Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences 1681-1208 59675 10.2205/2023ES000855 heetez ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ ORIGINAL ARTICLES ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ Joint Interpretation Results of Gravitational and Thermal Fields for the Ural Region Результаты совместной интерпретации гравитационного и теплового полей Уральского региона https://orcid.org/0000-0002-2481-7328 Мартышко Петр Сергеевич Martyshko Pyotr Sergeevich https://orcid.org/0000-0002-7290-8195 Ладовский Игорь Викторович Ladovskii Igor Victorovich ila848@m

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-4107-6488 Бызов Денис Дмитриевич Byzov Denis Dmitrievich ivanov389@gmail.com

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН Россия Institute of Geophysics named after Yu.P. Bulashevich Ural Branch of the Russian Academy of Sciences Russian Federation Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН Россия Institute of Geophysics named after Yu.P. Bulashevich Ural Branch of the Russian Academy of Sciences Russian Federation Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН Екатеринбург Россия Institute of Geophysics named after Yu.P. Bulashevich Ural Branch of the Russian Academy of Sciences Yekaterinburg Russian Federation 15 12 2023 15 12 2023 23 5 1 18 19 04 2023 03 07 2023 https://rjes.ru/en/nauka/article/59675/view

Реализован метод решения задач сопряжения для уравнения Пуассона, позволяющий интерпретировать потенциальные поля (гравитационное и стационарное тепловое) на основе унифицированных сеточных алгоритмов. Разработан численный алгоритм пересчета мантийной составляющей теплового потока от уровня земной поверхности к границе «кора–мантия» через неоднородную по теплопроводности слоистую среду. В измеренные значения градиента температуры и теплового потока для северных территорий введены палеоклиматические поправки. В осевой части Уральской геосинклинали удалось исключить отрицательную депрессию мантийной составляющей теплового потока, полученную по результатам геотермического моделирования; учет плейстоцен-голоценового потепления предшествующего межледникового палеоклиматического цикла приводит к положительным значениям теплового потока, пересчитанного на границу «кора–мантия». Показано, что использование данных о тепловом потоке позволяет значительно повысить геологическую информативность гравитационного моделирования.

A method for solving conjugation problems for the Poisson equation is implemented, which makes it possible to interpret potential fields (gravitational and stationary thermal fields) based on unified grid algorithms. A numerical algorithm has been developed for recalculating the mantle component of the heat flow from the level of the earth’s surface to the “crust–mantle” boundary through a layered medium inhomogeneous in thermal conductivity. Paleoclimate corrections were introduced into the measured values of the temperature gradient and heat flux for the northern territories. In the axial part of the Ural geosyncline, it was possible to exclude the negative depression of the mantle component of the heat flow, obtained from the results of geothermal modeling; taking into account the Pleistocene-Holocene warming of the preceding interglacial paleoclimate cycle leads to positive values of the heat flow recalculated to the “crust–mantle” boundary. It is shown that the use of heat flow data can significantly increase the geological information content of gravity modeling.

 Стационарный тепловой поток кусочно-однородная слоистая среда условия теплового сопряжения интегральная формула Грина разделение потока на составляющие от источников земной коры и верхней мантии Stationary heat flow piecewise homogeneous layered medium thermal conjugation conditions Green’s integral formula separation of the flow into components from sources of the earth’s crust and upper mantle Работа выполнена в рамках государственного задания Института геофизики имени Ю. П. Булашевича УрО РАН. The work was carried out within the framework of the state assignment of the Institute of Geophysics named after Yu. P. Bulashevich, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.

