991 г.
Фрагменты
сейсмограмм НСП
ГГЭ – газогидратный
экран;
ОС – «облакоподобные»
структуры;
ГВ – предполагаемые
грязевые вулканы;
ЗС – зона смятия;
ЭК – экструзивный купол
Аномальное магнитное поле (ΔТ)а района исследований
1-3 – изолинии
магнитного поля,
соответственно,
положительные,
отрицательные и
нулевые
Морфоструктурная схема
района исследований
1 - изобаты;
2 - разломы;
3 - оси подводных каньонов;
4 - предполагаемая зона сбросо-сдвига; 5 -
погребенные конусы подводных вулканов;
6 - не погребенные части подводных
вулканических построек;
7 - предполагаемый экструзивный купол;
8 - предполагаемые грязевые вулканы; 9 зоны нарушения корреляции сейсмических
сигналов в ВЧР («облакоподобные
структуры»);
10 - оползневые тела;
11 - плоские вершины подводных вулканов и
уплощенные участки дна;
12 - область развития аномальнонеоднородного горизонта (АНГ) в ВЧР,
связываемого с газовыми гидратами;
13 - граница области развития АНГ;
14 - зона распространения
«акустически мутного» горизонта;
15 - зона смятия в осадочной толще
Вулканический массив
Алаид
1 - древний конус вулкана Алаид;
2 - молодой конус вулкана Алаид
и его лавовые потоки;
3 – лавовые потоки центрального
конуса вулкана Алаид;
4 – терминальный (а) и побочные
латеральные шлаковые конусы
(б) вулкана Алаид;
5 - лавовые потоки внутреннего
и побочных шлаковых конусов
вулкана Алаид;
6 – кратеры (а) и эрозионные
уступы (б) вулкана Алаид;
7 - морская терраса (а) и
пирокластические образования
кратера Такетоми (б);
8 – изобаты, м;
9 – галсы;
10 – подводные лавовые конусы;
11- подводный вулкан Григорьева
Прорыв Олимпийский 1972 г.
Вулкан Алаид
Извержение вулкана Алаид.
29 апреля 1981 г.
Фото В.А. Подтабачного
Прорыв Такетоми 1933-34 гг.
Фото Р.В. Жигачевой
Подводный вулкан Григорьева
3D магнитное моделирование
Рельеф и аномальное
магнитное поле ΔТа
Эхограмма
а – батиметрия;
б – аномальное магнитное поле (ΔT)а;
в – распределение эффективной
намагниченности вулкана;
г – распределение эффективной
намагниченности, изображенное
на поверхности вулкана
Изображение, синтезированное системой СИНГУЛЯР
для локализации особых точек функции,
описывающей аномальное магнитное поле ΔTа,
с наложенным рельефом дна по данным эхолотных промеров
ВНУТРИПЛИТНЫЕ ПОДВОДНЫЕ ВУЛКАНЫ
Магеллановы горы
представляют
собой протяженную
дугообразную цепь
подводных гор, в
основном, гайотов,
в средней части
ВосточноМарианской
котловины,
простирающуюся на
1100 км
Субмеридиональные профили
НСП через вершины гайотов
Вулканолог и Коцебу.
Железомарганцевая корка.
Гайот Вулканолог
Батиметрическая схема гайотов
Вулканолог и Коцебу.
1 – драги;
2 – минимальные глубины;
3 – галсы;
4 – изобаты, м
АМП гайотов Вулканолог и
Коцебу.
1 – галсы; 2 – изолинии
магнитного поля;
3 – линии разрезов:
А-А (Вулканолог), В-В (ТИГ)
Карты изолиний аномального магнитного поля ∆Ta (а, в) и ортогональные сечения
3D-диаграмм квазинамагниченности горных пород (б, г) гайотов Вулканолог
(слева) и Коцебу (справа). 1 – эпицентры магнитных аномалий.
Вертикальный разрез по линии А-А гайота Вулканолог.
а – аномальное магнитное поле ΔТа;
б – 2D-распределение квазинамагниченности горных пород;
1 – оси предполагаемых подводящих каналов
Вертикальный разрез по линии В-В гайота Коцебу.
а – аномальное магнитное поле ΔТа;
б – 2D-распределение квазинамагниченности горных пород;
1 – оси предполагаемых подводящих каналов
Местоположение позднекайнозойских
подводных вулканов Тихого океана
Распределение подводных вулканов Тихого океана
%
35
30
25
20
15
10
5
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
номера регионов
316 вулканов
Интенсивность магнитных аномалий (ΔТ)а позднекайнозойских
подводных вулканов Тихого океана
Объемы позднекайнозойских подводных вулканов Тихого океана
%
%
14
60
12
50
10
40
8
30
20
4
10
2
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
куб. км
117 вулканов
0
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
3200
3300
6
108 вулканов
нТл
Глубины вершин позднекайнозойских подводных вулканов Тихого
океана
Средние значения остаточной намагниченности драгированных вулканитов
%
%
30
50
25
40
15
20
10
10
5
135
125
130
115
120
105
110
95
100
85
90
75
80
70
60
65
50
55
40
45
30
35
20
25
5
10
15
0
0
Jn, А\м
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
4200
4400
4600
4800
5000
5200
5400
5600
5800
6000
6200
20
30
309 образцов
м
278 вулканов
Средние значения магнитной восприимчивости драгированных вулканитов
Относительная высота позднекайнозойских подводных вулканов Тихого
океана
%
22
%
20
18
12
16
10
14
12
8
10
6
8
6
4
4
2
4200
4000
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
800
1200
309 образцов
1000
200
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
90
100
80
70
60
50
40
30
20
10
0
600
æ
0
400
2
м
142 вулкана
Средние размеры оснований позднекайнозойских подводных вулканов Тихого
океана
Средние значения Q-фактора драгированных вулканитов
%
%
40
16
35
14
30
12
25
10
20
8
15
6
10
4
5
2
309 образцов
Q -фактор
км
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
5
10
0
83 вулкана
Интегрированный анализ материалов показал, что
• Магнитные
аномалии,
связанные
с
позднекайнозойскими
подводными вулканами Тихого океана, варьируют в пределах от -500
до 3300 нТл.
• Над 16.7% позднекайнозойских подводных вулканов Тихого океана
отмечены отрицательные аномалии магнитного поля (ΔТ)а.
• 34.5% изученных подводных вулканов расположены в пределах
Курильской, а 19% – в пределах Марианской островных дуг.
• 29.5% составляют вулканы, вершины которых расположены на
глубинах 0-200 м.
• 26% составляют вулканы с относительной высотой от 501 до 1000
м.
• 41% составляют вулканы с размером основания от 5.1 до 10 км.
• 55.6% составляют вулканы с объемом построек от 1 до 50 км3.
Владимир Иванович Уткин
Благодарю за внимание