ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 130-138
УДК 550.38
ОСОБЕННОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ, ВЫЯВЛЕННЫЕ ПО ГРАДИЕНТНЫМ МАГНИТНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ НА СТРАТОСФЕРНЫХ ВЫСОТАХ
© 2015 г. Ю. П. Цветков1, О. М. Брехов2, Т. Н. Бондарь1, Н. М. Цветкова1
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),
г.Москва, г.Троицк
2Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), (МАИ), г. Москва
e-mail: tsvetkov@izmiran.ru Поступила в редакцию 30.10.2012 г.
После доработки 24.06.2014 г.
Рассмотрены результаты аэростатных градиентных магнитных съемок в стратосфере на длинномерной (6 км) вертикально ориентированной измерительной базе для изучения магнитного поля, создаваемого глубинными источниками. Проведен анализ погрешностей современных аналитических моделей геомагнитного поля. Дано описание прибора, предназначенного для измерения вертикальных градиентов геомагнитного поля на борту аэростата в дрейфе. Анализируются данные аэростатных градиентных магнитных съемок, выполненных на высотах около 30 км. Рассмотрена новая методика выделения магнитных аномалий из съемок по протяженным профилям. Показано, что на измерительной базе длиной 6 км надежно измеряются градиенты магнитных источников, расположенных вблизи подошвы земной коры. Обоснован независимый новый метод определения ошибок глобальных аналитических моделей нормального магнитного поля Земли (МПЗ), используемых при выделении магнитных аномалий из съемок по протяженным маршрутам. Изучена причина неудовлетворительных результатов предпринимаемых ранее пересчетов магнитного поля вверх от земной поверхности, объясняемая дефектами используемых наземных данных. Показано, что модель МПЗ EMM/720 неудовлетворительно представляет аномальное МПЗ на высоте 30 км. Сделан вывод, что аэростатные градиентные магнитные съемки имеют важнейшее значение в изучении и моделировании структуры аномального магнитного поля в околоземном пространстве. Модель постоянного МПЗ, развитую до 720 сферических гармоник, следует строить по спутниковым и аэростатным градиентным магнитным данным.
DOI: 10.7868/S0016794015010125
1. ВВЕДЕНИЕ
Одними из актуальных задач геомагнетизма являются следующие: выяснение причины, по которой не удается с надлежащей точностью пересчитать наземные данные аномального магнитного поля Земли (МПЗ) вверх, несмотря на то, что теория допускает высокую степень надежности такого пересчета; исследование степени репрезентативности представления аномального МПЗ магнитными картами (аналитическими моделями); проведение оценки погрешностей глобальных аналитических моделей главного МПЗ независимыми методами; выяснение возможности надежного выделения аномального МПЗ из данных, получаемых по протяженным маршрутам магнитной съемки. Следует рассмотреть и такие вопросы, как необходимая длина измерительной базы градиентометра, позволяющего получить вертикальные градиенты МПЗ, создаваемого глубинными источниками; оценка размера зоны на поверхности Земли, в пределах которой магнитные
аномалии оказывают значимое влияние на поле в точке измерения на высоте 30 км.
Информацию об аномальном МПЗ обычно получают из аэромагнитных съемок, выполняемых, в основном, на высотах до трех километров, а также из спутниковых магнитных съемок на высотах ~500 км. На первый взгляд, чем ближе к земной поверхности выполнены магнитные измерения, (маловысотные аэромагнитные съемки), тем они несут более полную информацию о составе и свойствах аномального МПЗ. Вертикальная мощность земной коры составляет ~40 км. Однако, присутствие в данных аэромагнитных съемок локальных магнитных аномалий от источников верхней части земной коры, значения которых вблизи поверхности Земли могут достигать 1500 нТл и более, является помехой при выделении поля глубинных источников. Эти аномалии необходимо исключать. При их исключении (фильтрации) математическими методами без знания требуемых параметров фильтра искажается не только амплитуда выделяемой региональной аномалии, но и смещается ее положение. Аэромагнитные съемки
территории СССР были завершены, в основном, в середине 1970-х годов, когда еще не было надежных глобальных аналитических моделей нормального МПЗ. Это отрицательно сказалось на выделении данных аномального МПЗ из аэромагнитных съемок, в результате чего допущенный остаток нормального поля в выделенном аномальном МПЗ не был оценен. Карта аномального МПЗ территории СССР [Карта ..., 1974], построенная по данным аэромагнитных съемок, возможно, искажена по ряду причин: влияние локальных аномалий, неучтенного остатка нормального МПЗ, пренебрежение полями глубинных источников, слабоинтенсивных на поверхности Земли, но заметных и значимых в отсутствии локальных магнитных аномалий. Основными составляющими, формирующими магнитное поле земной коры, являются региональные и длинноволновые магнитные аномалии, пространственный спектр которых включает длины волн от 50 км до 3000 км. Данные спутниковых же магнитных съемок содержат в своем составе магнитные аномалии размером 500 км и больше, и они относятся к крупным региональным и длинноволновым (длины волн 1000—3000 км) магнитным аномалиям, образующимся во многом путем естественного сглаживания регионального МПЗ.
