Технология трёхмерного плотностного моделирования верхней коры Воронежского кристаллического массива

Abstract

Актуальность. Построение трёхмерных моделей строения литосферы на основе интерпретации геофизических данных является актуальной задачей на современном этапе развития геофизики. Цель. Разработка технологии трёхмерного плотностного моделирования верхней части земной коры на основе инверсии гравитационного поля. Методы. Технология состоит из этапа предварительных региональных построений обобщённой геолого-геофизической модели земной коры по территории исследований. Эти данные позволили исключить гравитационный эффект осадочного чехла, дать оценку мощности «гравиактивного» слоя кристаллического фундамента и выполнить расчёт региональной плотностной модели литосферы на основе решения обратной задачи в сферической постановке. На этапе детального моделирования региональная плотностная модель и соответствующее ей региональное гравитационное поле служат основой для построения плотностной модели верхней части земной коры изучаемого региона. Решение обратной задачи для локальных аномалий гравитационного поля, обусловленных плотностными неоднородностями в верхней коре, выполняется в декартовых координатах с использованием аппроксимационного оператора нормального решения для горизонтального слоя. Итерационная схема решения развита для данных на реальном рельефе наблюдений поля и использует модифицированный метод локальных поправок. Итоговая детальная плотностная модель верхней части земной коры представлена в абсолютных значениях плотности на регулярной плановой сетке с шагом 2 км и дискретной сетке слоёв, мощность которых закономерно возрастает с глубиной от 0,05 до 4 км. Выбор сетки решения обратной задачи гравиметрии согласован с принятой точностью решения, составляющей 0,5 мГал, и характерными размерами искомых геологических неоднородностей. Глубина нижней границы модельного слоя составляет 16 км. Результаты. Разработанная технология применена при создании детальной плотностной модели верхней коры восточной части Воронежского кристаллического массива. Выводы. Предлагаемая методика построения трёхмерных плотностных моделей платформенных территорий, опирающаяся на данные измерений плотности осадочных и поверхностной части кристаллических пород, а также оценки их прогнозного распространения на глубину, позволяет сформировать принципиально новый многостадийный подход к интерпретации данных гравиметрии. Полученные на основе технологии данные о трёхмерном распределении плотности, полностью согласованные с большим объёмом априорной геолого-геофизической информации, позволяют получить принципиально новые знания о глубинном геологическом строении территории исследований

Relevance. Construction of three-dimensional models of the lithosphere structure based on interpretation of geophysical data is an urgent task at the present stage of development of geophysics. Aim. Development of technology for three-dimensional density modeling of the upper part of the earth crust based on inversion of the gravity field. Methods. The technology consists of a stage of preliminary regional constructions of a generalized geological and geophysical model of the earth crust for the study area. These data made it possible to exclude the gravitational effect of the sedimentary cover, estimate the thickness of the "gravity-active" layer of the crystalline basement and calculate a regional density model of the lithosphere based on solving the inverse problem in a spherical formulation. At the stage of detailed modeling, the regional density model and the corresponding regional gravity field serve as the basis for constructing a density model of the upper part of the earth crust of the studied region. The inverse problem for local gravity field anomalies caused by density heterogeneities in the upper crust is solved in Cartesian coordinates using the approximation operator of the normal solution for the horizontal layer. The iterative solution scheme is developed for the data on the real relief of field observations and uses a modified method of local corrections. The final detailed density model of the upper part of the earth crust is presented in absolute values of density on a regular plan grid with a step of 2 km and a discrete grid of layers, the thickness of which regularly increases with depth from 0.05 to 4 km. The choice of the grid for solving the inverse gravimetry problem is consistent with the adopted accuracy of the solution and the characteristic sizes of the sought geological heterogeneities. The depth of the lower boundary of the model layer is 16 km. Results. The developed technology is applied to create a detailed density model of the upper crust of the eastern part of the Voronezh crystalline massif. Conclusions. The proposed method of constructing three-dimensional density models of platform territories, based on the density measurements of sedimentary and surface parts of crystalline rocks, as well as assessments of their predicted distribution at depth, allows us to form a fundamentally new multi-stage approach to interpreting gravimetry data. The data on three-dimensional density distribution obtained on the basis of the technology, fully consistent with a large volume of a priori geological and geophysical information, allow us to obtain fundamentally new knowledge about the deep geological structure of the study area