ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 420-428
УДК 550.83.015;550.383;550.384
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МОРСКИХ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ. ЧАСТЬ 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И АНАЛИЗ МЕТОДА АНАЛИТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ © 2014 г. С. А. Иванов, С. А. Меркурьев
СПб филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, г. Санкт-Петербург e-mail: sergei.a.ivanov@mail.ru Поступила в редакцию 19.08.2013 г. После доработки 10.01.2014 г.
В данной работе рассматривается задача интерпретации линейных морских магнитных аномалий в рамках спрединговой модели. Проводится анализ и сопоставление ранее предложенных методов решения этой задачи и детально рассматривается метод "аналитический сигнал". На простейшем примере показано, что метод АС имеет существенные ограничения, связанные в первую очередь с размером и/или глубиной залегания тел.
DOI: 10.7868/S0016794014030080
1. ВВЕДЕНИЕ
Как хорошо известно, обратная задача магниторазведки не имеет, вообще говоря, единственного решения. Для сужения области возможных решений и уменьшения степени неоднозначности полученных решений, как правило, используется совместный анализ различных геофизических и геологических данных. Обычно, наличие геологической информации позволяет использовать различного класса модели, и решение задачи магниторазведки начинается с выбора подходящей модели намагниченных тел, и последующего поиска параметров данной модели.
Исследование и интерпретация морских магнитных аномалий в 60-х годах прошлого века привело к важным открытиям, сделанным в морской геологии и палеомагнетизме, и сыграло существенную роль в становлении и развитии теории тектоники плит. С одной стороны, спрединговая природа морских магнитных аномалий открыла возможность датировать дно Мирового океана и тем самым восстанавливать эволюцию океанических бассейнов [Vine and Matthews, 1963]. С другой стороны, инверсионная природа морских магнитных аномалий позволила датировать геомагнитные инверсии и сделала их мощным инструментом палеомагнитного анализа и средством построения шкалы инверсий и исследования изменений и поведения геомагнитного поля в прошлом [Heirtzler et al., 1963].
Важность дальнейших детальных исследований морских магнитных аномалий и развития методов их интерпретации возрастает, т.к. выявление короткопериодных изменений геомагнитно-
го поля в прошлом, также как и уточнение механизмов кристаллической аккреции на сре-динно-океанических хребтах, способствуют решению связанных между собой таких фундаментальных проблем, как генерация геомагнитного поля, геодинамика и глобальная тектоника.
В основе интерпретации большинства морских магнитометрических измерений лежит блоковая инверсионно-спрединговая модель, которая применяется в практике геоисторического и палеомагнитного анализа аномального магнитного поля океанов и мало изменилась со времени ее создания Вайном и Мэтьюзом [Vine and Matthews, 1963]. Обычно эта модель представляет собой последовательность однородно намагниченных прямоугольных блоков прямой и обратной полярности толщиной несколько сотен метров, верхняя граница которых совпадает с кровлей кристаллического фундамента.
В процессе геоисторической и палеомагнит-ной интерпретации АМП неизбежно встает задача нахождения положения границ блоков прямой и обратной полярности, связанных с изменением направления ГМП в прошлом. Большая часть методов магниторазведки направлена на выявление изолированных тел. При интерпретации морских магнитных аномалий необходимо исследовать поля, создаваемые близко расположенными источниками (блоками), где эффективность этих методов резко снижается. Дополнительная трудность мелкомасштабной интерпретации морских магнитных аномалий состоит в том, что необходимо извлечь информацию о распределении источников, залегающих в океаническом ложе (океанической коре) на глубинах расположенных суще-
ственно ниже поверхности наблюдения (поверхность океана).
Целью настоящей работы является изучение применимости известных методов к определению границ блоков в модели Вайна-Мэтьюз; показывается работа этих методов на модельном примере. В случае вертикальной дайки аналитически и численно разберем наиболее популярный метод аналитического сигнала и выясним границы его применимости.
2. МЕТОДЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ МОРСКИХ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ КАК РЕШЕНИЕ ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
Проблема интерпретации магнитных полей в геофизике состоит в нахождении распределений магнитоактивных тел, которые создают наблюдаемое магнитное поле на заданной линии или плоской поверхности. Известно, что эта задача имеет единственное решение, только когда поле задано по всему объему вокруг тела [Идельсон, 1932]. Как правило, интерпретация магнитометрических измерений основана на решении двух главнейших задач: решении прямой задачи математической физики, когда для тел заданной формы, объема и характера распределения намагниченности, рассчитываются магнитные аномалии и обратной задачи математической физики, когда по данным магнитометрических измерений определяется намагниченность, форма, размеры и положение тел, вызывающих магнитные аномалии.
