Использование космических технологий для выявления связи гравитационного поля с внутренним строением Земли на акватории арктического бассейна

Канушин Вадим Федорович; Ганагина Ирина Геннадьевна; Голдобин Денис Николаевич

УДК 528; 550.3; 551

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ СВЯЗИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ С ВНУТРЕННИМ СТРОЕНИЕМ ЗЕМЛИ НА АКВАТОРИИ АРКТИЧЕСКОГО БАССЕЙНА

Вадим Федорович Канушин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru

Ирина Геннадьевна Ганагина

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, зав. кафедрой физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru

Денис Николаевич Голдобин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru

В работе приведено сравнение аномального гравитационного поля, полученного по ультравысокостепенной модели EGM2008 с наземным гравитационным полем на акватории Арктического бассейна, а также оценена корреляция между рельефом дна моря Лаптевых и аномалиями силы тяжести, полученными по модели EGM2008, значение которой составило 0.89. Проведен анализ связи отдельных гармоник модели EGM2008 с очагами землетрясений и тектоникой моря Лаптевых, который указывает на возможность изучения внутреннего строения Земли путем совмещения нескольких гармоник гравитационного поля, образуя спектральное окно.

Ключевые слова: земная кора, аномальное гравитационное поле Земли, акватория, окно гармоник, модель, спутниковые технологии.

SPACE TECHNOLOGIES APPLICATION FOR DETERMINING RELATIONSHIP BETWEEN GRAVITATIONAL FIELD AND INTERNAL STRUCTURE OF THE EARTH IN ARCTIC BASIN

Vadim F. Kanushin

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Assoc Prof, Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru

Irina G. Ganagina

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., the head of Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru

Denis N. Goldobin

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Engineer, Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru

The abnormal gravitational field, obtained through ultrahigh-degree model EGM2008, is compared with ground gravitational field on Arctic basin area. Correlation between Laptev Seabed relief and gravity anomalies, obtained by model EGM2008 is estimated (its value is 0.89). Relationship between certain harmonics of model EGM2008 and seismic focuses and Laptev Sea tectonics is analyzed. The fact testifies to the possibility of studying internal structure of the Earth by superposing several gravitational field harmonics, producing spectral window.

Key words: Earth crust, anomalous gravitational field of the Earth, water area, harmonic window, model, space technologies.

В гравитационном поле находят суммарное отражение внутримантийные и внутрикоровые вариации плотности вещества, рельеф основных границ раздела земной коры, структурно-формационное строение гранитно-метоморфического слоя и т.д. Изучение распределения плотности в недрах Земли по одним только гравиметрическим данным невозможно, так как обратная задача гравиметрии, которая заключается в определении распределения масс в недрах Земли по заданному внешнему гравитационному полю неоднозначна. Однако существуют величины, характеризующие общее распределение плотности, которые возможно определить однозначно. Такими величинами являются гармонические коэффициенты Cnm и Snm в разложении гравитационного потенциала в ряд по сферическим функциям,

V =

fM

^ i (Л i

1 + Z — I Z (Cnm cos mX + Snm sin mX)Pnm (sin P)

n=2\ r

m=0

n

r

представляющие собой комбинацию степенных моментов инерции [1, 2]

j =_1_

pqr MRp+q+r ¡¡¡S(pyqzrdT,

где p, q, г = 0,1,2,.. .т, p+q+r = n - степень степенного момента.

Предлагается путем последовательного объединения нескольких гармоник CnmPnm (sinp)cos mX и SnmPnm (sin cp)sin mX образовывать окно, которое действует в качестве полосового фильтра пропускания низких или высоких гармоник. Размах степени окна гармоник подбирается так, чтобы результат был сосредоточен на фактическом гравитирующем источнике. Полезной информацией считается такая, у которой энергия окна гармоник выше уровня шума гравитационного поля.

В последние годы создан ряд моделей гравитационного поля Земли с улучшенными характеристиками по точности определения гармонических коэффициентов геопотенциала (EGM-96, ГА0-2008, GGM02C, EIGEN-GLO4C, EIGEN-5C, EGM2008) [3]. Это стало следствием, с одной стороны,

т

общего улучшения гравиметрической изученности земного шара в рамках реализации ряда международных проектов, с другой стороны, осуществления новых проектов в области изучения гравитационного поля Земли с использованием спутниковых технологий (CHAMP, GRACE). Особое место в ряду этих моделей занимает модель EGM-2008 до 2190-й степени [3]. Применяя модель EGM-2008 для спектрального анализа гравитационного поля на акватории Арктического бассейна, получены следующие результаты

- аномалии силы тяжести в редукции в свободном воздухе восстановлены по гармоническим коэффициентам геопотенциала модели EGM2008 (рис. 1-а) в целом согласуются с цифровыми моделями аномального гравитационного поля Арктической акватории в редукции в свободном воздухе, приведенными в работах ВНИИОкеанологии и [5] (рис. 1-б);

- корреляция между рельефом дна моря Лаптевых (рис. 2-а) и аномалиями поля силы тяжести в редукции в свободном воздухе (рис. 2-б) составляет 0.89;

- максимальные и минимальные значения остаточных аномалий силы тяжести, полученные для различных окон гармоник, попадают на участки интенсивной напряженности земной коры в море Лаптевых. На рис. 3 приведены остаточные аномалии, полученные с учетом гармоник в окне 80 < п < 1080 и очаги землетрясений;

Полученные результаты могут предоставлять дополнительную информацию о геологическом строении шельфа и глубоководной зоны акватории Арктического бассейна.

- в остаточных аномалиях силы тяжести, полученных для различных окон гармоник, более четко, чем в аномальном гравитационном поле, содержащем все гармоники, прослеживается приуроченность к отдельным структурам земной коры Арктической акватории (рис. 4).

[4]:

а - по модели EGM2008

Рис. 1. Аномальное гравитационное поле части арктического бассейна

а - рельеф дна моря Лаптевых б - аномалии поля силы тяжести

в свободном воздухе по EGM 2008

Рис. 2. Корреляция между рельефом дна и аномалиями поля силы тяжести

в редукции в свободном воздухе

Рис. 3. Схема остаточных аномалий и очаги землетрясений

Рис. 4. Схема остаточных аномалий в диапазоне гармоник 120-180 наложенная на прибрежные структуры моря Лаптевых

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сагитов М. У. Лунная гравиметрия. - М.: Наука, 1979. - 432 c.

2. Ганагина И. Г., Канушин В.Ф. Анализ изменений гравитационного поля и высот квазигеоида, обусловленных сейсмической активностью // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 8-13.

3. Pavlis N.K., Holmes S.A., Kenyon S.C., Factor J.K. An Earth Gravitational Model to Degree 2160: EGM2008/EGU General Assembly 2008. Vienna, Austria, April 13-18, 2008.

4. Канушин В. Ф., Ганагина И. Г., Голдобин Д. Н. Моделирование аномального гравитационного поля в арктическом бассейне // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 178-181.

5. Глебовский В. Ю., Зайончек А. В., Каминский В. Д., Мащенков С. П. Цифровые базы данных и карты потенциальных полей Северного Ледовитого океана // Российская Арктика: геологическая история, минерагения, геоэкология. - СПб., 2000. - С. 134-141.

6. Канушин В. Ф., Ганагина И. Г. Применение дифференциального уравнения параболического типа для решения краевых задач динамической геодезии // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15 -26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. - С. 214-219.

7. Косарев Н. С. Восстановление фазы несущей: проблемы и пути решения // Вестник СГГА - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 53-60.