Исследование динамики геомагнитного поля в районе Черниговской региональной аномалии

Региональные магнитные аномалии (РМА), пожалуй, впервые были выделены в 1937 г . , в результате абсолютной магнитной съемки территории Украины [21]. Эта работа являлась своего рода «предтечей» дальнейших исследований в этом направлении. К настоящему времени имеется множество работ , посвященных вопросам выделения региональных магнитных аномалий (РМА), их интерпретации и истолкования с целью изучения глубинного строения земной коры и прогнозирования полезных ископаемых [1, 4, 12, 19– 20, 22, 24, 28 – 29, 31, 33 – 34, 36]. В большинстве случаев источники региональных магнитных аномалий на глубинах 10– 40

км имеют намагниченность 0, 5 –4,0 А/м и поперечники 50–140 км [12, 18]. Малоизученным и дискуссионным остается очень интересный вопрос постоянства РМА во времени [3, 13, 25–26], в связи с чем в статье представлены первые результаты высокоточных магнитометрических измерений на площади Черниговской РМА.

Одной из важных закономерностей геомагнитного поля, несущей информацию о процессах внутри Земли, в ее ядре и земной коре, являются его пространственно - временные изменения в широком диапазоне длин волн [6, 8, 17, 26, 27, 29,

30, 35]. Наиболее общей измеряемой характеристикой геомагнитного поля является модуль индукции, который определяется суммой полей от разных источников:

B = Bigrf + AB + Ж,      (1)

где B IGRF — главное поле Земли, обусловленное процессами в ее жидком ядре; Δ B – аномальное магнитное поле (поле литосферы) , связанное в основном с намагниченностью пород; δB – внешнее поле, обусловленное влиянием солнечного и космического излучения, магнитных полей Солнца и околоземного пространства. В связи с исследованием природы магнитных источников и процессов в земной коре повышенный интерес вызывают выделение и анализ аномалий модуля индукции магнитного поля ΔB. Данные исследования требуют очень точных измерений и скрупулезного учета влияния аномалий – помех как на стадии выделения аномалий ΔB, так и изучения их динамики. В данной статье представлены результаты работ в районе Черниговской РМА. Эта аномалия с размерами около 45х95 км и интенсивностью до 700 нТл располагается , с одной стороны , в пределах крайней северо - западной части Днепровско - Донецкого рифта, а с другой – между ним и Припятским рифтом. В некотором отношении можно считать ее своеобразным «шарниром», в месте которого происходит изменение простирания Припятско - Днепровско - Донецкого рифта с субширотного на юго - восток – северо западное (рис.1). При этом ее центральная, наиболее интенсивная часть имеет слегка вытянутую в субширотном направлении форму, в то время как большая ее часть, определенная по линии повышенного градиента регионального магнитного поля , – северо - западное простирание, согласованное с простиранием Днепровско - Донецкого рифта .

В геологическом плане район аномалии интересен тем, что в земной коре присутствуют как докембрийские образования, предположительно архей-протеро- зойского возраста, так и эффузивнопирокластические и магматические образования нижнего девона. Глубина залегания кристаллического фундамента в пределах контура аномалии составляет первые километры и, по-видимому, степень переработки земной коры в этой части была минимальной по сравнению с другими частями Днепровско-Донецкого рифта [14].

Аналогичные исследования динамики аномалий ΔB ранее выполнены на территории Европы, Крымского полуострова , Львовской и Лохвицкой РМА, а также Манчажской РМА Предуралья [3; 7– 10; 13, 24 – 25, 27 ]. Они показали незначительные изменения аномалий ΔB, в несколько нанотеслов, которые хорошо объяснялись геологическим строением земной коры, тектономагнитным и флюидным процессами.

Территория наших исследований – Киевская и Черниговская области – расположена на севере Украины. Для измерений был заложен профиль северо восточного простирания, который пересекает Черниговскую РМА (рис.1). Район исследований характеризуется дифференцированным магнитным полем с наличием в составе региональной и локальной компонент [11, 12, 16, 19].