Способы и принципы решения обратных задач, предложенные разными авторами и опубликованные в монографиях, научных тематических сборниках и обзорных статьях за последние несколько десятилетий [Тафеев и Соколов, 1981; Гордин и Золотов, 1990; Страхов, 2004; Жданов, 2007; №Ы§Ыап й а1., 2005] существенно различаются друг от друга и могут быть поделены согласно [В1аке1у, 1995] на три категории (прямые, обратные, улучшающие). Кратко охарактеризуем эти категории. Каждая из них имеет одну и ту же цель — количественный расчет параметров модели по заданным на профиле значениям поля. Применение того или иного метода определяется наличием тех или иных данных, априорной информацией об исследуемых объектах, а также зависит от поставленных конечных задач. Различные подходы интерпретации морских магнитных аномалий проиллюстрируем на рис. 1, где на модельном примере представлены результаты решения обратной задачи наиболее распространенными методами, в сопоставлении с методом, предложенным нами (подготовлена публикация). Все эти методы требуют дополнительных процедур, для нахождения магнитных контактов. Например, использование аналитического продолже-
ния поля в нижнюю полуплоскость должно помочь перейти к распределению намагниченности, но эта процедура не формализована. Более детальное обсуждение методов и соответствующие ссылки будут приведены ниже.
2.1. Прямые методы (неформализованные)
Интерпретация магнитных аномалий на основе решения прямой задачи носит эвристический характер. При использовании этих методов исходная физико-геологическая модель аномалеоб-разующего тела построена на основе геологической и геофизической интуиции (знаниях). Суть этих методов состоит в том, что модельная аномалия рассчитывается и сравнивается с наблюденной аномалией и модельные параметры подгоняются таким образом, чтобы улучшить соответствие этих аномалий. Трехступенчатый процесс подгонки параметров тела, вычисление аномалии и сравнение модельного и наблюденного поля повторяется до тех пор, пока рассчитанные и наблюденные аномалии можно считать достаточно похожими. Использование этих алгоритмов предполагает задание целого ряда параметров, описывающих геометрические и магнитные свойства магнитоактив-ного слоя, (направление и величину векторов остаточной и индуктивной намагниченности и распределение намагниченности).
Метод расчета модельных магнитных профилей на основе блоковой модели магнитоактивно-го слоя, пожалуй, впервые был предложен и использован в работе [Vacquier et al., 1951]. Затем, после того как было сделано предположение об инверсионно-спрединговой природе магнитоак-тивного слоя, развитие методов расчета было продолжено в ряде работ, усовершенствовавших алгоритмы и визуализации результатов [Talwani and Heirtzler, 1964; Won and Bevis, 1987; McKenzie and Sclater, 1971; Вакье, 1976; Saltus and Blakely, 1983].
При геохронологической интерпретации магнитных аномалий, подбирают такую модель маг-нитоактивного слоя, образованного блоками прямой и обратной полярности, намагниченными в соответствии с заданным участком шкалы инверсий и скоростью спрединга, которая обеспечивает хорошее соответствие модельных и наблюденных аномалии. Процедура состоит в последовательных подгонках скорости спрединга и временного участка геомагнитной шкалы, пока хорошее соответствие модельных и наблюденных аномалии не будет достигнуто. Решение о хорошем соответствии принимается обычно на глаз без использования каких-либо количественных оценок. Иногда применяются кросс-корреляционные методы, смотри например, [Morgan and Loomis, 1971; Loncarevic and Parker, 1971].
ч н я
1000 500 0
-500 -1000
ч н я
1000 500 0
-500 1000
г -
100 50
50 100
13
о о я я о
Я Я
се
Я
1000 500 0
-500 -1000
1000 ч 500 £ 0 Д -500 -1000
0
0 -1 S -2 м -3
-4
-5
100
200
20 -20
о о я я о
Я
я
1-е
а св
я
д
0
0
в -
км
Рис. 1. Сопоставление методов интерпретации морских магнитных аномалий на примере теоретически рассчитанной блоковой инверсионно-спрединговой модели:
(а) - График латерального изменения намагниченности и магнитоактивный слой, состоящий из двумерных прямоугольных призм прямой и обратной полярности и определяемое ими магнитное поле.
(б) - Аномальное магнитное поле от блоковой инверсионно-спрединговой модели.
(в) - Положение призм прямой и обратной полярности, найденное в результате разработанного нами алгоритма на основе МНК.
(г) - Эффективная намагниченность, рассчитанная методом [Parker, Huestis, 1974].
(д) - Аналитический сигнал от магнитных аномалий.
(е) - Аналитическое продолжение аномального магнитного поля в нижнее полупространство.
Условные обозначения: 1 - намагниченность; 2 - магнитоактивный слой (показаны блоки прямой полярности); 3 -модельное поле; 4 - результат решения обратной задачи.
Использование метода подбора в практике геохронологического анализа — это наиболее распространенный прием, благодаря его эффективности и отсутстви
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.