УДК 550.38
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІКИ ГЕОМАГНІТНОГО ПОЛЯ В РАЙОНІ ЧЕРНІГІВСЬКОЇ РЕГІОНАЛЬНОЇ АНОМАЛІЇ
Досліджено часову динаміку Чернігівської регіональної магнітної аномалії на підставі магнітометричних спостережень 2008-2012 рр. За ці чотири роки модуль індукції геомагнітного поля B збільшився на 140 нТл. На цьому фоні виділені незначні часові зміни аномалій B регіонального (ΔΔB <1,0 нТл/рік) і локального (ΔΔВ>±1,5 нТл/рік) характеру. Перші з них добре інтерпретуються підмагнічуванням джерела магнітної аномалії, а другі, ймовірно, флюїдними процесами в геодинамічно активних глибинних крайових розломах Дніпровсько-Донецького рифту.
Ключові слова: динаміка магнітного поля, регіональна магнітна аномалія.
DYNAMICS STUDYING of geonagnetic field in the region of Chernihiv regional anomaly
Temporal dynamics of geomagnetic field in the region of Chernihov regional magnetic anomaly has been investigated by the data of magnetometric observations at 2008 – 2012 years. During these four years its induction module B increased by 140 nT. Against this background insignificant anomalies changes in time ΔB – regional (ΔΔB <1.0 nT / year) and local (ΔΔB> ± 1,5 nT / year) – been marked out. The first ones are well interpreted by induction of magnetic anomaly source, and the second ones – hypothetically by fluid processes in geodynamic active deep boundary faults of the Dnieper-Donets rift.
Key words: dynamics of the geomagnetic field, regional magnetic anomaly.
Вступ
Регіональні магнітні аномалії (РМА), мабуть, вперше були виділені у 1937 році, внаслідок абсолютної магнітної зйомки території України [21]. Ця робота була свого роду «предтечею» подальших досліджень у цьому напрямі. На даний час є безліч робіт, присвячених питанням виділення регіональних магнітних аномалій (РМА), їх інтерпретації та тлумачення з метою вивчення глибинної будови земної кори та прогнозування корисних копалин [1, 4, 12, 19-20, 22, 24]. Найчастіше джерела регіональних магнітних аномалій на глибинах 10-40 км мають намагніченість 0,5-4,0 А/м і діаметри 50-140 км [12, 18]. Маловивченим та дискусійним залишається дуже цікаве питання сталості РМА у часі [3, 13], у зв'язку з чим у статті представлені перші результати високоточних магнітометричних вимірів на площі Чернігівської РМА.
Передмова. Однією з важливих закономірностей геомагнітного поля, що несе інформацію про процеси всередині Землі, включно з її ядром та земною корою, є його просторово-часові зміни у широкому діапазоні довжин хвиль. Найбільш загальною характеристикою геомагнітного поля, що вимірюється, є модуль індукції, який визначається сумою полів від різних джерел:
(1) B=BIGRF +ΔB+δB
де BIGRF - головне поле Землі, обумовлене процесами в її рідкому ядрі; ΔB - аномальне магнітне поле (поле літосфери) пов'язане, в основному, з намагніченістю порід; δB - зовнішнє поле, обумовлене впливом сонячного та космічного випромінювання, магнітних полів Сонця та навколоземного простору. У зв'язку з дослідженням природи магнітних джерел та процесів у земній корі підвищений інтерес викликає виділення та аналіз аномалій модуля індукції магнітного поля ΔB. Дані дослідження вимагають дуже точних вимірювань та скрупульозного обліку впливу аномалій – перешкод як на стадії виділення аномалій B, так і при вивченні їх динаміки. У цій статті наведено результати робіт у районі Чернігівської РМА. Ця аномалія з розмірами близько 45х95 км та інтенсивністю до 700 нТл розташовується з одного боку в межах крайньої північно-західної частини Дніпровсько-Донецького рифту, а з іншого – між останнім та Прип'ятським рифтом. У певному відношенні можна вважати її своєрідним «шарніром», у місці якого відбувається зміна простягання Прип'ятсько-Дніпровсько-Донецького рифту з субширотного на південний схід – північний-захід (рис.1). При цьому її центральна, найінтенсивніша частина має злегка витягнуту в субширотному напрямку форму, тоді як більша її частина, визначена по лінії підвищеного градієнта регіонального магнітного поля, має узгоджене з простяганням Дніпровсько-Донецьким рифтом північно-західне простягання.
