Автор: Цветков Ю. П.

Доктор физико-математических наук Ю.П. ЦВЕТКОВ, заведующий сектором Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН,

доктор физико-математических наук Н.М. РОТАНОВА, заведующая лабораторией того же института

Несмотря на бесспорные и выдающиеся достижения в области глубинной геодинамики, многие вопросы, связанные с внутренним строением нашей планеты, ждут своих исследователей. Решение их не будет легким - непосредственно проникнуть в земные недра практически невозможно. Поэтому большое значение имеют геофизические исследования: сейсмологические, магнитотеллурические и др., основывающиеся на интерпретации геофизических полей. Но, как это ни парадоксально, наши представления о составе пород и процессах, происходящих в нижних слоях земной коры, остаются в значительной мере гипотетическими. Один из наиболее информативных в этом плане геофизических подходов, возможности которого до сих пор реализуются далеко не в полной мере, - использование магнитных полей Земли.

АНОМАЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Существуют три геомагнитных поля, образованных разными источниками. Первое - главное, или нормальное (в пределах 20-60 x 10 ³ нТл), генерируемое токами в жидкой части ядра Земли. Расположение именно его силовых линий фиксируют компасы. Второе - переменное, оно порождается токами в ионосфере и магнитосфере. Типичное его проявление - магнитные бури. Для умеренных широт значения солнечно-суточных вариаций -30 нТл, а возмущенных (магнитных бурь) 100-1000 нТл. И наконец - аномальное. Последнее существует благодаря намагниченности земной коры по всей ее толщине (-40 км), а нижележащие горные породы уже немагнитные. Поэтому среди физических полей континентов и океанов аномальное магнитное поле одно из наиболее информативных для изучения внутреннего строения земной коры. Среднее его значение -200 нТл, а в крупных магнитных аномалиях поля превышают 1000 нТл (например, в Курской магнитной аномалии - 10 ³ -10 ⁴ нTл).

Эта, казалось бы, сугубо фундаментальная проблема имеет вполне реальные прикладные аспекты. Глубинная структура играет не последнюю роль в распределении полезных ископаемых и в поверхностном слое земной коры; кроме того, не в таком уж далеком будущем человечеству в поисках минерального сырья придется проникать все глубже и глубже в земную кору.

Но как изучать аномальное поле? Для его исследования нужен богатый экспериментальный материал, получаемый во время наземных, аэромагнитных и спутниковых съемок. При аэромагнитных съемках из-за недостаточной высоты полетов (0,5-3 км) поверхностные источники магнитных полей подавляют сигналы, идущие из глубинных областей коры. К тому же съемки проводятся на ограниченных площадях, на неодинаковых уровнях и в разное время. Увязать все эти данные и получить региональную карту, отображающую поля глубинных источников, трудно, если вообще возможно. Ведь аномальное магнитное поле не стационарно, к тому же оно имеет еще и так называемый вековой ход.

стр. 48

Заметный вклад в изучение аномального магнитного поля Земли внесли спутниковые съемки. Начиная с 60-х годов данные советских спутников "Космос-49 и -321", американских POGO-2, -4, -6 и MAGSAT (1980) существенно изменили наше представление о пространственной структуре аномальных полей.

При изучении строения нижней части коры магнитными методами важно иметь данные, полученные с аппаратов, которые работают на высотах 20-40 км, равных вертикальной мощности земной коры. В этом случае сигналы с глубины не заглушаются сигналами поверхностных источников, и аномальное магнитное поле проходит естественный процесс фильтрации и формирования своей структуры. И тут сама природа пришла на помощь исследователям. Дело в том, что в атмосфере Земли на высотах свыше 20 км существуют устойчивые воздушные течения вдоль параллелей. Идеальный летательный аппарат, приспособленный для полетов в таких условиях, - свободный аэростат.