Аномалии модуля индукции магнитного поля Земли определяются выражением [15]

AB = B-BIG--SB , (2)

IGRF т.е. в каждой точке измерений из наблюденного значения поля B следует вычесть значение его главной (нормальной) компоненты BIGRF, а также исключить вклад вариации внешнего поля δB. Международное геомагнитное поле относительности IGRF является эмпирическим представлением геомагнитного поля Земли, которое рекомендовано для научного

Рис. 1. Аномальное магнитное поле района исследований : 1 - граница Днепровско - Донецкого авлакогена (ДДА); 2 - трансрегиональный тектонический шов Херсон-Смоленск; 3 - главные разломы: ( цифры в кружках ) 1 - Брусиловский, 2 - Ядлово - Трактемировский; 3 - Южнокраевой; 4 - Северокраевой; 5 - интерпретационный профиль А - В; 6 - пункты наблюдений; 7 -граница Украины; 8 - изолинии поля в нТл: положительные (а), нулевая (б), отрицательные (в). Названия мегаблоков: В - Волынский; Р - Т- Росинско - Тикичский; Инг - Ингульский

использования Международной ассоциацией геомагнетизма и аэрономии и утверждено на ХХІ Генеральной Ассамблее геодезии и геофизики в Боулдере (США). Модель IGRF представляет собой главное магнитное поле (поле ядра) без влияния внешних источников и рассчитывается по коэффициентам сферического ряда 10 гармоник. Коэффициенты ряда для расчета IGRF базируются на всех доступных данных, включающих данные обсерваторий, морских, аэро- и спутниковых съемок. В модели IGRF – 2015, принятой нами для расчета нормального геомагнитного поля, учтены коэффициенты 10 гармоник для эпох 1945-2015гг. [32]. Вариация магнитного поля δB учитывалась по данным геомагнитной обсерватории «Киев», расположенной менее чем в 100 км от максимально удаленных точек наблюдения. В табл. 1 приведены наблюденные, среднегодичные и аномальные значения модуля индукции ΔB, полученные в обсерватории с 2006 по 2012 г., которые свидетельствуют об их изменении BIGRF – на 201 нТл, Вср – на 209 нТл, а ΔB= на 99109 нТл.

Другим независимым методом изучения динамики геомагнитного поля является приведение аномалий к какому - то одному пункту (как правило, обсерватории) путем выполнение синхронных наблюдений модуля индукции B в пункте наблюдения и обсерватории и вычисление разности между ними:

( Д В)_а = В п.н. -В обс . (3)

Таблица 1. Модуль индукции B и аномалии модуля индукции Δ B, полученные в геомагнитной обсерватории «Киев»

Год	B ср.год	B IGRF	Δ B
2006	50218,76	50115	103,76
2007	50250,91	50148	102,91
2008	50281,93	50180	98,93
2009	50312,47	50212	100,47
2010	50346,55	50244	102,55
2011	50388,02	50280	105,02
2012	50427,76	50316	108,76

В дальнейшем для одних и тех же пунктов динамика поля вычисляется по выражению

Д(Л8)a = (AB)a_ + (AB)an ■ (4)

В обоих случаях допускается, что вариация внешнего поля является одинаковой на исследуемой территории. Сложнее учесть вклад B IGRF, поскольку в обсерватории и пунктах измерения в аномалиях (Δ B ) могут быть ошибки определения его уровня, а также неоднородного характера его пространственного распределения и измерения.

Работы по измерению модуля индукции магнитного поля B выполнялись на протяжении 2008-2012гг. вдоль профиля Залесье – Ульяновка северо-восточного простирания (длиной 120 км – 24 пункта), который пересекает Черниговскую РМА. Сразу же отметим, что выбор и заложение точек наблюдения и тем более проведение повторных измерений сопряжены с определенными трудностями, связанными с наличием или возникновением помех антропогенного характера. Поэтому получены несколько отрывочные данные, т.е. не во всех точках удалось выполнить наблюдения, достаточные для вычисления динамики поля за исследуемый временной интервал. Наблюдения геомагнитного поля выполнялись по стандартной для такого типа работ методике, а именно на каждом пункте на протяжении 15–30 мин с интервалом 0,5–1 мин протонными магнитометрами (МВ-01 или ММП-203) измерялось значение В. С целью уменьшения погрешности измерений вычислялось среднее значение поля за измеряемый временной интервал. Естественно, что соответствующие вычисления проводились и для обсерватории «Киев». Для примера в табл. 2 приведены результаты измерений и вычисления аномалий ΔB выполненных в 2012 г. (расположение точек см. на рис.1).