Булашевич Ю. П. Информативность геотермии при изучении земной коры Уральской эвгеосинклинали // Известия Академии наук СССР. Серия Физика Земли. - 1983. - № 8. - С. 76-83. Bulashevich Y. P. Informativeness of geothermy in the study of the earth’s crust of the Ural eugeosyncline // Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR. Series Physics of the Earth. - 1983. - No. 8. - P. 76-83. Булашевич Ю. П., Щапов В. А. Геотермические особенности уральской геосинклинали // Доклады Академии наук СССР. - 1978. - Т. 243, № 3. - С. 715-718. Bulashevich Y. P., Shchapov V. A. Geothermal features of the Ural geosyncline // Doklady Akademii nauk SSSR. - 1978. - Vol. 243, no. 3. - P. 715-718 Булашевич Ю. П., Щапов В. А. Геотермическая характеристика Урала // Применение геотермии в региональных и поисково-разведочных исследованиях. - Свердловск : Академия наук СССР. Уральский научный центр, 1983. - С. 3-17. Bulashevich Y. P., Shchapov V. A. Geothermal characteristics of the Urals // Use of geothermy in regional and exploration research. - Sverdlovsk : Academy of Sciences of the USSR. Ural Scientific Center, 1983. - P. 3-17. Булашевич Ю. П., Щапов В. А. Геотермические особенности уральской геосинклинали // Доклады Академии наук СССР. - 1986. - Т. 290, № 1. - С. 173-176. Bulashevich Y. P., Shchapov V. A. Geothermal features of the Ural geosyncline // Doklady Akademii nauk SSSR. - 1986. - Vol. 290, no. 1. - P. 173-176. Владимиров В. С., Жаринов В. В. Уравнения математической физики. - Москва : Физматлит, 2000. - С. 400. Vladimirov V. S., Zharinov V. V. Equations of Mathematical Physics. - Moscow : Fizmatlit, 2000. - P. 400. Голованова И. В. Тепловое поле Южного Урала. - Москва : Наука, 2005. - С. 190. Golovanova I. V. The thermal field of the Southern Urals. - Moscow : Science, 2005. - P. 190. Голованова И. В., Пучков В. Н., Сальманова Р. Ю. и др. Новый вариант карты теплового потока Урала, построенный с учетом влияния палеоклимата // Доклады Академии наук. - 2008. - Т. 422, № 3. - С. 394-397. - DOI: 10.1134/S1028334X08070350. Golovanova I. V., Puchkov V. N., Sal’manova R. Y., et al. A new version of the heat flow map of the Urals with paleoclimatic corrections // Doklady Earth Sciences. - 2008. - Vol. 422, no. 1. - P. 1153-1156. - DOI: 10.1134/s1028334x08070350 Голованова И. В., Сальманова Р. Ю., Тагирова Ч. Д. Методика расчета глубинных температур с учетом исправленных на влияние палеоклимата значений теплового потока // Геология и геофизика. - 2014. - Т. 55, № 9. - С. 1426- 1435. - DOI: 10.1016/j.rgg.2014.08.008. Golovanova I. V., Salmanova R. Y., Tagirova C. D. Method for deep temperature estimation with regard to the paleoclimate influence on heat flow // Russian geology and geophysics. - 2014. - Vol. 55, no. 9. - P. 1130-1137. - DOI: 10.1016/j.rgg.2014.08.008. Гордиенко В. В. Радиогенная теплогенерация в земной коре и тепловой поток из мантии древних платформ // Геофизический журнал. - 1980. - Т. 2, № 3. - С. 29-34. Gordienko V. V. Radiogenic heat generation in the Earth’s crust and heat flow from the mantle of ancient platforms // Geophysical journal. - 1980. - Vol. 2, no. 3. - P. 29-34. Дучков А. Д., Соколова Л. С. Термическая структура литосферы Сибирской платформы // Геология и геофизика. - 1997. - Т. 38, № 2. - С. 494-503. Duchkov A. D., Sokolova L. S. Thermal structure of the lithosphere of the Siberian platform // Russian geology and geophysics. - 1997. - Vol. 38, no. 2. - P. 494-503. Дучков А. Д., Соколова Л. С., Аюнов Д. Е. Электронный геотермический атлас Сибири и Дальнего Востока // Интерэкспо ГЕО-СИБИРЬ. - 1997. - Т. 2, № 3. - С. 153-157. Duchkov A. D., Sokolova L. S., Ayunov D. E. Electronic geothermal atlas of Siberia and the Far East // Interexpo GEO-SIBERIA. - 