Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Аномальное геомагнитное поле по спутниковым и аэростатным измерениям

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Аномальное геомагнитное поле по спутниковым и аэростатным измерениям"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

I ¡а празах рукописи ' УДК ¿50.382.7

Одцнцов Сергей Дм»грнспич

АНОМАЛЬНОЕ ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПО СПУТНИКОВЫМ И АЭРОСТАТНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ

Специальность 04.00.22 - Физика твердой земли

Автореферат диссертации на соискание учено/! степени кандидата физико-математических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы н распространения радиоволн Российской Академии Наук.

Научные рукоподптелм:

доктор фаз.-ма г. наук, профессор Останова II.M. кандидат техн. наук, с.н.с. Цсстков Ю.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Фи аире в Г. А., ( Институт геоэлектро-мэпштных йсследонашш ОИФЗ РАН, г.Троицк

доктор технических наук, профессор Серкс-рог, СЛ. ( Государственная Академия Нефти и Газа, г. Москва )

Ведущая организация: Московский Государственный Университет

( Геологический факультет МГУ)

Зашита состоится ^...'M.t'kß}.^ 1993 г. х/Р^Флс. на заседании Диссертационного совета ИЗМИРАН по адресу: 142092, г. Троицк Московской области, ИЗМИРАН

(проезд авт. 531 от ст. метро "Теплый Стан", ост. ИЗМИРАН )

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН

Автореферат разослан f.fß/!*.'!^..... 1998 г.

Ученый секретарь ■

Диссертационного совета

доктор физико-математических наук О.П. Коломийцеа

Общая характеристика работы

Современное состояние проблемы и актуальность темы исследования.

Одной из основных задач современной геофизики является проблема создания модели магнитоактивного слоя типичных структур земной коры. Решение этой задачи невозможно без привлечете! данных об аномальном магнитном поле (АМП) Земли как на поверхности, так и в приземном пространстве.

Знание характеристик АМП, его законов изменения с удаленностью от поверхности Земли, с одной стороны, дает нам возможность достаточно квалифицированно решить ряд задач, связанных с геологическим картированием, исследованием вещественного состава подстилающих пород, с другой стороны, позволяет значительно расширить круг изучаемых фундаментальных проблем геомагнетизма - провести прогноз намагниченности континентальной и океанической коры, определить границы крупных тектонических нарушений, найти связь аномальных коровых полей с другими геофизическими полями: гравитационными, тепловыми, сейсмическими, а также определить нижнюю границу магнитоактивных источников аномалий и многое другое.

Если законы изменения поля с ростом высоты для главного магнитного поля Земли хорошо известны и с достаточной точностью определяются формулой Гаусса, то предполагаемые глубины и интенсивности источников АМП в литосфере, а также амплитуда их затухания с изменением высоты наблюдения изучены хуже, особенно для крупных региональных и материковых магнитных аномалий.

Для решения задач, связанных с изучением коровых полей обычно используют данные измерений геомагнитного поля по наземным, морским и аэромагнитным измерениям или картографическим материалам , существенным недостаком которых являются ошибки, происходящие из-за состыковок ограниченных в пространстве измерений, зашумленности выделяемых полей высокоинтенсивными локальными аномалиями, а также их крайне неравномерным распределением на земной поверхности. Это не только искажает выделение региональных аномалий, но и вносит ложные аномалии в результаты обработки.

Здесь существенную помощь оказывают спутниковые, аэростатные и высотные аэромагнитные съемки. Особый интерес, конечно, вызывают спутниковые измерения геомагнитного поля, которые были начаты с запуском в мае 1958 года советского ИСЗ Спутник-3 и эпизодически продолжают проводиться по настоящее время.

Преимущества спутниковых магнитных съемок очевидны. Это глобальное покрытие большой части территории Земли за относительно короткий интервал времени, что освобождает интерпретатора от задач приведения поля к единому уровню, различных состыковок полученных аномальных полей по различным районам, приведение карт к одной эпохе и т.п., что часто делается при наземных и аэромагнитных съемках.

К сожалению, есть и свои трудности в обработке спутниковых данных.Существует непростая задача разделения измеряемого на спутнике поля на магнитные поля от магнитосферного и ионосферного токовых источников , токи которых протекают выше и ниже орбиты спутника соответственно ( например, для спутника Магсат). Немаловажное значение имеет для выделения аномального магнитного поля и высота орбиты спутника . Так, например, высота наблюдения поля соизмерима с выделяемой длиной волны АМП, поэтому чем ниже высота орбиты, тем

выше частота выделяемого поля, и, следовательно, более подробно можно построить поле земной коры.

Тем не менее, проблемы, связанные с обработкой спутниковой информации решаются, а задача выделения, обработки и исследования аномального магнитного поля с использованием новых высокоточных измерений геомагнитного поля, полученных специальным американским спутником Магсат, представляется актуальной и перспективной , обеспечивая сеть наблюдений поля, равномерно распределенную практически над любой территорией земного шара.