В соответствии с вычислениями аномальное магнитное поле Δ B на профиле изменяется от –335 до 847 нТл. Такие же измерения и вычисления проведены для 2008г . , а также ряда промежуточных лет. Отметим при этом, что значения поля Δ B, полученные нами в ходе измерений и расчетов, достаточно хорошо соответствуют аналогичным значениям, снятым с карты [11 ] (при этом пришлось изменить уровень поля на 50 нТл).

В табл . 3 приведены результаты вычислений аномального магнитного поля Δ B (приведенного к полю B IGRF ) и аномального поля (Δ B) а (приведенного к обсерватории «Киев»), а также их динамики за четыре года :

ΔΔ B 2012-2008 и Δ ( Δ B) а , 2012-2008 .

В соответствии с измерениями за 4 года наблюдаются следующие величины динамики поля по двум методикам: ΔΔ B 2012-2008 изменяется в пределах –15,9 ÷ 5,2 нТл, а Δ ( Δ B) а , 2012-2008 – от минус 7,1 до 12,9 нТл. Полученные кривые изменения поля по двум методикам вычисления отличаются только уровнем поля, величиной примерно 8 нТл (рис.2).

Поскольку эта разница сохраняется для всех точек вычисления (по отношению к обсерватории), то логично предположить, что она обусловлена именно изменениями в обсерватории «Киев». Анализ данных табл . 1, свидетельствующий об увеличении аномалий Δ B именно на 8 нТл, позволяет интерпретировать эту величину в первом приближении неоднородным ходом поля B IGRF в пределах обсерватории по отношению к точкам на профиле.

Таблица 2. Результаты измерений и вычисления аномалий Δ B, выполненных в 2012 г . (расположение точек см. на рис.1)

Пункт	№ то чки	Широ та φ, град.	Долго та λ, град.	B набл , нТл	B IGRF , нТл	B обс , нТл	δ B, нТл	B абс , нТл	∆B, нТл
Дымерка	1	50,59	30,85	50256,3	50319	50444,73	-16,97	50239,33	-79,67
Залесье	2	50,62	30,87	50284,8	50328	50440,45	-12,69	50272,11	-55,89
Рудня	3	50,68	30,94	50440,4	50349	50420,48	7,28	50447,68	98,68
Семиполки	4	50,71	30,94	50353,2	50357	50431,77	-4,01	50349,19	-7,81
Емельяновка	5	50,78	31,01	50043,2	50381	50424,69	3,07	50046,27	-334,73
Лемеши	6	50,98	31,10	50188,7	50440	50429,34	-1,58	50187,12	-252,88
Подлесная1	7	51,10	31,13	50366	50476	50419,1	8,66	50374,66	-101,34
Подлесная2	8	51,15	31,18	50521,2	50493	50418,5	9,26	50530,46	37,46
Надиновка1	9	51,21	31,13	50772,1	50501	50424,81	2,95	50775,05	274,05
Надиновка	10	51,22	31,04	50782,4	50493	50432,94	-5,18	50777,22	284,22
Ладынка1	11	51,28	31,17	51201,1	50522	50430,66	-2,9	51198,2	676,2
Ладынка	12	51,30	31,14	51375,8	50523	50433,09	-5,33	51370,47	847,47
Золотынка	13	51,34	31,23	51077,7	50545	50451,22	-23,46	51054,24	509,24
Ивановка	14	51,37	31,23	50951,5	50552	50447,91	-20,15	50931,35	379,35
Калычевка	15	51,42	31,28	50844	50567	50397,8	29,96	50873,96	306,96
Анисовка2	16	51,44	31,34	50847,2	50580	50405,79	21,97	50869,17	289,17
Анисовка	17	51,45	31,37	50811,5	50589	50410,04	17,72	50829,22	240,22
ПВХ Чернигов	18	51,50	31,41	50672,1	50599	50400,63	27,13	50699,23	100,23
Ульяновка2	19	51,51	31,43	50636,2	50605	50425,38	2,38	50638,58	33,58
Ульяновка1	20	51,51	31,44	50590,7	50608	50418,59	9,17	50599,87	-8,13
ПВХ Ульяновка	21	51,51	31,44	50588,1	50608	50428,49	-0,73	50587,37	-20,63
Старица	22	51,52	31,49	50458,1	50617	50440,09	-12,33	50445,77	-171,23
Сновьянка	23	51,55	31,55	50405,3	50628	50428,89	-1,13	50404,17	-223,83