1997. - Vol. 2, no. 3. - P. 153-157. Кутас Р. И. Тепловой поток и геотермические модели земной коры Украинских Карпат // Геофизический журнал. - 2014. - Т. 36, № 6. - С. 3-27. Kutas R. I. Heat flow and geothermal models of the earth’s crust of the Ukrainian Carpathians // Geophysical journal. - 2014. - Vol. 36, no. 6. - P. 3-27 Кутас Р. И., Гордиенко В. В. Тепловое поле Украины. - Киев : Наукова Думка, 1971. Kutas R. I., Gordienko V. V. Heat field of Ukraine. - Kyiv : Naukova Dumka, 1971. Сальников В. Е. Геотермический режим Южного Урала. - Москва : Наука, 1984. - С. 88. Salnikov V. E. Geothermal regime of the Southern Urals. - Moscow : Science, 1984. - P. 88. Тектоническая карта России, сопредельных территорий и акваторий / под ред. Е. Е. Милановского. - Москва : МГУ, 2006. Tectonic map of Russia, adjacent territories and water areas / ed. by E. E. Milanovsky. - Moscow : MSU, 2006. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. - Москва : Наука, 1999. - С. 979. Tikhonov A. N., Samarsky A. A. Equations of Mathematical Physics. - Moscow : Science, 1999. - P. 979. Хачай Ю. В., Дружинин В. С. Возможности применения геотермии для восстановления динамики переходной зоны мантии Урала // Глубинное строение и развитие Урала. - Екатеринбург : Наука, 1996. - С. 298-306. Khachai Y. V., Druzhinin V. S. Possibilities of applying geothermal to restore the dynamics of the transitional zone of the Ural mantle // Deep structure and development of the Urals. - Yekaterinburg : Science, 1996. - P. 298-306. Щапов В. А. Тепловое поле Урала // Уральский геофизический вестник. - 2000. - Т. 1. - С. 126-130. Shchapov V. A. The thermal field of the Urals // Ural Geophysical Bulletin. - 2000. - Vol. 1. - P. 126-130. Щапов В. А., Бурдин Ю. Б., Больщиков В. А. и др. Радиогенная теплогенерация пород Уральской эвгеосинклинали // Уральский геофизический вестник. - 2004. - № 6. - С. 116-121. Shchapov V. A., Burdin Y. B., Bolshchikov V. A., et al. Radiogenic heat generation of Ural eugeosyncline rocks // Ural Geophysical Bulletin. - 2004. - No. 6. - P. 116-121. Artemieva I. M. The continental lithosphere: Reconciling thermal, seismic, and petrologic data // Lithos. - 2009. - Vol. 109, no. 1/2. - P. 23-46. - DOI: 10.1016/j.lithos.2008.09.015. Artemieva I. M. The continental lithosphere: Reconciling thermal, seismic, and petrologic data // Lithos. - 2009. - Vol. 109, no. 1/2. - P. 23-46. - DOI: 10.1016/j.lithos.2008.09.015. Artemieva I. M., Mooney W. D. Thermal thickness and evolution of Precambrian lithosphere: A global study // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. - 2001. - Vol. 106, B8. - P. 16387-16414. - DOI: 10.1029/2000jb900439. Artemieva I. M., Mooney W. D. Thermal thickness and evolution of Precambrian lithosphere: A global study // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. - 2001. - Vol. 106, B8. - P. 16387-16414. - DOI: 10.1029/2000jb900439. Cermak V., Bodri L., Rybach L., et al. Relationship between seismic velocity and heat production: comparison of two sets of data and test of validity // Earth and Planetary Science Letters. - 1990. - Vol. 99, no. 1/2. - P. 48-57. - DOI: 10.1016/0012-821x(90)90069-a. Cermak V., Bodri L., Rybach L., et al. Relationship between seismic velocity and heat production: comparison of two sets of data and test of validity // Earth and Planetary Science Letters. - 1990. - Vol. 99, no. 1/2. - P. 48-57. - DOI: 10.1016/0012-821x(90)90069-a. Crough S. T., Thompson G. A. Thermal model of continental lithosphere // Journal of Geophysical Research. - 1976. - Vol. 81, no. 26. - P. 4857-4862. - DOI: 10.1029/jb081i026p04857. Crough S. T., Thompson G. A. Thermal model of continental lithosphere // Journal of Geophysical Research. - 1976. - Vol. 