Цели исследования.

Основная цель настоящей работы - используя первичные материалы американского спутника Магсат, аэромагнитные и аэростатные данные с учетом наземных картографических материалов съемок, исследовать структуру и найти обобщенные закономерности аномального магнитного поля земной коры, особенно его региональной компоненты и применить эти характеристики к проблеме исследования глубинного строения литосферы.

При этом решались следующие задачи.

- Разработка методики выделения магнитных аномальных полей из спутниковых и аэростатных измерений и проверка их достоверности.

- Построение по полученным данным карты магнитного аномального поля на примере территории Европы и прилегающих регионов.

- Создание модели аномальных магнитных полей, полученных из данных спутника Магсат на основе гармонического разложения на поверхности сферического сектора.

- Совместный анализ аэромагнитных, аэростатных и спутниковых данных об аномальном поле в классе региональных моделей для целей интерпретации и изучения глубинного строения литосферы .

На защиту выносятся следующие положения.

1. Магнитные аномальные поля, полученные по скалярным и векторным измерениям спутника Магсат для Европы и прилегающих территорий, вполне пригодны для регионального изучения глубинного строения Земли и обладают рядом преимуществ по сравнению с наземными и аэромагнитными наблюдениями.

2. Аналитическая модель коровых полей, полученная из данных спутника Магсат и разработанная с использованием гармонического разложения на поверхности сферического сектора для территории Европы, позволяет получить 3-х мерную пространственную структуру АМП на разных высотах полета спутника и выполнить ее анализ для рассматриваемой территории.

3. Результаты впервые проведенного совместного анализа данных спутниковых, стратосферных и аэромагнитных съемок по профилю в районе Курской магнитной аномалии, позволили корректно решить прямую задачу, оценить затухание АМП и утверждать в рамках модели, что источниками аномалии могут быть высокомагнитные породы, расположенные в верхнем 10 км слое земной коры.

Научная новизна и практическая значимость работы.

До настоящего времени у нас в России не было сделано практических попыток построения по первичным измерениям магнитного поля на спутнике Магсат аномального магнитного поля Земли, хотя многие исследователи использовали уже опубликованные по этим данным карты аномального магнитного поля. Необходимо отметить, что опубликованные карты мало пригодны для геолого-геофизической интерпретации, так как они даются только в цветном или черно-белом изображении без численных значений. Все это не позволяет только из публикаций широко применять уникальные данные спутника Магсат при решении проблем, связанных с аномальными магнитными полями.

В диссертационной работе впервые продемонстрировано совместное использование данных градиентных магнитных съемок на стратосферных высотах и магнитных измерений на спутнике Магсат , что позволило надежно выделить практически весь спектр аномального поля, а также подтвердить достоверность полученных скалярных и векторных карт магнитных аномалий. Построенная аналитическая модель аномальных магнитных полей достаточно хорошо описывает исходные поля. Среднеквадратическое отклонение наблюденных и рассчитанных полей составляет 1-2 нТл. Такая модель позволила построить и провести анализ карт аномального поля для всех компонент на спутниковых высотах 300,400 и 500 км. Приведенные исследования показывают широкие перспективы практического использования данных спутника Магсат в задачах исследования региональных аномалий.

Реализация работы.

Работа выполнена в лаборатории Главного магнитного поля Земли Отделения Магнетизма Земли и планет ИЗМИРАН по плану научно-исследовательских работ, проводимых в рамках темы " Использование данных спутниковых магнитных съемок для комплексного изучения Земли и процессов в ее магнитосфере" (ГР01.9.20019230).

Апробация результатов и публикации.

Основные результаты исследования, составившие содержание диссертации, были представлены на Международном Семинаре по палеомагнитному изучению Гималайско-Каракорумского пояса складчатости и окружающей территории (Исламабад, Пакистан, 20-21 ноября 1996 г.) , доложены на очередном Европейском Геофизическом Союзе ( Вена, Австрия, 10-21 апреля 1997 г. ), на 8 научной Ассамблее 1АОА ( Уппсала, Щвеция, 4-16 августа 1997 г.), на Российско-Индийском

симпозиуме (Россия,1997 г.) и на научных семинарах , Ученом Совете ИЗМИРАН. По теме диссертации опубликовано 18 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, общим объемом 122 машинописных страницы, содержит 29 рисунков и 2 таблицы. В списке цитируемой литературы 98 наименований.

Диссертация выполнена под руководством профессора Н.М. Ротановой и старшего научного сотрудника, канд. техн. наук Ю.П. Цветкова, которым автор глубоко признателен за постоянное внимание и неоценимую помощь на всех этапах работы - от постановки задач и до подготовки диссертации к защите. Хотелось бы также поблагодарить всех сотрудников лаборатории за ценные замечания и полезные советы во время работы над диссертацией. Автор также благодарит за помощь в оформлении диссертации Л.И. Яковлеву и Н.И. Волкову.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируется цель работы и решаемые для ее достижения задачи, приводятся сведения о научной новизне, практической значимости и апробации полученных результатов.

