Компьютерные технологии как инструмент получения новой информации о строении океанических разломов (на примере активной части разлома Сан-Паулу, Центральная Атлантика) Содержание Аннотация Введение История исследования активной части разлома Сан-Паулу Методика оцифровки карт и получения цифровой модели Основные особенности строения активной части разлома Сан-Паулу по данным комплексного анализа Сейсмичность активной части разломной зоны Сан-Паулу Обсуждение Литература

Аннотация

В статье проведена оценка возможности получения принципиально новой научной информации в результате компьютерной обработки данных по хорошо изученной территории - активной части разломной зоны Сан-Паулу (Центральная Атлантика). В результате оцифровки батиметрической карты и карты мощностей осадочного чехла были построены математические модели, которые дополнялись альтиметрическими данными.

Комплексная интерпретация данных позволила установить различное строение рифтовых зон, активных частей разломов, выявить зону развития осадочного чехла, который претерпел несколько фаз деформаций, обнаружить не известные ранее вулканические сооружения. Наконец, открыта система сдвигов северо-западного направления. В целом вся работа показала, что после переноса информации с бумажного носителя в цифровой формат в сочетании с ресурсами Интернет и данными опробования глубоководной части океана, формируется абсолютно новый массив данных, которые подвержены принципиально новой обработке, а, впоследствии, и могут приводить к неожиданным выводам.

Введение

В течение последних четырех десятилетий в Мировом океане вне экономических зон, советскими научно-исследовательскими судами (НИС) был собран уникальный по объему и научно-практической ценности материал в нецифровом виде, который хранится в разных архивах в виде эхограмм и сейсмических лент на электрохимической бумаге, авторских оригиналов карт и в другой форме. Вместе с тем, за последние 10-15 лет основной массив геолого-геофизической информации собирается и хранится в цифровом виде. Это делает практически невозможным объединение и последующий совместный анализ старых и новых данных. Тем самым, результаты исследований, стоимость которых определялась астрономическими цифрами, оказываются выведенными из научного и научно-практического оборота. Информационный взрыв последних лет и, прежде всего, появление сети Интернет требуют срочного переноса всей информации, накопленной советскими судами в глубоководной части океана, в цифровой вид для введения ее в анализ на современном уровне. Такая работа должна привести к принципиально новым теоретическим и практическим выводам о строении и геодинамическом развитии океанической литосферы.

Коллектив Лаборатории геоморфологии и тектоники дна океанов Геологического института РАН работает с компьютерными технологиями с 1991г. Нами был собран и структурирован большой фактический материал по рельефу дна, геологии, гравиметрии, магнитометрии, географии, истории исследований, сейсмичности Атлантического океана и его обрамления, который был представлен в виде серии карт Центральной Атлантики (рис.1) различного содержания и выставлен в доступном для любого пользователя формате в Интернет (http://atlantic.tv-sign.ru/). Такая серия позволяет четко представить тектоническую позицию любого из районов исследования Геологического института РАН, который в течение 15 лет провел 22 научных рейса по фундаментальным тематикам. Был также разработан проект создания крупномасштабных геолого-геофизических карт на каждый полигон, дающих полное представление о строении того или иного района. Подобная работа предполагает создание геоинформационной системы по Центральной Атлантике, позволяющей получать оперативную информацию для любых географически привязанных объектов в указанном регионе. Работа, целью которой была оценка возможности получения принципиально новой научной информации в результате компьютерной обработки данных по хорошо изученной территории, началась с полигона, охватывающего активную часть разломной зоны Сан-Паулу.

История исследования активной части разлома Сан-Паулу

Разломная зона Сан-Паулу протягивается от конуса выноса Амазонки до побережья Западной Африки между экватором и 1-2oс.ш. (рис.2). По данным GEODAS (Marine Trackline Geophysical Data CD. NOAA), в этом районе прошло 116 рейсов научно-исследовательских судов США, Франции, Германии и СССР. От Южной Америки до 30oз.д. разломная зона имеет субширотное простирание и представлена отчетливо выраженными поднятиями, разделенными депрессией дна с общей шириной порядка 100 км. В районе 30oз.д. зона разломов изменяет свое простирание на северо-восточное (рис.2) и происходит ее виргация. В результате активная часть разломной зоны между 25 и 30oз.д. имеет наиболее сложное строение [Агапова, 1993; Gorini, 1981], которая изучалась рядом экспедиций (табл.1). Здесь выделяются четыре желоба, разной протяженности. Восточные части зоны разломов Сан-Паулу служат южным ограничением котловины Сьерра-Леоне.