81, no. 26. - P. 4857-4862. - DOI: 10.1029/jb081i026p04857. Gordienko V. V., Pavlenkova N. I. Combined geothermal-geophysical models of the earth’s crust and upper mantle for the European continent // Journal of Geodynamics. - 1985. - Vol. 4, no. 1-4. - P. 75-90. - DOI: 10.1016/0264-3707(85)90053-5. Gordienko V. V., Pavlenkova N. I. Combined geothermal-geophysical models of the earth’s crust and upper mantle for the European continent // Journal of Geodynamics. - 1985. - Vol. 4, no. 1-4. - P. 75-90. - DOI: 10.1016/0264-3707(85)90053-5. Khutorskoi M. D., Polyak B. G. Role of radiogenic heat generation in surface heat flow formation // Geotectonics. - 2016. - Vol. 50, no. 2. - P. 179-195. - DOI: 10.1134/s0016852116020047. Khutorskoi M. D., Polyak B. G. Role of radiogenic heat generation in surface heat flow formation // Geotectonics. - 2016. - Vol. 50, no. 2. - P. 179-195. - DOI: 10.1134/s0016852116020047. Kukkonen I. T., Golovanova I. V., Khachay Y. V., et al. Low geothermal heat flow of the Urals fold belt - implication of low heat production, fluid circulation or palaeoclimate? // Tectonophysics. - 1997. - Vol. 276, no. 1-4. - P. 63-85. - DOI: 10.1016/s0040-1951(97)00048-6. Kukkonen I. T., Golovanova I. V., Khachay Y. V., et al. Low geothermal heat flow of the Urals fold belt - implication of low heat production, fluid circulation or palaeoclimate? // Tectonophysics. - 1997. - Vol. 276, no. 1-4. - P. 63-85. - DOI: 10.1016/s0040-1951(97)00048-6. Ladovskii I. V., Martyshko P. S., Tsidaev A. G., et al. A Method for Quantitative Interpretation of Stationary Thermal Fields for Layered Media // Geosciences. - 2020. - Vol. 10, no. 5. - P. 199. - DOI: 10.3390/geosciences10050199. Ladovskii I. V., Martyshko P. S., Tsidaev A. G., et al. A Method for Quantitative Interpretation of Stationary Thermal Fields for Layered Media // Geosciences. - 2020. - Vol. 10, no. 5. - P. 199. - DOI: 10.3390/geosciences10050199. Martyshko P., Ladovskii I., Byzov D. Parallel Algorithms for Solving Inverse Gravimetry Problems: Application for Earth’s Crust Density Models Creation // Mathematics. - 2021. - Vol. 9, no. 22. - P. 2966. - DOI: 10.3390/math9222966. Martyshko P., Ladovskii I., Byzov D. Parallel Algorithms for Solving Inverse Gravimetry Problems: Application for Earth’s Crust Density Models Creation // Mathematics. - 2021. - Vol. 9, no. 22. - P. 2966. - DOI: 10.3390/math9222966. Martyshko P. S., Ladovskii I. V., Byzov D. D., et al. On solutions of forward and inverse problem for potential geophysical fields: Gravity inversion for Urals region // Application of Mathematics in Technical and Natural Sciences: 11th International Conference for Promoting the Application of Mathematics in Technical and Natural Sciences - AMiTaNS’19. - AIP Publishing, 2019. - DOI: 10.1063/1.5130870. Martyshko P. S., Ladovskii I. V., Byzov D. D., et al. On solutions of forward and inverse problem for potential geophysical fields: Gravity inversion for Urals region // Application of Mathematics in Technical and Natural Sciences: 11th International Conference for Promoting the Application of Mathematics in Technical and Natural Sciences - AMiTaNS’19. - AIP Publishing, 2019. - DOI: 10.1063/1.5130870. Rybach L., Buntebarth G. Relationships between the petrophysical properties density, seismic velocity, heat generation, and mineralogical constitution // Earth and Planetary Science Letters. - 1982. - Vol. 57, no. 2. - P. 367-376. - DOI: 10.1016/0012-821x(82)90157-1. Rybach L., Buntebarth G. Relationships between the petrophysical properties density, seismic velocity, heat generation, and mineralogical constitution // Earth and Planetary Science Letters. - 1982. - Vol. 57, no. 2. - P. 367-376. - DOI: 10.1016/0012-821x(82)90157-1.