Глава 1. Применение повысотных геомагнитных измерений для вьщеления аномальных магнитных полей (обзор).

Аномальное магнитное поле отражает ту часть геомагнитного поля , которая связана с влиянием намагниченности горных пород верхней оболочки Земли.

Существуют карты АМП, построенные по наземным, морским и аэромагнитным измерениям для различных регионов Земли ( территория бывшего СССР, США, Китая, Японии, стран Западной Европы), а также по обширным акваториям морей и океанов . Большинство из них построены по данным съемок 60-х и 70-х годов и отражают технический уровень тех лет. Погрешности координатной привязки, приведения за вариации и за вековой ход позволяют оценить среднюю ошибку карт аномального поля в 10-20 нТл для масштаба 1:1000000 и более мелкомасштабных.

Уникальные возможности изучения геомагнитных полей дали измерения на спутнике Магсат, где впервые были получены не только скалярные, но и векторные значения магнитного поля, представляющие большой интерес как для исследований в области аномальных магнитных полей, так и для изучения главного и переменного полей.

Экспериментальные данные Магсат вызвали всплеск большого числа работ ( более 400 ) , но непосредственно проблемам выделения аномальных значений и построению магнитных аномальных полей посвящено не более 15.

В создании карт выделяются два основных направления - построение глобальных ( по всей охваченной спутником территории ) и региональных карт. В свою очередь, глобальные аномальные карты строят, используя два основных подхода. Первый подход связан с применением методики сферического гармонического анализа измеренного магнитного поля и последующего использования гармоник поля определенной степени и порядка для представления магнитных аномалий. Это работы Аркани-Хамеда, Кейна и совсем недавняя совместная работа американских геофизиков Лангела, Аркани-Хамеда и Пурукера. Второй подход основан на применении разных схем и методик по непосредственному выделению поля аномалий из суммарного магнитного поля, полученного на спутнике, путем

последовательного вычитания магнитных полей как от внешних, так и от внутренних источников (Лангел, Ашаш и Кохен, Янагисава и Коно). Второй подход применяют и для построения региональных карт спутниковых аномалий (Тейлор и Фравей, Рават, Реган, Ридгвей и Хайнс).

Все опубликованные до настоящего времени глобальные карты спутниковых магнитных аномалий в общих чертах совпадают между собой, сохраняя характерные особенности аномального магнитного поля литосферы. Большая часть выделяемых аномалий коррелирует с хорошо известными геологическими структурами.

Полученные карты ( как скалярные, так и векторные ) имеют ограниченную разрешимость и могут дать лишь представление первого порядка об описании региональных аномалий. Кроме того, глобальные спутниковые аномальные магнитные карты значительно теряют детализацию при изучении аномальных полей отдельных регионов (особенно при использовании гармоник поля) . Несмотря на проделанные многочисленные исследования по удалению остаточных полей, связанных с ионосферными токовыми полями, до сих пор не удалось провести достаточно точное их разделение. Поэтому встает вопрос о необходимости разработки методики их разделения , построения аномальных карт над отдельными регионами, которые лишены недостатков глобальных аномальных магнитных карт и, в конечном случае, проведения их геолого-геофизического анализа .

Глава 2. Экспериментальные данные спутника Магсат и методика их обработки для выделения коровых полей.

Спутник Магсат был выведен 30 октября 1979 года на синхронизированную по Солнцу орбиту с наклоном 96,76°, перигеем 352

и апогеем 561 км и проработал семь с половиной месяцев до 11 июня 1980 года.

Магсат был разработан и сконструирован Джонсом Хопкинсом и состоял из двух независимых модулей - приборного и основного (тепловая и механическая изоляция оптических систем приборного модуля уменьшала влияние различных помех от основного модуля).

Приборный модуль состоял из систем определения положения спутника, системы определения осей векторного магнитометра и собственно векторного и скалярного магнитометров, расположенных на инструментальной платформе на конце шестиметровой магнитометрической штанги. Основной модуль содержал обычные сопровождающие системы, такие как система солнечных батарей, система контроля положения магнитной катушки, система телеметрической связи и многоканальный магнитофон, позволяющий непрерывно собирать всю получаемую спутником информацию.

Квантовый скалярный и феррозондовый векторный магнитометры позволяли измерять полное поле с точностью до 2 нТл, а каждую компоненту - до 6 нТл. Две звездные камеры, высокоточный солнечный датчик и гироскоп обеспечивали определение координат точки измерения до 1-20 арк-сек. Высота полета спутника при записи измерений изменялась от 300 до 500 км.

Магсат был запущен в сумерки специальным образом: угол наклона орбиты, близкий к 90°, обеспечивал движение спутника практически вдоль меридиана, так что каждый восходящий полувиток, называемый проходом, относится к вечерним часам по местному времени (18 ЦТ ), а каждый нисходящий - к утренним ( 6 ЬТ ). В то же время небольшое смещение каждого последующего витка вдоль экватора на первые единицы градусов позволило практически полностью до широт 80° покрыть Земной шар сетью измерений магнитного поля.