С учетом вышеизложенного можно констатировать незначительные временные изменения аномального магнитного поля, составляющие ΔΔ B = –3,8÷ 1,3 нТл/год. Но при этом намечаются вполне определенные закономерности их пространственного распределения : с одной стороны , положительная связь аномалий ΔΔ B с характером аномального магнитного ΔB, а с другой – приуроченность наиболее интенсивных из них к зонам его максимальных градиентов (см. рис.2).

Анализ динамики геомагнитного поля свидетельствует прежде всего о том, что какая-то часть его изменений может быть обусловлена эффектом подмагничивания источника Черниговской РМА внешним магнитным полем. Для проверки этой гипотезы была уточнена магнитная модель земной коры исследуемого региона. За основу при этом взята магнитная модель, разработанная в работах [12, 14]. В соответствии с построенной моделью Черниговская РМА объясняется источниками консолидированной земной коры: верхний распространяется от глубины кристаллического фундамента, залегающего здесь на глубинах 3–4 км, до слабого отражающего горизонта на глубине 13 км, а нижний – от последнего до поверхности Мохоровичича (40–41км) (рис.2). Магнитная восприимчивость (намагниченность) верхнего источника имеет величину χ=0.041 ед.СИ (J=1,65 A/m), а нижнего – χ=0.053 ед.СИ (J=2,1 A/m) (см.рис.2).

Таблица 3 . Результаты вычислений аномального магнитного поля Δ B и аномального поля (Δ B) а , а также их динамики за четыре года – ΔΔ B 2012-2008 и Δ ( Δ B) а , 2012-2008

Пункт	Δ B 2008	Δ B 2012	( Δ B) а , 2008	( Δ B) а , 2012	Δ ( Δ B) а , 2012-2008	ΔΔ B 2012- 2008	B инд	Δ ( Δ B) а , 2012-2008 – R B инд.	ΔΔ B 2012- 2008 -B инд.
Дымерка	-116,5	-79,67	-216,38	-188,43			0,5
Залесье	-58,0	-55,89	-148,74	-155,65	2,1	-6,91	0,35	1,7	-7,26
Рудня	93,0	98,68	23,05	19,92	5,7	-3,13	-0,11	5,8	-3,02
Семиполки	-15,3	-7,81	-78,11	-78,57	7,5	-0,46	-0,25	7,8	-0,21
Омельяновка	-334,7	-334,73	-374,49	-381,49	0,0	-7	-0,57	0,6	-6,43
Лемеши		-252,88		-240,64			-0,38
Подлесная1	28,73	37,46	102,8	102,7	8,7	-0,1	0	8,7	-0,1
Подлесная2		-101,34		-53,1			0,26
Надиновка 1	265,63	274,05	346,7	347,29	8,4	0,59	1,28	7,1	-0,69
Надиновка	279,83	284,22	353,9	349,46	4,4	-4,44	1,2	3,2	-5,64
Ладынка1	665,53	676,2	768,6	770,44	10,7	1,84	3,25	7,4	-1,41
Ладынка	838,83	847,47	942,9	942,71	8,6	-0,19	3,87	4,8	-4,06
Золотынка	498,98	509,24	624,05	626,48	10,3	2,43	3,74	6,5	-1,31
Ивановка	367,63	379,35	500,7	503,59	11,7	2,89	3,6	8,1	-0,71
Каличевка	299,03	306,96	447,1	446,2	7,9	-0,9	2,36	5,6	-3,26
Анисовка2	280,78	289,17	441,85	441,41	8,4	-0,44	1,15	7,2	-1,59
Анисовка	231,93	240,22	401	401,46	8,3	0,46	0,49	7,8	-0,03
ПВХ Чернигов	107,33	100,23	287,4	271,47	-7,1	-15,93	-0,1	-7,0	-15,83
Ульяновка2	29,13	33,58	215,2	210,82	4,5	-4,38	-0,23	4,7	-4,15
Ульяновка1	41,13	-8,13	229,2	172,11			-0,277
ПВХ Ульяновка	-28,17	-20,63	159,9	159,61	7,5	-0,29	-0,32	7,9	0,03
Старица	-184,17	-171,23	12,9	18,1	12,9	5,2	-0,45	13,4	5,65
Сновянка		-223,83		-23,59			-0,59