Рис. 1. Аномальне магнітне поле району досліджень.1 – межа Дніпровсько-Донецького авлакогену (ДДА); 2 – трансрегіональний тектонічний шов Херсон-Смоленськ; 3 – головні розлами: цифри у гуртках 1 – Брусилівський, 2 – Ядлово-Трактемирівський; 3 – Південнокрайовий; 4 – Північнокрайовий; 5 – інтерпретаційний профіль А-В; 6 – пункти спостережень; 7 – кордон України; 8 - ізолінії поля в нТл: позитивні (а), нульова (б), негативні (в). Назви мегаблоків: В – Волинський; Р-Т – Росинсько-Тикіцький; Інг - Інгульський.
У геологічному плані район аномалії цікавий тим, що в земній корі присутні як докембрійські утворення, імовірно архей-протерозойського віку, так і ефузивно-пірокластичні та магматичні утворення нижнього девону. Глибина залягання кристалічного фундаменту в межах контуру аномалії становить перші кілометри і, мабуть, ступінь переробки земної кори в цій частині була мінімальною порівняно з іншими частинами Дніпровсько-Донецького рифту [14].
Аналогічні дослідження динаміки аномалій ΔB раніше виконані на Кримському півострові, Львівській та Лохвицькій РМА на території України [3; 8-10; 13]. Вони показали незначні зміни аномалій ΔB, дещо нанотесла, які добре пояснювалися геологічною будовою земної кори, тектономагнітним та флюїдним процесами.
Методика та результати робіт. Територія наших досліджень – Київська та Чернігівська області, розташована на півночі України. Для проведення вимірів був закладений профіль північно-східного простягання, що перетинає Чернігівську РМА (рис.1). Район досліджень характеризується диференційованим магнітним полем, з наявністю у його складі регіональної та локальної компонент [16, 19].
Аномалії модуля індукції магнітного поля Землі визначаються виразом [15]:
ΔB= B - BIGRF - δB (2)
Тобто, у кожній точці вимірювань із спостереженого значення поля B слід відняти значення його головної (нормальної) компоненти BIGRF, а також виключити внесок варіації зовнішнього поля B. Міжнародне геомагнітне поле відносності IGRF є емпіричним поданням геомагнітного поля Землі, яке рекомендоване для наукового використання Міжнародною асоціацією Геомагнетизму та Аерономії та затвердженим на ХХІ Генеральній Асамблеї геодезії та геофізики у Боулдері (США). Модель IGRF є головним магнітним полем (поле ядра) без впливу зовнішніх джерел і розраховується за коефіцієнтами сферичного ряду 10 гармонік. Коефіцієнти ряду для розрахунку IGRF базуються на всіх доступних даних, включаючи спостереження на обсерваторіях, морських, аеро- та супутникових зйомках. У моделі IGRF - 2015, прийнятої нами для розрахунку нормального геомагнітного поля, враховано коефіцієнти 10 гармонік для епох 1945-2015 рр. [24]. Варіація магнітного поля δB враховувалася за даними геомагнітної обсерваторії "Київ", розташованої менш ніж за 100 км від максимально віддалених точок спостереження. У таблиці 1 наведено спостережені, середньорічні та аномальні значення модуля індукції ΔB для обсерваторії з 2006 по 2012 роки, які свідчать про їх зміну відповідно на: BIGRF – 201 нТл, Всер.річ. - 209 нТл, а ΔB = 99-109 нТл.