Известно, что поле , измеряемое спутником, складывается из нескольких составляющих:

- главное поле, источник которого связан с ядром Земли;

- поле магнитосферного происхождения, источником которого является кольцевой ток;

- ионосферная часть поля, обусловленная ионосферными токовыми системами;

- индукционные поля, возникающие из-за возбуждения внешними полями токов в проводящей Земле;

- и , собственно, аномальное магнитное поле.

Необходимость изучения АМП на спутниковых высотах ставит перед нами одну из главных задач в обработке спутниковых данных- корректное разделение измеренного поля на отдельные составляющие.

Из опыта использования в задачах разделения на главную и аномальную составляющие геомагнитного поля известно, что выделение главного поля из спутниковых измерений хорошо описывается сферической гармонической моделью Магсат (4/81), развитой до 13 гармоник. По общеизвестным формулам рассчитывались синтезированные поля в точках измерения спутника, которые и исключались из наблюдаемого поля.

Следующий этап обработки разностных полей АХ, Ы., ДТ , полученных после вычитания из наблюденных значений главного поля, связан с выделением части поля, связанной с магнитосферной и индукционной составляющими. Из опыта использования в задачах магнито-вариационного зондирования геомагнитных бурь, источником которых является кольцевой ток, известно, что эта часть поля как индуцирующая ( поле кольцевого тока) , так и индуцируемая, описывается, главным образом, первой зональной сферической гармоникой. Было показано, что для рассматриваемых данных такое предположение справедливо практически во всем исследуемом частотном диапазоне.

В этом случае ( п=1, гп=0 ) общие формулы СГА представления потенциального поля, имеющего как внешние, так и внутренние по отношению к точке наблюдения источники, сводятся к простому виду:

,3"

6Х =

62 =

5ш0

0)

созО

где 5Х,8г - разностные поля, полученные после вычитания из наблюденных значений главного поля. Неизвестные коэффициенты Е?Д? находятся методом наименьших квадратов для каждого полувитка и

С0

условно относятся к моменту пересечения спутником экватора, с,, -

представляет внешнюю индуцирующую, а ^ -внутреннюю

индуцированную часть поля.

После исключения магнитосферных и индукционных полей анализ оставшейся части поля между близкими витками по своим координатам показал существенные различия, которые, естественно, приписать изменчивости ото дня ко дню спокойных солнечно-суточных вариаций ионосферной токовой системы. Эта часть поля по амплитуде примерно такая же, как и амплитуда аномального магнитного поля и поэтому их разделение представляет наибольшую трудность.

Было предложено несколько методов решения этого вопроса, которые сводятся к выбору аналитического выражения для описания части магнитного поля, связанного с ионосферной токовой системой. В качестве таких выражений чаще всего используют линейные или параболические тренды, где неизвестные коэффициенты определяются методом наименьших квадратов вдоль каждого витка, либо строится так называемая

называемая модель "средней ионосферы", полученные значения которой затем вычитаются из разностных полей для каждого витка.

В диссертации использовано несколько вариантов исключения остаточных магнитных полей, связанных с ионосферной токовой системой:

а) центрирование разностных полей по всем компонентам в соответствии со следующим аналитическим выражением:

AZft = дг-|^х2 + В;х + С^ (2)

где A j = В j = 0, Cj = const .

Здесь на примере Z-компоненты показана аналитическая формула представления остаточного поля, связанного с ионосферной токовой системой, причем i подстрочный индекс, указывает номер соответствующего витка. Аналогичным образом определялись и другие компоненты поля;

б) исключение линейного тренда из значений поля каждого витка в соответствии с приведенным аналитическим выражением , где коэффициенты для вычисления всех компонент могут быть записаны следующим образом: А; = О, НО В; = const[ И С; =const2 ;

в) исключение части поля, связанной с построением среднего линейного тренда для всей рассматриваемой территории по аналогичному алгоритму, но коэффициенты вычислялись следующим образом:

А;=0. НО В5=(Г)|В; , С5=(1)|с;

Полученные остаточные магнитные поля, из которых были исключены части, связанные с главным геомагнитным полем, магнитосферной и индукционной составляющей, а также с ионосферными токовыми источниками для заданной территории, затем использовались для

построения карт аномального поля. Для этого вся территория была разделена на ячейки размером 2°х2° и 1°х1° градус, в которых вычислялись среднее значение и погрешность измерений. Дополнительно в каждом блоке проводилось сравнение измеренных величин остаточного поля с утроенным значением среднеквадртического значения для ячейки с целью удаления выбросов поля, связанных с ошибками измерения. Новые средние значения магнитного поля, полученные в каждой ячейке, использовались для окончательного построения карт аномального магнитного поля.