Используя полученную модель, а также линейную зависимость индуктивной составляющей от величины намагничивающего поля (J= χ*He), можно рассчитать соответствующий эффект подмагничивания пород земной коры за счет изменения величины главного магнитного поля Земли BIGRF. С учетом того, что для временного интервала с 2007 по 2012г. намагничивающее поле изменилось на 170 нТл, максимальная величина индуцированного эффекта составляет 4,5 нТл. при интенсивности аномального магнитного поля 750 нТл. Естественно, что поведение кривой за счет подмагничивания соответствует характеру аномального магнитного поля, и его величина в пределах профиля изменяется от 4 нТл до -0,5 нТл (см. рис.2). Данный эффект был исключен из аномалии ΔΔB, в результате чего в остаточной кривой остались незначительные его величины для большей части профиля (в пределах ±0,5 нТл/год) и только в ряде мест наблюдаются значимые локальные изменения (более ±1.0 нТл/год) (см. табл.2, рис.2). В соответствии с геолого-тектоническим строением и разломной тектоникой земной коры исследуемого региона [2, 5] эти изменения хорошо увязываются с краевыми ограничениями глубинных магнитных источников и сопряженными с ними глубинными разломами. В частности, локальное уменьшение аномалий ΔΔB (т. 1-4) приурочивается к Ядловско-Трактемиров-скому разлому, разделяющему Росинско-Тикичский и Ингульский мегаблоки Украинского щита, Южнокраевому (т. 9, 10) и Северокраевому (т. 18-21) разломам Днепровско-Донецкого рифта (см. рис.2).

1000 Hill

Рис. 2. Магнитная модель земной коры Черниговской региональной магнитной аномалии вдоль профиля А - В. Графики аномального магнитного поля: 1 – ∆В , измеренное в 2012 г .; 2 – ∆В с карты аномального магнитного поля [11]; 3 – динамика аномалий модуля индукции ΔΔB с 2008 по 2012 г. (а – рассчитанная величина, б – с учетом поправки за подмагничивающий эффект); 4 – динамика аномалий модуля индукции Δ(ΔB) а с 2008 по 2012 г . (а – рассчитанная величина, б – с учетом поправки за подмагничивающий эффект); 5 – подмагничивающий эффект источников Черниговской РМА для временного интервала с 2007 по 2012 г. Цифры в кружках см. на рис.1.

Аналогичная динамика геомагнитного ных разломов была выявлена ранее при поля в отношении знака аномалий и их исследовании динамики Лохвицкой РМА приуроченности к зонам краевых глубин- [7, 13]. В соответствии с существующими данными повышенная динамика геомагнитного поля в зонах глубинных разломов связывается с флюидной деятельностью в их пределах и свидетельствует об их современной геодинамической активности.

Исследована динамика Черниговской региональной магнитной аномалии на основании измерений модуля индукции геомагнитного поля B во временном интервале 2008- 2012 гг. вдоль профиля Залесье – Ульяновка длиной 120 км.

В результате интерпретации данных измерений и вычислений установлены следующие закономерности:

• 1.    Увеличение за исследуемый временной интервал модуля индукции геомагнитного поля B на 140 нТл ( 35 нТл/год), причем эти изменения почти полностью обусловлены главным магнитным полем Земли B IGRF .

• 2.    На фоне существенного общего увеличения геомагнитного поля выделены незначительные временные изменения аномалий ΔB регионального (ΔΔB<1,0 нТл/год) и локального (ΔΔB>±1,5 нТл/год) характера.

• 3.    Расчетная величина индукционного эффекта от сложного магнитного источника (в пределах - 0,5÷4,0 нТл) хорошо описывает изменения аномалий ΔΔB регионального характера.

• 4.    Знакопеременные аномалии ΔΔB локального характера ( - 15,9÷5,2 нТл) приурочены к Южнокраевому и Северокраевому глубинным разломам Днепровско - Донецкого авлакогена (рифта) и с большей долей вероятности свидетельствуют об их современной геодинамической активности.