Таблиця 1. Модуль індукції B та аномалії модуля індукції ΔB
для геомагнітної обсерваторії “Київ”
Іншим незалежним методом вивчення динаміки геомагнітного поля є приведення аномалій до якогось одного пункту (як правило, обсерваторії) шляхом виконання синхронних спостережень модуля індукції B у пункті спостереження та на обсерваторії та обчислення різниці між ними:
ΔBa= Bп.с. – Bобс. (3)
Надалі для тих самих пунктів динаміка поля обчислюється за виразом:
Δ(ΔB)a= Ban+1. – Ban. (4)
В обох випадках допускається, що варіація зовнішнього поля є однаковою на досліджуваній території. Складніша ситуація з урахуванням вкладу BIGRF, оскільки і на обсерваторії та на пунктах вимірювання в аномаліях поля ΔB можуть виявлятися помилки невірного визначення його рівня, а також неоднорідного характеру його просторового розподілу та вимірювання.
Роботи з вимірювання модуля індукції магнітного поля B виконувались протягом 2008-2012 рр. вздовж профілю Залісся – Ульянівка північно-східного простягання (довжиною 120 км -24 пункти), що перетинає Чернігівську РМА. Відразу ж відзначимо, що вибір та закладення точок спостереження і тим більше проведення повторних вимірів пов'язані з певними труднощами, пов'язаними з наявністю чи виникненням перешкод антропогенного характеру. Тому місцями отримані уривчасті дані, але в усіх точках вдалося виконати спостереження, достатні для обчислення динаміки поля за досліджуваний часовий інтервал. Спостереження геомагнітного поля виконувалися за стандартною для такого типу робіт методикою, а саме: на кожному пункті протягом 15-30 хв з інтервалом 0,5-1 хв протонними магнітометрами (МВ-01 або ММП-203) вимірювалося значення В. З метою зменшення похибки вимірювань обчислювалося середнє значення поля за вимір. Зрозуміло, що відповідні обчислення проводилися і для обсерваторії «Київ». Для прикладу в таблиці 2 наведено результати вимірювань та обчислення аномалій ΔB виконаних у 2012 році (розташування точок див. на рис.1).
Таблиця 2. Результати вимірювань та обчислення аномалій ΔB виконаних у 2012 році.
Відповідно до обчислень аномальне магнітне поле ΔB на профілі змінюється від -335 нТл до 847 нТл. Такі ж вимірювання та обчислення проведено для 2008 р., а також для ряду проміжних років. Зазначимо при цьому, що значення поля ΔB, отримані нами в ході вимірювань та розрахунків, досить добре відповідають аналогічним значенням, знятим з карти [11] (при цьому правда довелося змінити рівень поля на 50 нТл).
У таблиці 3 наведено результати обчислень аномального магнітного поля ΔB (приведеного до поля BIGRF) та аномального поля ΔBа (приведеного до обсерваторії «Київ»), а також їх динаміки за чотири роки – ΔB2012-2008 та ΔΔBа,2012-2008 . У відповідності до вимірів за 4 роки спостерігаються наступні величини динаміки поля за двома методиками: ΔΔB2012-2008 змінюється в межах -15,9 ÷ 5,2 нТл, а ΔΔBа,2012-2008 – від мінус 7,1 до 12,9 нТл. Отримані криві зміни поля за двома методиками обчислення відрізняються лише рівнем поля величиною приблизно 8 нТл (рис.2).
Оскільки ця різниця зберігається для всіх точок обчислення (по відношенню до обсерваторії), то логічно припустити, що вона обумовлена саме змінами на обсерваторії «Київ». Аналіз даних таблиці 1, що свідчить про збільшення аномалій B саме на 8 нТл, дозволяє інтерпретувати цю величину в першому наближенні неоднорідним ходом поля BIGRF в межах обсерваторії по відношенню до точок на профілі. З урахуванням вищевикладеного можна констатувати незначні часові зміни аномального магнітного поля, що становлять B = -3,8÷1,3 нТл/рік. Але при цьому намічаються цілком певні закономірності їхнього просторового розподілу, а саме, можна відзначити з одного боку позитивний зв'язок аномалій ΔB з характером аномального магнітного ΔB, а з іншого – приуроченість найбільш інтенсивних з них до зон його максимальних градієнтів (див. рис.2).