Вышеприведенная процедура обработки данных параллельно применялась как к утренним, так и к вечерним полувиткам спутника, причем измерения выбирались в спокойные в магнитном отношении периоды работы спутника, когда кр 2 2.

Приведенный анализ разности среднеквадратических значений карт, построенных по двум независимым наборам данных показал, что расхождения между картами соответствующих компонент являются минимальными, когда использовался вариант исключения остаточных полей, связанных с ионосферными токовыми источниками , в виде линейного тренда по каждому витку. Хорошее совпадение этих карт по двум независимым наборам данных свидетельствовало об их надежном методе выделения аномальных значений, который и был принят за основу.

Глава 3. Аномальное магнитное поле по градиентным измерениям на стратосферных высотах и аэромагнитным съемкам.

Одной из существенных задач изучения АМП является определение закономерностей затухания его интенсивности с высотой при удалении от источников поля.

Сравнение результатов аэромагнитной съемки с картографическими материалами показывает некоторое загрубление последнего по отношению к непосредственно измеренному. Также пересчет поля на разные высотные уровни (аэростатные и самолетные высоты) по тем же причинам существенно искажает выделение региональных аномалий.

В этом отношении очень важными являются аэростатные модульные измерения геомагнитного поля, проводимые в ИЗМИРАН, а также впервые полученные вертикальные градиентные измерения на стратосферных высотах вдоль протяженных континентальных профилей.

В результате обработки геомагнитных измерений на аэромагнитных, стратосферных и спутниковых высотах были получены профили аномального магнитного поля, его вертикального градиента по ряду субширотных трасс. Совместный анализ профильных данных показал эффективность градиентной съемки для геофизической интерпретации поля магнитных аномалий.

Получена закономерность убывания интенсивности аномального магнитного поля с ростом высоты съемки на основе разновысотных измерений поля. Показано, что такую закономерность можно выразить степенной зависимостью затухания аномальных полей с высотой в виде:

¥(Ь) = Кх-1- , (3)

Ьп

где К - коэффициент пропорциональности, определяемый из начальных условий, Ь - расстояние до источника аномалий, п - показатель степени затухания поля.

Измерения геомагнитного поля на стратосферных высотах тремя магнитометрами, равномерно разнесенными по вертикали в пределах 4-х км над конкретной аномалией показали, что на таком расстоянии между датчиками поля вполне возможно количественно с высокой

степенью достоверности оценить показатель степени затухания поля. Для данного эксперимента п=1,3.

Таким образом, зная точно эту зависимость У(Ь) , можно в первом приближении рассчитать величину магнитных аномалий на разных высотах я форму аномалеобразующего тела.

Для Курской магнитной аномалии показано, что на спутниковой высоте она формируется, в первую очередь, зк счет источника, размещенного в верхнем 10-и километровом слое земной коры в виде полосы, шириной ~ 80 км.

В целом, полученные аномальные магнитные поля, выделенные по аэростатным измерениям, подтверждают правильность выделения спутниковых аномалий, что, в свою очередь, указывает на их принципиальную возможность использования в задачах исследования региональных аномалий.

I

Глава 4. Аномальное магнитное поле на спутниковых высотах и его интерпретация для Европы и прилегающих территорий.

Целью этой главы является: а) построение карт аномального магнитного поля по непосредственным измерениям спутника Магсат; б) сопоставление полученных аномальных полей с другими геофизическими полями и их геофизическая интерпретация, в) создание модели аномальных полей с помощью сферического гармонического секторного анализа ( " кап-анализ"); (

Используя вышеизложенную методику обработки спутниковых данных в главе 2 , нами были получены карты аномального магнитного поля для скаляра и всех его компонент для Европы и прилегающей территории.

В соответствии с методикой было отобрано соответственно 665 и 595 витков за весь период работы спутника для утренних и вечерних

проходов спутника. Для минимизации вклада от магнито-ионосферных токовых источников были использованы только те витки, для которых индекс геомагнитной активности не превышал двух, Кр^2. С целью

исключения влияния полярных и экваториальных токовых систем мы

ограничились рассмотрением измеренных величин в пределах широт от

(

50И ДО 60°N , а в долготной области - ОТ 20°ДО 70® Е.

Пример пространственной структуры аномального поля для

скаляра та и вертикальной компоненты га показан на рис. 1 и 2

соответственно (для утренних массивов, сетка осреднения 2° х 2° градуса, изолинии проведены через 2 нТл).

