Дистанционное сканирование земной коры (стр. 2 из 3)
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 аномалии. 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 (см. табл.). На высотах ~ 700 км оно даже над Курской аномалией составляет только ~ 3 нТл.
Магнитное поле в районе Курской магнитной аномалии (КМА). Вверху - изменение индукции вдоль трассы аэростата (цветная линия - измеренные значения, пунктирная - модельные); внизу слева - трасса полета, наложенная на карту нормального магнитного поля; справа - зависимость индукции от высоты полета.
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.
Профили полного магнитного поля (Т) и его вертикального градиента (СТ), измеренных на высоте 30 км для Сибирского региона. Цветной линией показаны измеренные значения полного поля, пунктирной - градиента нормального поля, черной - градиента аномального магнитного поля.
Профили полного магнитного поля (Т) и его вертикального градиента (СТ) на высоте 30 км над Витимским нагорьем. Относительно главного магнитного поля аномалии разделяются на положительные и отрицательные.
Отметим одно обстоятельство, связанное с получением аномального поля на стратосферных высотах. Напомним, что в полете измеряется только полное поле, аномальное же рассчитывается как разность между измеренным и модельным. Последнее представляет главное магнитное поле, описываемое международной аналитической моделью IGRF. 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 значимые, существенно превышающие ошибки их измерения, а вертикальный градиент выделяется более точно, чем само поле.
Профили аномального магнитного поля (Tа) на высотах 0.5 км (а) и 400 км (в) и его градиента на высоте 30 км (б). Внизу - их динамические спектры. Основные пики в спектрах приходятся на периоды L1 = 400-500 км, L2 = 1000-1200 км и L3 = 2200-2400 км.
Мы подошли теперь к наиболее сложной проблеме в исследовании аномальных магнитных полей - природе магнитных аномалий. К сожалению, на сегодняшний день нет математических подходов, при помощи которых по данным об аномальном поле можно судить о пространственном распределении его источников. 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, в 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°, 120-140°, 150-160° в.д., относящиеся соответственно к районам Урала, Алданского щита и Охотоморской плиты. Структура аномального магнитного поля даже на спутниковых высотах очень сложна.
Интерпретация магнитных аномалий
Новое весьма неожиданное решение получило представление аномального поля в частотной области с помощью вейвлет-анализа (Иванов В.В., Ротанова Н.М. // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. Т.40. №2. С.78-83). На сегодняшний день этот “математический микроскоп” способен дать не только общую структуру рассматриваемого сигнала, но и изучить его локальные особенности. Вейвлетное преобразование приведенного ранее спутникового профиля показано на рисунке. В структуре коэффициентов выделяются различные неоднородности: мелкомасштабные (4-5°); долготные (10-12°) и, наконец, крупномасштабные (20-30°).
Вейвлет-преобразование профиля аномального магнитного поля(в), приведенного на предыдущем рисунке. Вверху - распределение вейвлетных коэффициентов; по вертикальной оси дается масштабный коэффициент а, по горизонтальной оси - параметр сдвига b. В структуре вейвлетных коэффициентов выделяются различные неоднородности: мелкомасштабные - 4-5° (при небольших значениях коэффициента а); долготные - 10-12°; крупномасштабные - ~20-30°. Масштаб ~25° разделяет структуру коэффициентов на две области. По спутниковым данным, вся динамика аномального поля сосредоточена в нижней части. В верхней видны две крупномасштабные детали. Внизу - распределение энергетической плотности. Семь крупномасштабных неоднородностей, характеризующих аномальные магнитные поля, отражают реальные тектонические структуры: Восточно-Европейскую платформу (1); Уральский орогенный пояс, характеризующийся отрицательными значениями аномального поля (2); Саянскую и Енисейскую складчатые системы (3); Байкальскую систему (4), Алданский щит (5), где наблюдается интенсивная положительная аномалия в магнитном поле; Охотоморскую плиту (6); Камчатскую геосинклинальную систему (7).
На графике распределения плотности энергии, полученного из вейвлет-анализа того же профиля, более ясно, чем на картине самих коэффициентов, выделяются семь крупномасштабных деталей, характеризующих аномальные магнитные поля. Сравнение их с тектонической картой рассматриваемого региона показывает, что они отражают реальные тектонические структуры. Вейвлет-анализ стратосферных магнитных профилей позволяет более подробно рассмотреть отдельную структуру и определить рассредоточение магнитных масс внутри нее, т.е. вейвлет-анализ аномального поля не только выделил неоднородную структуру этого поля, но и указал локализацию неоднородностей на профиле.
Результаты определения границ магнитоактивного поля над территорией Восточной Сибири, по данным спектрального анализа. Вверху - трасса полета аэростата и тектоническая зональность региона (расшифровка цифровых обозначений такая же, как на предыдущем рисунке); далее, сверху вниз, профили: аномальных магнитных градиентов; верхних кромок магнитоактивного слоя земной коры; нижних кромок магнитоактивного слоя земной коры; теплового потока; границы Мохоровичича.
Одна из важных проблем связана с определением глубины верхней и нижней кромок магнитоактивного слоя. Не останавливаясь на математической стороне вопроса, приведем результаты определения границ этого слоя, полученные из спектрального анализа аэростатного профиля магнитного поля над территорией Восточной Сибири. Вычисленные глубины границ магнитоактивного слоя для этого региона показаны на последнем рисунке. Полученные величины - обобщенные, представляющие статистическую оценку глубин источников аномалий. При расчете такой глубины для каждой аномалии удобно применять метод, основанный на использовании характеристик убывания аномального поля при удалении прибора вверх от источника. 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. Итак, 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.