В результате работ вышеуказанных экспедиций были собраны материалы о глубинах как однолучевым, так и многолучевыми эхолотами разных типов, данные о строении осадочного чехла по данным непрерывного сейсмического профилирования и некоторые другие. В пределах района работ было проведено донное опробование трубками разных типов и драгировками. Всего у авторов имеются данные о 25 станциях, из которых 16 принесли коренные породы разных типов, 3-осадочные породы, 6-были безрезультатными. На севере района в 7-ом рейсе "Академик Николай Страхов" была проведена подводная фотосъемка. Помимо этого, в центральной части полигона в 1997г. были погружения подводного аппарата "Надир" (Франция), в результате которых была получена информация о 62 станциях наблюдения (персональное сообщение Р.Экиньяна).

Батиметрическая съемка в 7-ом рейсе НИС "Академик Николай Страхов" (1988г.) проводилась многолучевым эхолотом ECHOS-625 по системе из 23 галсов с межгалсовым расстоянием 5 миль (рис. 3). Исходная батиметрическая карта [Агапова, 1993] (рис.4) представляет собой авторский оригинал в масштабе 1:250 000 по экватору, с сечением рельефа в 100м. Ее цветной вариант был опубликован [Экваториальный сегмент..., 1997, стр.8]. В том же масштабе были опубликованы исходная карта мощности осадочного чехла (с интервалом изопахит в 200м) и карта акустического фундамента.

Методика оцифровки карт и получения цифровой модели

Вся работа по преобразованию указанной картографической информации, содержащей изолинии, в электронный вид может быть условно разделена на два этапа.

1 этап - оцифровка данных. Исходная батиметрическая карта была отсканирована и ее изображение было сохранено в растровом формате. При сканировании необходимо добиваться наиболее контрастного и четкого изображения объектов, по возможности, в черно-белом режиме. Далее, в полуавтоматическом режиме (т.е. и вручную, и с помощью трассировки по контрасту элементов изображения), средствами графических редакторов карта была преобразована в векторный формат, т.е. изобаты (изопахиты) представляются системой полилиний с фиксированными значениями номиналов изобат (изопахит). Например, номинал может быть сохранен в виде имени векторного слоя, куда помещаются только объекты данного номинала. Затем производится калибровка системы координат полученных векторных форм из условных координат первичного рабочего планшета в правильные проекционные значения. В этом виде информация уже может быть использована в ГИС-системах и геостатистических программах как набор векторных элементов, но отнюдь не как представленная равномерно в некоторой области (с фиксированной шагом дискретизации) пространственная функция. После этого информация переводится в форму XYZ списка точек, описывающего рисунок изолиний, где каждая точка представлена тремя пространственными значениями. Калиброванные векторная и списочная формы и являются конечным продуктом на стадии оцифровки данных. Отметим, что в качестве Z значения может фигурировать любой параметр, по которому построена исходная карта - рельеф, мощность осадков, сила тяжести и т.д.

2 этап - создание цифровой модели. Данный этап состоит в расчете при помощи статистических методов наиболее вероятных значений глубины (или любых других параметров) в строго определенных точках по списку XYZ значений. Этими точками являются узлы регулярной пространственной XY-сетки ("grid"), размерность и шаг которой задаются исходя из детальности и качества первичного материала, а также от масштаба карты. Результатом расчета является набор Z значений на узлах сетки, называемый математической моделью, рассчитанной на основе реальных данных. При этом часть узлов может быть не заполнена. Вне зависимости от того, какой из статистических методов расчета применялся, достоверность модели будет тем выше, чем выше плотность изолиний параметра карты. Большая степень достоверности получается в районах с большими уклонами или пересеченным рельефом, т.е. в тех местах, где изначально была большая плотность линий. При недостаточной плотности исходных данных на отдельных участках карты (например, выровненные участки дна с малой плотностью изобат) используемые алгоритмы генерируют значения, имеющие мало общего с действительностью. Критерием достоверности в данном случае является максимальное совпадение изолиний, построенных по сетке, с исходными изолиниями. При наличии этого совпадения можно считать цифровую модель адекватной исходным данным. В узлах сетки, попадающих на зоны между исходными изолиниями, находятся интерполированные значения параметра и это максимум возможного при построении моделей по материалам, имеющим представление в виде изолиний. В крайних случаях для корректировки модели в местах, содержащих явную неадекватность природе, но ясных с точки зрения человеческого восприятия и опыта, вводились дополнительные данные, т.е. проводится отрисовка дополнительных изобат (или изопахит), наличие которых в массиве данных позволяет стабилизировать отклонения деятельности алгоритмов расчета. Подобный метод стабилизации модели вполне допустим до тех пор, пока в распоряжении исследователя не оказывается новый экспериментальный материал.

Все указанные особенности получения цифровой модели и оценки ее качества относятся только к случаю материалов, представленных изолиниями. В современных эхолотных системах, где многолучевой способ промера глубины дна порождает огромный массив XYZ точек, покрывающий полосу дна шириной до 3,5 глубин, данные уже практически приближены к состоянию пространственной функции, описывающей дно с почти равномерной дискретностью, т.е. к сетке. В этой ситуации становятся актуальными альтернативные способы визуализации дна, такие как оттененный (shaded) рельеф, цветовая или тоновая отмывка (image map) и их комбинации с традиционным методом изолиний. Но не метод изолиний в чистом виде, поскольку для современной детальности этот метод скорее скрывает информацию о рельефе, чем визуализирует ее.