Полученные таким образом карты АМП тщательно исследовались на их надежность. Для этого были построены карты АМП по одной и той же методике, но для двух независимых наборов данных - по утренним и вечерним измерениям спутника. Такое сравнение показало, что структура аномальных полей практически идентична на обеих картах. Различия полученных скалярных карт с такой же картой, но полученной путем синтеза по компонентам, показали, что их среднеквадратическая разность меньше для карт, построенных по утренним проходам спутника , чем для карт, построенных по вечерним проходам. Поэтому, в дальнейшем предпочтение было отдано анализу карт, построенных по утренним проходам спутника. Точность среднего значения такой карты составляла около 1.0 нТл. )

По полученным картам выделяется ряд положительных и отрицательных аномалий, коррелирующих с глобальными и региональными тектоническими структурами, а также с другими геофизическими полями. Для Африканской территории эти аномалии выделяются на западном побережье и в северной части этого региона, амплитуда которых на спутниковых высотах составляет 7-10 нТл. В пределах Европейской платформы выделяются три положительных и две

Рис. I

I

Рис. 2

отрицательных аномалии. Такими аномалиями являются: Курско-Балтийская положительная аномалия, имеющая на высоте спутника ~ 15-26 нТл, Камско-Эмбенская также положительная аномалия с амплитудой ~ 10 нТл. Отрицательные аномалии - Центрально-Европейский минимум в пределах эпигерцинской платформы и Прикаспийская аномалия, достигающие ~ 10 нТл. »

Европейский континент является сложным регионом, поэтому достаточно трудно выполнить однозначно геофизическую интерпретацию наблюдаемых магнитных аномалий. В магнитном поле, прежде всего, проявляются два крупных образования земной коры: дорифейской (древней) и послерифейской (более молодой). Так называемая линия Торнквиста-Тейссера представляет главный разрыв в Европейской тектонической структуре. Разным Европейским платформам отвечают и разные структуры аномальных магнитных полей. Наиболее сложными по составу и дифференцированное™ являются аномальные поля для ВосточноЕвропейской дорифейской платформы. Аналогичное разделение Европейского континента на отдельные платформы обнаруживается также в распределении глубин до границы Мохо и в экспериментальных данных теплового потока. Известно, что в пределах древней платформы средний фон теплового потока низкий. Это в сочетании с большой мощностью коры и глубоким положением изотермической поверхности Кюри магнетита обуславливает значительно большую мощность магнитоактивного слоя, чем в более молодых регионах.

Что касается Центральной и Западной платформы, то отсутствие здесь положительных аномалий отражается в высоком значении теплового потока и уменьшении мощности магнитоактивного слоя земной коры. Таким образом, сопоставление Европейских платформ разных возрастов, толщины коры, ее разломов отражаются в

изменениях аномального поля и его пространственном градиенте на высотах спутника Магсат.

Совместный анализ магнитных данных, данных теплового потока и глубин до границы Мохо приводят к выводу о наличии нескольких источников таких аномалий. В первую очередь, такими источниками являются латеральные вариации температур однородного слоя литосферы и соответственно изменение глубины до изотермической поверхности Кюри магнетита. Температура Кюри магнетита (~ 580 С°) отмечается на глубине ~ 40 км и таким образом является важным фактором для молодых образований, где глубина до границы Мохо небольшая ( например, Альпы) или для современных структур, где тепловой поток достаточно высокий. Для древней платформы толщина коры больше 40 км, тепловой поток достаточно низкий, поэтому и температура Кюри магнетита определяется на больших глубинах.

Другим не менее важным источником спутниковых магнитных

(

аномалий являются латеральные вариации состава магнитных минералов. Наибольшую роль здесь имеет намагниченность нижней части коры, как источник спутниковых магнитных аномалий. Известно, что намагниченность этой части коры в основном определяется такими минералами как ульфошпинели и ильмениты, которые хотя и являются слабомагнитными, но при окислении могут иметь намагниченность в 5-10 раз большую, чем намагниченность пород верхней части земной коры (Пашкевич и др., 1994). Не исключено, что источником отдельных магнитных аномалий является совместное действие обоих вышеназванных факторов - изменение температуры, а соответственно и толщины магнитоактивного слоя и изменения состава магнитных минералов.

Также в этой главе приводится модельное представление спутниковых аномалий, описывающих 3-х- мерную структуру аномального поля, выделенного из данных Магсатадля

рассматриваемой территории. Для создания такой модели поля используется гармонический анализ на поверхности сферического сектора, методика которого разработана Хейнсом ( 1985 г.).

Гармоническое разложение аномального поля в координатах сферического сектора имеет следующих вид:

Sax К fRVk(m)+2rm .m. ^<U(COS0)

v шах k fR^ ' f m , tm . ЛипкпГ

Xa= Z I — I g™cosmA. + hk sinmA.1-*--

k = 0m = 0* V de

Kmax к (R4nk(m) + 2 ' m N m

Za= I E (nk(m) + I) - gjPcosmX+hPsinmX P"1, .(cos9),

k = 0 m = 0 4 J nk^

где Ек\ьк1 неизвестные коэффициенты гармонической модели для

сферического сектора. Их максимальное число составляет (кт + 1)2 и

находятся они методом наименьших квадратов. ^(щ^005®)

присоединенные функции Лежандра степени пк(т) и порядка т. При этом порядок ш целочисленный, а значения степени пк(т) являются корнями следующих уравнений:

Р™^т^(ак0о)=о, при (к-т) - нечетной

с!Рт , .(СОБво)

и —-——-= 0, при (к-т) - четной величин (5)

Для вычисления скалярного поля Та из векторных значений было использовано выражение:

т:=ЬпХа+1ш-уа+Ьп.2 (6)

3 Вт 3 Вт 3 Вт а' (

Гармоническая модель строилась в пределах Европейского региона и окружающей его территории для широты и долготы, изменяющихся в таких пределах: <р = б°+б00мд=90\Уч-700Е . Полюс сферической поверхности сектора идя рассматриваемой территории задавался в точке с координатами: Ф = 33°ЫЯ = 26°Е.