Так, французские исследователи подготовили и провели почти кругосветный полет аэростата с магнитометром от Южной Африки до Австралии (через Южную Америку). Японцы практикуют полеты вокруг Антарктиды. Но несмотря на то, что полеты аэростатов, выполненные французскими и японскими специалистами, были предназначены для изучения аномальных магнитных полей, на наш взгляд, научная значимость их минимальна. При использовании единственного магнитометра практически невозможно решить задачу разделения магнитных полей и надежно выделить аномальное поле.

Как же получить аномальное магнитное поле в "чистом виде", как отделить от него переменное и главное? Мы предложили с помощью двух датчиков, установленных на одном аэростате, но на разной высоте, изменять как само поле, так и его градиенты. Так как источники переменного магнитного поля расположены на большом расстоянии от уровня измерения, то на оба датчика оно влияет одинаково. А источники в земной коре - ближе, поэтому и возникает разность магнитных полей, градиент. Главное же магнитное поле исключается математическим моделированием. Если главное поле отличается от модельного примерно на 20 нТл, то его пространственные градиенты практически совпадают с модельными. Это позволяет строго выделять аномальные магнитные градиенты из определенных в стратосфере полей, что способствует их надежной геологической и геофизической интерпретации.

МАГНИТНЫЕ ГРАДИЕНТЫ ИЗМЕРЯЮТ С АЭРОСТАТОВ

В нашем институте накоплен огромный опыт выполнения аэростатных градиентных магнитных съемок, не имеющих аналогов в мировой практике. Пройдены этапы измерения вертикальных магнитных градиентов двумя магнитометрами - сначала на базе в 1, а затем 2 км. Впервые в мире разработана и разрешена для эксплуатации на борту больших стратосферных дрейфующих аэростатов система из трех магнитометров, разнесенных на 4, а потом на 6 км. При этом реализован надежный способ автоматического развертывания системы при всплытии аппарата.

В рабочем состоянии аэростатный магнитный градиентометр представляет собой систему из трех автономных протонных (ядерно-прецессионных) магнитометров (основанных на прецессии ядер водорода в земном магнитном поле), равномерно разнесенных по вертикали и буксируемых на высотах 26, 28 и 30 км.

Основная трудность работы подобных систем состоит в спуске и особенно в подъеме промежуточной связки контейнер- датчик. В данном эксперименте не требуется поднимать контейнеры с приборами обратно в корзину аэростата. Это позволяет найти оригинальное решение системы автоматического развертывания градиентометра, а при посадке аппарата раздельно проводить на собственных парашютах приземление основной подвески и ее выносной части. Определение координат аэростата в полете осуществляется устройством, состоящим из приемника и накопителя навигационных данных.

Аномальное магнитное поле хранит много загадок. В последнее время во всем мире интенсивно изучаются длинноволновые (от 500 до 3000 км) магнитные аномалии. До сих пор мало известно об их источниках, хотя существование таких аномалий, по аэростатным и спутниковым данным, не вызывает никакого сомнения. Над территорией России проведено много аэростатных полетов, один из первых выполнен еще в 1975 г. в районе Курской магнитной анома-

стр. 49

Подготовка аэростата к запуску.

лии. В то время для измерения магнитного поля использовался только один протонный магнитометр. Полет позволил совместно со спутниковыми и наземными измерениями понять, как убывает аномальное поле в зависимости от высоты съемки. На высотах =700 км оно даже над Курской аномалией составляет только =3 нТл.

В 80-е годы наступил значительный прорыв в проведении подобных экспериментов. С Камчатки в западном направлении, вдоль параллели 56, запускались аэростаты с двумя, а затем и тремя протонными магнитометрами. Такие полеты позволили получить не только само поле, его вертикальный градиент, но и изменения последнего вдоль вертикали, был вычислен показатель степени убывания аномального поля при удалении вверх от источников.