Таблиця 3. Результати обчислень аномального магнітного поля ΔB та аномального поля ΔBа, а також їх динаміки за чотири роки – ΔΔB2012-2008 та Δ(ΔB)а, 2012-2008.
Обговорення результатів Аналіз динаміки геомагнітного поля свідчить насамперед про те, що якась частина його змін може бути зумовлена ефектом підмагнічування джерела Чернігівської РМА зовнішнім магнітним полем. Для перевірки цієї гіпотези було уточнено магнітну модель земної кори досліджуваного регіону. За основу при цьому взято магнітну модель, розроблену в роботах [12, 14]. Відповідно до побудованої моделі Чернігівська РМА пояснюється джерелами консолідованої земної кори: верхнє поширюється від глибини кристалічного фундаменту, що залягає тут на глибинах 3-4 км, до слабовідбиваючого горизонту на глибині 13 км, а нижнє – від останнього до поверхні Мохоровичича (40-41км). Магнітна сприйнятливість (намагніченість) верхнього джерела має величину χ=0.041 од.СІ (J=1,65 A/m), а нижнього – χ=0.053 од.СІ (J=2,1 A/m) (див.рис.2).
Використовуючи отриману модель, а також лінійну залежність індуктивної складової від величини намагнічуючого поля (J= χ*He), можна розрахувати відповідний ефект підмагнічування порід земної кори за рахунок зміни величини головного магнітного поля Землі BIGRF. З урахуванням того, що для часового інтервалу 2007 ÷2012 рр. підмагнічуюче поле змінилося на 170 нТл, максимальна величина індукованого ефекту становить 4,5 нТл за інтенсивності аномального магнітного поля 750 нТл. Природно, що поведінка кривої за рахунок підмагнічування відповідає характеру аномального магнітного поля і його величина в межах профілю змінюється від - 0,5 нТл до 4 нТл (див. рис.2). Даний ефект був виключений з аномалії ΔΔB, в результаті чого в залишковій кривій залишилися незначні його величини для більшої частини профілю (в межах ±0,5 нТл/рік), і тільки в ряді місць спостерігаються значні локальні зміни (±1.0 нТл/рік) (див. табл.2, рис.2). Відповідно до геолого-тектонічної будови та розломної тектоніки земної кори досліджуваного регіону [2] ці зміни добре пов'язуються з крайовими обмеженнями глибинних магнітних джерел та пов'язаними з ними глибинними розломами. Зокрема локальне зменшення аномалій ΔΔB (т.1-4) приурочується до Ядловсько-Трактемирівського розлому, що розділяє Росинсько-Тикіцький та Інгульський мегаблоки Українського щита, Південнокрайового (т.9, 10) та Північнокрайового (т.18-21). рис.2).
Аналогічна динаміка геомагнітного поля щодо знака аномалій та їхньої приуроченості до зон крайових глибинних розломів була виявлена раніше при дослідженні динаміки Лохвицької РМА [7, 13]. Відповідно до існуючих дотепер даних, підвищена динаміка геомагнітного поля в зонах глибинних розломів пов'язується з флюїдною діяльністю в їх межах і свідчить про їх сучасну геодинамічну активність.
Рис. 2. Магнітна модель земної кори Чернігівської регіональної магнітної аномалії вздовж профілю А-В. Графіки аномального магнітного поля: 1 - ∆В виміряне у 2012 р; 2 - ∆В з карти аномального магнітного поля [11]; 3 – Динаміка аномалій модуля індукції B з 2008 по 2012 рр. (а - розрахована величина, б - з урахуванням поправки за підмагнічуючий ефект); 4 – динаміка аномалій модуля індукції ΔΔBа з 2008 по 2012 рр. (а – розрахована величина, б – з урахуванням поправки за підмагнічуючий ефект); 5 – підмагнічуючий ефект, джерел Чернігівської РМА для часового інтервалу 2007÷2012рр. Цифри у кругах – див. рис.1.
Висновки. Досліджено динаміку Чернігівської регіональної магнітної аномалії на підставі вимірювань модуля індукції геомагнітного поля B у часовому інтервалі 2008÷2012 рр. вздовж профілю Залісся – Ульянівка завдовжки 120 км.
В результаті інтерпретації даних вимірювань та обчислень встановлені такі закономірності:
1. Збільшення за досліджуваний часовий інтервал модуля індукції геомагнітного поля B на 140 нТл (35 нТл/рік), причому ці зміни майже повністю зумовлені головним магнітним полем Землі BIGRF.
2. На тлі суттєвого загального збільшення геомагнітного поля виділено незначні часові зміни аномалій B регіонального (B <1,0 нТл/рік) і локального (B>±1,5 нТл/рік) характеру.
3. Розрахункова величина індукційного ефекту від складного магнітного джерела (в межах -0,5÷4,0 нТл), що добре описує зміни аномалій B регіонального характеру.
4. Знакозмінні аномалії ΔΔB локального характеру (-15,9÷5,2 нТл) приурочені до Південнокрайового та Північнокрайового глибинних розломів Дніпровсько-Донецького авлакогену (рифту) та з більшою ймовірністю свідчать про їх сучасну геодинамічну активність.
Література
1. Берлянд Н.Г., Цирель В.С. О наличии в геомагнитном поле крупных региональных аномалий // Геомагнетизм и аэрономия. — 1974. — XIV, № 3. — С. 530—537.
2. Геофізична основа тектонічної карти України. Схема розломно-блокової тектоніки (для Східно-Європейської платформи), епібайкальського і епіпалеозойського (для Західно-Європейської платформи та Скіфської плити) фундаменту України. Масштабу 1 : 1 000 000. – Мінекоресурсів України, ПДРГП “Північгеологія” .—2002.— 2листа.
3. Завойская И.Н., Мищенко Ю.П. Пространственно-временная структура длительных геомагнитных вариаций на Крымском полуострове// Исследование геомагнитного поля и палеомагнетизма.— Киев.— Наук. Думка.—1983.— С.40-47.
4. Крутиховская З.А. Глубинные магнитные неоднородности: миф или действительность? // Геофизический журнал — 1986. — 8, № 5. — С.3-23.
5. Крутиховская З.А., Мельничук Э.В., Слоницкая С.Г., Орлюк М.И. Региональные магнитные аномалии и мелкомасштабное прогнозирование полезных ископаемых // ДАН УССР,1985.- N 4,Серия Б.-С.37-43.
6. Крутиховська З.О, Пашкевич I.К., Русаков О.М., Соловйов В.Д. Наземна абсолютна магнiтна зйомка територii Украiнської РСР // Вiсник УРСР. — 1973. — N 9. — С.101-102.
7. Максимчук В. Е., Орлюк М.И., Городиский Ю.Н., Кузнецова В.Г., Чоботок И.А. Короткопериодные вариации геомагнитного поля ΔТ в центральной части Днепровско-Донецкой впадины // Геофизический журнал — 1996. — т.18, N 3. — С. 52 — 57.
8. Максимчук В., Городиський Ю., Кузнєцова В. Динаміка аномального магнітного поля Землі. – Львів: Євросвіт.—2001. – 308с.
9. Максимчук В.Е., Городиський Ю.М., Кузнецова В.Г., Орлюк М.И., Пашкевич И.К. Тектономагнитные исследования на юго-западной окраине Восточно-Европейской платформы // ДАН УРСР. — 1991, N 7. — С.16.
10. Максимчук В.Ю., Орлюк М.І., Трегубенко В.І., Городиський Ю.М., Мясоєдов В.П., Накалов Є.Ф. Наземна абсолютна магнітна зйомка на опорній мережі пунктів вікового ходу в Україні для епохи 2005 року// Геофизический журнал — 2010. — т.32, № 6. — С. 102-116 .
11. Нечаєва Т.С., Шимків Л.М., Горкавко В.М. Карта аномального магнітного поля (ΔT)a України м-бу 1 : 1 000 000. Київ.-2002.-1 лист.
12. Орлюк М.И. Пространственные и пространственно-временные магнитные модели разноранговых структур литосферы континентального типа// Геофизический журнал —2000 .—т.22., №6.—С.148-165.
13. Орлюк М.И., Максимчук В.Е., Вакарчук Г.И., Чепиль П.М. Магнитометрические исследования при региональном и локальном прогнозе нефтегазоносности земной коры Днепровско-Донецкой впадины// Геофизический журнал —1998. —Т.20, N3. —С.92-102.
14. Орлюк М.І., Пашкевич І.К. Оцінка намагніченості консолідованої кори Дніпровсько-Донецького авлакогену // ДАН України. — 1994. — N 5 . — С.125-128.
15. Орлюк М.И., Роменец А.А. Структура и динамика главного магнитного поля Земли на ее поверхности и в ближнем космосе// Odessa astronomical publications .—2011.—Vol.24.—P.124-129.
16. Орлюк М.И., Роменец А.А., Бакаржиева М.И., Марченко А.В., Лебедь Т.В. Методика и первые результаты магнитометрическмх исследований Черниговской региональной магнитной аномалии. Материалы Второй международной конференции “Актуальные проблемы электромагнитных зондирующих систем”. 1-4 октября 2012г. Институт геофизики им.С.И.Субботина НАН Украины, Киев. Conference CD-ROM Proceedings — С.70-73.
17. Орлюк М.И., Роменец А.А.. Новый критерий оценки пространственно-временной возмущенности магнитного поля Земли и некоторые аспекты его использования// Геофизический журнал, 2005.—Т.27, №6. – С.1012-1023.
18. Орлюк М.І., Марченко А.В. Розробка 3D магнітної моделі земної кори Східно-Європейського кратону з врахуванням сферичності Землі// Геодинаміка.—2011. —№2(11). — С. 224-227.
19. Пашкевич И.К., Марковский В.С., Орлюк М.И. и др. Магнитная модель литосферы Европы / Под ред. Г.И.Каратаева. — Киев — Наукова Думка — 1990. — 168 с.
20. Пашкевич И.К., Печерский Д.М., Городницкий А.М. и др. Петромагнитная модель литосферы / Под ред. Д.М.Печерского. — Киев — Наукова Думка, 1994. — 176 с.
21. Розе Т.Н. Региональные магнитные аномалии Украины и их связь с геотектоникой//Ученные записки Ленинградского унниверситетата, сер.Физ.наук.-1937.-№3-С.123-133.
22. Симоненко Т.Н. Условная классификация региональных магнитных аномалий // Магнитные аномалии земных глубин. — Киев — Наукова Думка— 1976. — С. 5—17.
23. Тектонічна карта України : масштаб 1:1000000 / Гол. ред. Круглов С.С., Гурський Д.С. – Київ:Державна геологічна служба, 2004.
24. Purucker M. (2011). Planetary magnetic fields of the solar system// http://planetary-mag.net/index.html/
25. Rother G. Untersuchungen des anomalen geomagnetischen Feldes - eine Methode zur Lokalisirung der Unterkante der magnetisch wirksamen Erdkruste. — Potsdam. — 1979. — 96 p.
26. Verbanac G., Luhr H., Rother M., Korte M., Mandea M. Contributions of the external field to the observatory annual means and a proposal foe their corrections // Earth Planetary Space— 2007— 59— P.251- 257.