Модель позволила получить скалярные и векторные карты поля на разных высотах полета спутника и выполнить анализ пространственной структуры поля для рассматриваемой территррии.

Применяя разработанную методику для выделения аномальных значений по спутниковым измерениям, были также построены крупномасштабные спутниковые аномальные карты района тройного сочленения Евроазиатской плиты, Афганского блока и Индийской плиты, анализ которых (совместно с картами гравитационных аномалий) позволил утверждать, что район Гималайско-Каракорамского складчатого пояса можно отнести к области с пониженной намагниченностью и пониженной плотностью земной коры.

Выделяемые аномальные поля )по спутниковым измерениям представляются вполне достоверными и их анализ согласуется с современными представлениями и предшествующими исследованиями.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы

1. Показано, что измерения геомагнитного поля на спутнике Магсат могут быть использованы в задачах исследования региональных аномалий. Важным преимуществом спутниковых данных по сравнению с наземными является возможность получения аномальных карт практически над любой территорией.

2. Разработана методика, позволяющая с высокой степенью достоверности выделять аномальное магнитное поле на спутниковых высотах.

3. Построены скалярные и векторные карты аномального магнитного поля для Европы и прилегающих территорий по данным спутника Магсат, которые выявили ряд интенсивных магнитных аномалий, подтверждающих магнитную неоднородность этого региона и совпадающих с размерами их тектонических образований.

4. Разработана методика совместного анализа данных аэромагнитных, стратосферных и спутниковых магнитных съемок, позволившая получить общие закономерности изменения интенсивности АМП при удалении от источников поля вплоть до спутниковых высот.

5. Создана аналитическая модель аномального магнитного поля, основанная на секторном сферическом гармоническом разложении. Модель позволила получить скалярные и векторные карты поля на разных высотах полета спутника и выполнить анализ пространственной структуры поля для рассматриваемой территории.

6. Проведен совместный анализ аэромагнитных, стратосферных и спутниковых магнитных измерений в районе Курской аномалии. Моделирование аномальных полей для этого региона показало, что источниками аномалии могут быть высокомагнитные породы, размещенные в верхнем 10-и километровом слое земной коры.

7. Получены крупномасштабные спутниковые аномальные карты района тройного сочленения Евроазиатской плиты, Афганского блока и Индийской плиты, анализ которых позволил утверждать, что этот район Гималайско-Каракорамского складчатого пояса можно отнести к области с пониженной намагниченностью и пониженной плотностью земной коры.

Настоящая работа показывает перспективность использования спутниковых измерений и, в частности, данных спутника Магсат, в задачах изучения региональных аномалий магнитного поля Земли. Открывается широкое поле деятельности для продолжения региональных исследований других регионов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Одинцов С.Д.,Шабелянский C.B. Программа первичной обработки магнито-теллурических вариаций // В сб.: Алгоритмы и программы анализа геомагнитного поля/ Под ред. Файнберга Э.Б. и Жданова М.С., М.: ИЗМИРАН,1980,с. 19-31 '

2. Луговенко В.Н., Одинцов С.Д., Пронин В.П., Пчелин Е.А., Попов А.Г., Пчелкин A.B.,Рукавишников В.Д. Исследование связи между :татистическими свойствами аномальных геофизических полей и типом >емной коры // В сб.: III Всесоюзный съезд по геомагнетизму (3-7 февраля 1986 г.) /Под ред. Петровой Г.Н.,К.:1986, Институт геофизики им. :убботина, АН УССР, с. 36-37.

h Одинцов С.Д. К вопросу об информативных свойствах магнитного поля 5емли на больших высотах. В кн.: Материалы I Республиканской школы-:еминара по геофизике при Институте геофизики им. С.И. Субботина АН /ССР, Алушта, 20-30 октября 1986 г. Киев.: Ин-т геофизики, 1986Деп. ШНИТИ, ч.2, 8 с.

4. Луговенко В.Н., Одинцов С.Д. К вопросу о пространственной структуре аномального магнитного поля континентов// В сб.: Экспериментальные исследования геомагнитного поля / Под ред. Луговенко В.Н. М.:ИЗМИРАН, 1984, с. 65-72.