Сравнение предсказанной топографии [Smith and Sandwell, 1997] с оттененным рельефом, полученным в результате оцифровки в пределах исследуемого полигона (рис.2 и 5), показало, что имеется хорошее совпадение данных, хотя в отдельных случаях на предсказанной топографии были объединены в единую структуру разные объекты, особенно в областях развития осадочного чехла. Для оценки точности предсказанной топографии с реальной батиметрией было произведено совмещение контуров. В результате выяснилось, что предсказанная топография дает ошибку порядка 100м в сторону уменьшения глубины.

Гравитационное поле в пределах полигона было построено по данным спутниковой альтиметрии [Sandwell and Smith, 1997] с разрешением в одну дуговую минуту (рис.9а). Это поле представляет собой высоты поверхности океана, снятые радарным способом и пересчитанные в значения силы тяжести на уровне моря или аномалию в свободном воздухе. Эта аномалия на 80-90% состоит из влияния рельефа, как самого контрастного скачка плотностей. Плотностной контраст вода-дно, равный 1,72 г/см3, маскирует эффект производимый неоднородностями коры и мантии. Поскольку рельеф является объектом изучения другого метода - эхолотирования, и хорошо им изучен, для снятия маскирующего влияния этой границы была рассчитана аномалия Буге. Эта аномалия отражает гравитационный эффект плотностных неоднородностей коры и контрастной границы кора-мантия. Контраст плотности на этой границе существенно меньше, чем в вышележащей толще и поэтому ее вклад в аномальное поле должен быть представлен плавными изменениями аномальной составляющей. Плотностные неоднородности коры представлены сильными локальными аномалиями Буге разного знака по сравнению с общим фоном.

Для понимания распределения породных комплексов были собраны данные о донном опробовании с различных судов, которые были организованы в виде электронных таблиц в реляционной базе данных. Помимо этого, в Интернете были собраны данные по сейсмичности [CNSS..., 1997]. В целом, в результате работы был собран и систематизирован огромный фактический материал, который позволял провести комплексную обработку данных. Базовым материалом для последующего анализа стал созданный набор карт в масштабе 1 : 650000:

http://eos.wdcb.rssi.ru/rjes/v03/rje01055/rje01055.htm - fig06hookhttp://eos.wdcb.rssi.ru/rjes/v03/rje01055/rje01055.htm - fig07hookhttp://eos.wdcb.rssi.ru/rjes/v03/rje01055/rje01055.htm - fig08hookhttp://eos.wdcb.rssi.ru/rjes/v03/rje01055/rje01055.htm - fig09hookhttp://eos.wdcb.rssi.ru/rjes/v03/rje01055/rje01055.htm - fig10hookhttp://eos.wdcb.rssi.ru/rjes/v03/rje01055/rje01055.htm - fig11hook

Лист1. Схема работ 7-ого рейса НИС "Академик Николай Страхов" (ГИН РАН, 1988г.) на востоке активной части зоны разломов Сан-Паулу. СоколовС.Ю., ЕфимовВ.Н. (рис.3).

Лист2. Рельеф активной части зоны разломов Сан-Паулу. АгаповаГ.В., ДобролюбоваК.О. (рис.5).

Лист3. Карта углов наклона склонов активной части зоны разломов Сан-Паулу. ДобролюбоваК.О., АгаповаГ.В., СоколовС.Ю. (рис.6).

Лист4. Карта мощности осадочного чехла активной части зоны разломов Сан-Паулу. ЕфимовВ.Н., КольцоваА.В. (ГЕОХИ РАН), СоколовС.Ю. (рис.7).

Лист5. Рельеф акустического фундамента активной части зоны разломов Сан-Паулу. СоколовС.Ю., ЕфимовВ.Н. (рис.8).

Лист6. Гравитационное поле активной части зоны разломов Сан-Паулу. СоколовС.Ю. (рис.9).

Лист7. Сейсмичность активной части зоны разломов Сан-Паулу. СоколовС.Ю. (рис.10).

Лист8. Коренные породы активной части зоны разломов Сан-Паулу. МазаровичА.О. (рис.11).

Основные особенности строения активной части разлома Сан-Паулу по данным комплексного анализа

Разломная зона Сан-Паулу в пределах полигона состоит из четырех субширотных желобов, разделенных межразломными поднятиями (рис.5). Глубины желобов, как отмечалось ранее [Агапова, 1993], увеличиваются с севера на юг от 3700 до 4200м. В пределах изученной территории установлено также 3 рифтовых долины. С геодинамической точки зрения, съемкой было охвачено три активных и четыре пассивных частей трансформных разломов и две зоны спрединга.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: решебник по геометрии класс, рассказ язык.





1  2  3 | Следующая страница реферата