В работе [Цветков и др., 2011] показано, что для детального изучения поля глубинных источников принципиально необходимы магнитные съемки на высотах 20—40 км, численно сопоставимых с вертикальной мощностью магнитоак-тивного слоя земной коры. Аномальное МПЗ на этих высотах формируется с естественным осреднением локальных аномалий. Высоты 20—40 км освоены стратосферными аэростатами. Выше ве-лопаузы (~18 км) в атмосфере существуют регулярные зональные воздушные течения, вместе с которыми стратосферный аэростат может совершать кругосветные полеты вдоль географических параллелей [Школьный и Майборода, 1973]. Следовательно, аэростатные магнитные съемки можно успешно выполнять над территорией всего земного шара, в том числе и в труднодоступных для наземных съемок регионах. Описание современных стратосферных аэростатов для научных исследований разработки НАСА приведены в работе ^огИаш, 2013]. Однако для выполнения экспериментальных работ мы использовали отечественные аэростаты ВАЛ-120. Нами впервые предложена идея аэростатных градиентных магнитных съемок на длинномерной измерительной базе и разработана методика аэростатных градиентных магнитных съемок, а также создан прибор для этого. Выполнен ряд градиентных магнитных измерений на аэростатах и проведена их геофизическая интерпретация.
Целью данной работы является изучение структуры аномального магнитного поля в около-
земном пространстве с использованием новых подходов. Реализация этих подходов имеет важное значение для совершенствования моделирования постоянного МПЗ; уточнения глубин залегания магнитоактивных источников и природы нижней границы магнитоактивного слоя коры (структурная или термическая); создания уточненной магнитной модели земной коры; магниторазведки месторождений полезных ископаемых на глубоких горизонтах земной коры, и пр.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Важными параметрами геомагнитного поля являются его градиенты, особенно вертикальные градиенты как наиболее информативные [Ци-рульский и Майер, 1986]. Однако, получение вертикальных градиентов аномального МПЗ от источников, расположенных на нижних горизонтах земной коры, эффективных для изучения состава МПЗ, является мировой проблемой, до сих пор не решенной на практике [Nelson et al., 1992]. В настоящей статье мы приводим данные градиентных магнитных съемок с борта стратосферных аэростатов, дрейфующих на высотах 20—40 км. Для получения значимых вертикальных градиентов аномального МПЗ от глубинных источников используется аэростатный магнитный градиентометр (АМГ) с длинномерной (6 км) измерительной базой, ориентированной вдоль вертикали по полю силы тяжести [Цветков, 1993; Цветков и Беликова, 2002]. Тросонакопитель системы развертывания градиентометра ячеистого типа вмещает 6 км троса диаметром 3.5—4.5 мм, выполняющего функцию равномерного распределения магнитометров в пространстве [Черников и др., 2009]. Развертывание осуществляется автоматически на взлете аэростата в два этапа — на высоте 3 км и 6 км. Измерительная система размещается в трех контейнерах. Каждый контейнер включает протонный магнитометр, навигационный GPS-приемник, бортовую ЭВМ сбора и пакетирования информации, модем "ГлобалТел" для передачи научной информации по спутниковым каналам радиосвязи в сеть Интернет [Николаев и др., 2008]. Необходимую точность измерения магнитных градиентов при использовании тросовой системы обеспечивают скалярные протонные магнитометры, датчики которых нечувствительны к своему азимутальному положению. Приборная точность измерения скаляра МПЗ составляла 1 нТл [Кириаков и др., 2012], вертикального градиента — 1.5 нТл. В случаях отклонений измерительной базы градиентометра от вертикали при дрейфе в возмущенных воздушных течениях вводится поправка, вычисляемая по данным навигационных GPS-приемников и аналитической модели главного МПЗ [Цветков и др., 2007]. Измерения МПЗ, выполняемые тремя раз-
Таблица 1. Зависимость индукции У поля магнитных аномалий от высоты съемки
Уровни съемки, км Значения поля У, нТл
Для аномалии А1 Для аномалии А2
0 У1 = 450 У1 = 300
24 У2 = 140 У2 = 120
30 У3 = 120 У3 = 100
несенными в пространстве магнитометрами, позволяют получать из дифференциалов истинные градиенты МПЗ. Аэростатные градиентные магнитные съемки нами были проведены преимущественно в районе простирания Камско-Эмбен-ской магнитной аномалии и по маршруту: Камчатка—Поволжье [Цветков и др., 2011].
Ниже приводится доказательство возможности надежного измерения вертикальных градиентов поля глубинных источников. Для этого использованы полученные нами с борта аэростата реальные данные измерений повысотного магнитного поля (по сути дела вертикальные градиенты), по которым найдены глубины залегания источников. Максимальные глубины, найденные таким образом, гарантируют возможность измерения
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.