5. Киселев С.К., Одинцов С.Д. Об информативности аномального магнитного поля Земли на больших высотах// В кн.: Информационное и алгоритмическое обеспечение коррекции навигационных комплексов летательных аппаратов/ Под ред.Чигина Г.П. М., ВВИА им. Н.Е. Жуковского,1984, с. 65-72.

6. Киселев С.К., Одинцов С.Д. Исследование пространственной структуры аномального магнитного поля// В кн.: Научно-методические материалы по исследованию аномальных геофизических полей/ Под ред.Чигина Г.П. М., ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1985, с. 52-59.

7. Одинцов С.Д., Киселев С.К., Математическое моделирование

I

упрощенного алгоритма определения местоположения летательного аппарата по аномальному магнитному полю Земли// В кн.: Информационное и алгоритмическое обеспечение коррекции навигационных комплексов летательных аппаратов/ Под ред.Чигина Г.П. М„ ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1987, с. 172-178.

8. Белкин В.А., Миронченко Ю.А., Одинцов С.Д. Аномальное магнитное поле (АМП) на высотах 30 км// В сб.: Исследование структуры геомагнитного поля/ Под ред. Луговенко В.Н., М.: ИЗМИРАН, 1983, с. 178-184. ,

9. Цветков Ю.П., Одинцов С.Д., Чыонг Куанг Хао, Хоанг Чонг Ли. Положение экваториальной электроструи по данным геомагнитных наблюдений на территории Вьетнама// Геомагнетизм и аэрономия, 1989, т.29, N3, с. 494-497

10. Цветков Ю.П., Нгуен Тхи Ким Тхоа, Чыонг Куанг Хао, Хоанг Чонг Ли., Одинцов С.Д., Филиппов С.Д., Саютина O.A., Сухэ-Батор У. Динамика местоположения в течение дня экваториальной электроструи

во Вьетнаме// В сб.: Исследование по проблемам главного и аномального магнитных полей Земли/ Под ред. Ротановой Н.М., М.:ИЗМИРАН, 1992, с. 72-79

11. Цветков Ю.П., Ротанова Н.М., Белкин В.А., Одинцов С.Д. Результаты повысотных магнитных съемок района Курской магнитной аномалии// Геомагнетизм и аэрономия,1996, т.36, N4, с. 173-178.

12. Цветков Ю.П., Ротанова Н.М., Одинцов С.Д., Пчелкин А.В., Белкин В.А. Градиентные магнитные измерения в стратосфере и геофизическая интерпретация полученных данных// Геомагнетизм и аэрономия, 1994, т.34, N3, с. 18-23.

13. Цветков Ю.П., Ротанова Н.М., Ораевский В.Н., Харитонов A.JL, Одинцов С.Д. Аномальное геомагнитное поле по градиентным измерениям на стратосферных высотах// Геомагнетизм и аэрономия,1996, т.36, N1, с. 136142.

14. Tsvetkov Yu.P., Kanonidi Kh.D., Kharitonov A.L., Belkin V.A.,Odintsov S.D.

i

Investigation of the Earth's anomalous magnetic field at the stratospheric altitudes using drifting balloons// Preprint ,1994, N13 (1063), M.: IZMIRAN, 23 p.

15. Makris J., J.Wang, S.D.Odintsov, G.B.Udintsev . The magnetic field of the Eastern Mediterranean Sea. // In book: Geological Structure of the Northeastern Mediterranean/ Editor: Krasheninnikov V.A., Geological Inst, of Russian Academ.of Scien. and John K.Hall, Geologic.Survey of Israel (Eds.), Ierusalem,1994, p.75-86

16. Odintsov S.D., N.M. Rotanova, D.S. Odintsov. Satellite magnetic anomaly maps over Pakistan and surrounding regions: Ij:s relation to tectonic structure// In book: Resent Progress in Geomagnetism, Rock Magnetism, an Paleomagnetism/Editors: I.M. Khadim, H. Zaman, M. Yoshida, Geoscience lab. Geolog. Surv. of Pakistan,Islamabad, Pakistan, 1997, p. 85-91.

17. Rotanova N.M., Odintsov S.D. Model of the Magsat anomaly magnetic field over Europe using spherical cap harmonic analysis. EGS., Annales

Geophysical. Part 1,Society Symposia, Solid Earth,Geophysical and Natural Hazards. Supplement I to Volume 15,155 p.

18. Tsvetkov Yu.P., N.M. Rotanova, V.N. Oraevsky, S.D. Odintsov // Magnetic anomaly fields determined from gradient measurements at stratospheric altitudes and from Magsat satellite data. J. Geomag. Geoelectr.,1997, 49, 000-000 (in press) 1

Одинцов С. Д.

АНОМАЛЬНОЕ ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПО СПУТНИКОВЫМ И АЭРОСТАТНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ

Подписано к печати 25.12.1997 г. Усл. печ.лисгов 2.0 Бёсплатно. Заказ 2 . Тираж 100 экз. Отпечатано в ИЗМИРАН

142092, г.Троицк Московской области.