Возникает вопрос о численных значениях аномального поля, его вертикальном градиенте и погрешностях их представления. Мы показали, что среднеквадратичное значение вертикального градиента аномального поля по всей трассе, проходящей от Камчатки до Урала, составляет 2,5+/- 0,3 нТл/км. Само же аномальное поле здесь оценивается в =50 нТл при погрешности в 20 нТл. Последняя определяется ошибкой модели главного поля. Погрешности, вносимые переменным магнитным полем, небольшие за счет коррекции, при которой использовались данные магнитных обсерваторий, расположенных вдоль трасс аэростатов. Таким образом, как само аномальное поле, так и его вертикальный градиент - величины зна-

стр. 50

Вейвлет-преобразование профиля аномального магнитного поля: вверху - распределение вейвлегных коэффициентов; по вертикали - масштабный коэффициент; по горизонтали - параметр сдвига.

По данным спутников вся динамика аномального поля сосредоточена в нижней части графика, а в верхней - две крупномасштабные детали; внизу - распределение энергетической плотности. Семь крупномасштабных неоднородностей, характеризующих аномальные магнитные поля, отражают реальные тектонические структуры.

чимые, существенно превышающие ошибки их измерения, а вертикальный градиент выделяется более точно, чем само поле.

Мы подошли теперь к наиболее сложной проблеме в исследовании аномальных магнитных полей - природе магнитных аномалий. Практически все методы, применяемые для идентификации источников магнитных аномалий, основываются на результатах их пространственного спектрального анализа. Для его проведения использовались профили аномального магнитного поля, полученные на приземных, стратосферных и спутниковых высотах. Динамические характеристики спектров определены методом узкополосной фильтрации, с основу которого положено выделение гармонических составляющих с помощью адаптивных фильтров. Методика спектрального анализа, основанная на адаптивной фильтрации, позволяет получить не только одномерное, но двумерное и даже трехмерное представление рассматриваемого ряда в спектральной области. Видны не только характерные периоды в спектрах, но и их изменения по всей длине профиля. Длиннопериодные изменения L = 500-3000 км выделяются на всех высотах. Кроме того, магнитные аномалии с такими периодами имеют максимальную интенсивность не по всей длине профиля. Выделяются три области: 60-70 ^о , 120-140 ^о , 150-160 ^о в.д., относящиеся соответственно к районам Урала, Алданского щита и Охотскоморской плиты.

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ

Новое весьма неожиданное решение получило представление аномального поля в частотной области с помощью вейвлет- анализа. На сегодняшний день этот "математический микроскоп" способен дать не только общую структуру рассматриваемого сигнала, но и изучить его локальные особенности. В структуре коэффициентов выделяются различные неоднородности: мелкомасштабные (4-5); долготные (10-12) и, наконец, крупномасштабные (20-30).

На графике распределения плотности энергии выделяются семь крупномасштабных деталей, характеризующих аномальные магнитные поля. Сравнение их с тектонической картой рассматриваемого региона показывает, что они отражают реальные тектонические структуры.

Одна из важных проблем связана с определением глубины верхней и нижней кромок магнитоактивного слоя. Приведем результаты определения границ этого слоя, полученные из спектрального анализа аэростатного профиля магнитного поля над территорией Восточной Сибири. Полученные величины - обобщенные, представляющие статистическую оценку глубин источников аномалий.

Если измерить магнитное поле на разных высотах, как в случае аэростатных градиентных съемок, то полученные магнитные аномалии будут содержать информацию и о глубине их источника. Так, для двух магнитных аномалий Витимского нагорья, рассчитывая глубины их источников, мы использовали те измеренные значения поля и его вертикального градиента, в которых коэффициент затухания не изменялся в диапазоне рассматриваемых высот. Оказалось, что для обеих аномалий это условие выполняется при глубине нижней кромки магнитного слоя около 32 км. Эта величина достаточно хорошо согласуется с данными, полученными спектральным методом. Новый подход позволил построить профиль глубин источников отдельных магнитных аномалий, степень корреляции которого с профилями различных геофизических полей поможет ответить на ряд актуальных вопросов, в частности выяснить роль структурных и термических особенностей земной коры в формировании нижней границы магнитоактивного слоя.

Постоянный адрес данной публикации: