Результаты магнитотеллурических исследований литосферы Карело-Кольского региона

DOI:

*Геологический институт КНЦ РАН, г. Апатиты, Мурманская обл., Россия; e-mail: , ORCID: Реферат

Скороходов А. А. и др. Результаты магнитотеллурических исследований литосферы Карело-Кольского региона. Вестник МГТУ. 2026. Т. 29, № 2. С. 237–252. DOI: 10.21443/1560-9278-2026-29-2-237-252.

Alexey A. Skorokhodov*, Alexandr N. Shevtsov, Andrey E. Hannibal, Tamara G. Korotkova *Geological Institute KSC RAS, Apatity, Murmansk region, Russia; e-mail: , ORCID:

Skorokhodov, A. A. et al. 2026. The results of magnetotelluric studies of the lithosphere of the Karelian-Kola region. Vestnik of MSTU, 29(2), pp. 237–252. (In Russ.) DOI: 10.21443/1560-9278-2026-29-2-237-252.

Исследуемый район расположен на стыке Карельского и Беломорского геоблоков. Карельский геоблок (Карельский кратон) сложен преимущественно архейскими, плохопроводящими гранито-гнейсами. Внутри геоблока присутствуют зоны, сложенные протерозойскими вулканогенными, вулканогенно-осадочными, диабазовыми породами складчатого типа, вытянутыми в северо-западном направлении. Беломорский геоблок – это складчатый пояс, представленный различными по составу, структуре и текстуре гнейсами, гранито-гнейсами, амфиболитами, магматическими породами от ультрабазитов до гранитов ( Гришин, 1990 ).

В период 2007–2024 гг. на территории Восточной части Балтийского щита была проведена серия экспериментов FENICS (Fennoscandian Electrical Conductivity with Natural & Controlled Sources) по глубинному электромагнитному зондированию литосферы с применением естественных и мощных контролируемых источников ( Шевцов и др., 2022 ). Вдохновителем и руководителем этой серии экспериментов в 2007– 2019 гг. являлся доктор геолого-минералогических наук А. А. Жамалетдинов. За годы проведения экспериментов помимо частотных зондирований с мощным контролируемым источником ( Колобов и др., 2018 ) были собраны данные магнитотеллурических зондирований по значительной площади Восточной части Фенноскандинавского щита.

В работе выполнен анализ полученных данных с целью изучения глубинного строения литосферы на данной территории.

Материалы и методы

Геологическое описание района работ

Граница Беломорского и Карельского геоблоков, названная Восточно-Карельской зоной или главной зоной карелид ( Харитонов, 1966 ), представляет собой сложную систему глубинных разломов. Супракрустальные комплексы этой зоны отличаются исключительным преобладанием в их составе метавулканитов.

Удельное сопротивление архейских пород варьируется в диапазоне от 103 до порядка 105–106 Ом∙м, зависит в основном от флюидонасыщенности, и, соответственно, трещиноватости. Протерозойские породы также обладают высоким сопротивлением, однако могут иметь включения электронопроводящих сульфидов и графитов в разломных зонах, что существенно снижает удельное сопротивление этих пород.

На исследуемой территории (рис. 1) было проведено множество геофизических исследований ( Зуева и др., 2023; Шаров и др., 2007 ), результаты рассмотрены, в основном, в квазиодномерном приближении ( Ковтун и др., 2005 ). Интерпретация результатов проведенных экспериментов в одномерном приближении ограничивает возможность более точного определения глубинного геоэлектрического разреза. Наличие протяженных складчатых структур создает предпосылку для двумерной аппроксимации данных экспериментов.

Данные магнитотеллурических зондирований. Измерения, обработка, погрешности

В рамках экспериментов FENICS измерения проводились так же, как при магнитотеллурических зондированиях (МТЗ): измерялись вариации горизонтального электрического и полного магнитного поля. За все годы на территории Карело-Кольского региона наблюдения выполнены в 60 точках. Длительность записи составляла 8–12 ч. В качестве приемников применялись 2 измерительные станции: широкополосные магнитотеллурические станции VMTU-10 (станция пятого поколения) и КВВН-7 (станция четвертого поколения) ( Колобов и др., 2011 ), совместно разработанная сотрудниками Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра (ЦЭС КНЦ) РАН и Полярного геофизического института Кольского научного центра (ПГИ КНЦ) РАН. VMTU-10 имеет внутренний логгер, синхронизирующийся по GPS, работающий в 5-канальном режиме на частоте оцифровки до 1 000 Гц и до 32 разрядов чувствительности, также имеет возможность подключения внешнего логгера. Станция КВВН-7 регистрирует сигнал с помощью семи каналов и работает через внешний аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). В разные годы применялись разные АЦП с динамическим диапазоном 14–18 дБ и частотой оцифровки до 20 кГц.

Собственные шумы магнитных датчиков КВВН-7 и VMTU-10 составляют 20–30 фТл/Гц1/2 в области частотного диапазона 10–300 Гц, что на порядок ниже шумов естественного поля.

Таким образом, общий частотный диапазон данных МТЗ составил 0,1–10 000 Гц, но основная часть данных имеет полезный сигнал в диапазоне 1–300 Гц.

Рис. 1. Схема расположения профилей на геологической карте: желтый – профиль 1, зеленый – профиль 2, красный – профиль 3, черный пунктир – профиль SVEKA, серый пунктир – приблизительное положение Ладожско-Ботнической зоны

Fig. 1. Profile position scheme on geological map. Yellow line – profile 1, green line – profile 2, red line – profile 3, black dash line – SVEKA profile, grey dash line – approximate location of the Ladoga-Botnic zone

Обработка данных в режиме МТЗ была выполнена с помощью программы VMTU-1d для обработки и одномерной интерпретации данных станции VMTU-10. В ней реализована стандартная процедура обработки магнитотеллурических данных, предложенная Семеновым в 1985 г. (Семенов, 1985), которая актуальна и сегодня. Для каждой измеренной компоненты поля рассчитываются усредненные спектры и корреляционные соотношения между сопряженными и антисопряженными компонентами электромагнитного поля. Далее по частотам, удовлетворяющим критериям отбора, определяется отклик среды Zxx, Zxy, Zyx, Zyy, по которому определяется кажущееся удельное сопротивление:

1 I                   12

P xy ( f ) =       ■ Z xy ( f ) ,   Ф xy ( f ) = arg( Z xy ( f )),

2л ^f j₀

1 I                   12

P yx ( f ) = , .   ■ Z_y. ( f ) , Ф yx ( f ) = arg( Z ( f )),

2n f j₀

где μ 0 – магнитная проницаемость вакуума, f – частота.

С помощью вращения матрицы тензора импеданса по формуле

Z '(a) = R (a) / Z xx   Z xy У R (a) ^-1 , R (a) = ( ^cos<^a)

sin(a) cos(a)

I Z yx   ^Z yy J               I- sin(a)

определены направления главных компонент поля относительно магнитного меридиана, значения кажущегося удельного сопротивления ρ _xy , ρ _yx (рис. 2, а ) по этим направлениям (ТЕ и ТМ), фазы импеданса φ _xy , φ _yx (рис. 2, б ) по формулам (1, 2), а также строятся полярные диаграммы (рис. 2) главных и дополнительных компонент тензора импеданса ( Бердичевский, 2009 ).

Дополнительно рассчитаны параметры асимметрии Свифта skews и Бара skewb, определяющие размерность нижнего полупространства:

skew

skew. =

Z+ xxyy

Z- xyyx

I Im( Z xy ■ Z yy + Z  ■ Z yx )

I Z xy ^- Z

где Z _xy , Z _yx – главные, Z _xx , Z _yy – дополнительные компоненты тензора импеданса.

Для дальнейшего рассмотрения выбирались данные, соответствующие двумерному приближению ( Бердичевский, 2009 ).

Полярные диаграммы главной компоненты в случае одномерного и двумерного приближения имеют форму окружности, эллипса, или "расширенной" восьмерки, а диаграммы дополнительной компоненты – форму четырехлистника значительно меньшей амплитуды. В случае трехмерного, ассиметричного приближения диаграммы обеих компонент имеют сложные, близкие по амплитуде формы, а параметры Свифта и Бара в одномерном и двумерном приближении стремятся к нулю.

На рис. 2 показаны вычисленные по формуле (3) полярные диаграммы главной компоненты ( ху ), обозначенные синим цветом, и дополнительной ( хх ), обозначенные красным.

Как видно из рисунка, имеется согласованность между формой полярных диаграмм и значением инвариантов skew . Таким образом, произведен отбор частот, соответствующий двумерному приближению, при этом часть точек была исключена полностью. В результате для трех профилей было отобрано 28 точек МТЗ.

В каждой точке определены направления главных компонент поля относительно магнитного меридиана, значения кажущегося удельного сопротивления ρ xy , ρ yx (рис. 2, а ), фазы импеданса φ xy , φ yx (рис. 3) по формулам (1, 2), отобранные для двумерного приближения.

На рис. 3, 4, 5 приведены кривые кажущегося удельного сопротивления и фазы импеданса, соответственно для профиля 1, 2 и 3. В ряде точек видны узкие частотные диапазоны и довольно большой разброс по погрешности, это связано как с присутствием высоких промышленных помех, так и с наличием отклика сигнала от трехмерных неоднородностей, которые были исключены с помощью параметров Свифта и Бара, а также полярных диаграмм.

За исключением нескольких точек наблюдений, общей чертой для амплитудных кривых является нисходящий вид на периодах больше 1 с, максимумы амплитудных кривых находятся на уровне 104 Ом∙м и выше. Фазовые кривые в пределах погрешности, в основном, практически одинаковы для обеих поляризаций, что подтверждает корректность выбора критериев отбора данных.

Рис. 2. Полярные диаграммы и параметр skew для данных по профилю 1: а – параметр Бара ( skew b ); б – параметр Свифта ( skew s ) Fig. 2. Polar diagrams and skew factor for data of profile 1: а – Bahr parameter ( skew b ); б – Swift parameter ( skew s )

Рис. 3. Кривые кажущегося удельного сопротивления и фазы импеданса по профилю 1. Точками указаны измеренные данные, сплошными линиями – модельные данные по результатам инверсии; а – кривые кажущегося удельного сопротивления; б – кривые фазы импеданса Fig. 3. Apparent resistivity and impedance phase curves on profile 1. The dots represent the measured data, and the solid lines represent the model data based on the inversion results; a – curves of apparent resistivity; b – curves of impedance phase

Рис. 4. Кривые кажущегося удельного сопротивления и фазы импеданса по профилю 2. Точками указаны измеренные данные, сплошными линиями – модельные данные по результатам инверсии; а – кривые кажущегося удельного сопротивления; б – кривые фазы импеданса Fig. 4. Apparent resistivity and impedance phase curves on profile 2. The dots represent the measured data, and the solid lines represent the model data based on the inversion results; a – curves of apparent resistivity; b – curves of impedance phase

Рис. 5. Кривые кажущегося удельного сопротивления и фазы импеданса по профилю 3. Точками указаны измеренные данные, сплошными линиями – модельные данные по результатам инверсии; а – кривые кажущегося удельного сопротивления; б – кривые фазы импеданса Fig. 5. Apparent resistivity and impedance phase curves on profile 3. The dots represent the measured data, and the solid lines represent the model data based on the inversion results; a – curves of apparent resistivity; b – curves of impedance phase

Инверсия данных МТЗ

Для двумерной инверсии магнитотеллурических данных использовалась программа MARE2DEM ( Key, 2016 ).

Перед решением обратной задачи были выполнены расчеты прямых задач с целью смоделировать искажения статического сдвига и влияния ионосферы. В MARE2DEM прямая задача решается методом конечных элементов с адаптивным разбиением, а обратная – по методу Оккама ( Constable et al., 1987 ).

В качестве априорной модели были применены 2 одномерных (горизонтально-слоистых) разреза: нормальный, характерный для Кольского региона, и аномальный – больше соответствующий Карельскому региону ( Жамалетдинов и др., 2004; 2015 ).

После нескольких циклов инверсии с разными моделями и значениями веса стало очевидно, что конечный результат практически не зависит от типа априорной модели, но значение веса модели может оказывать значительное влияние на конечный результат инверсии.

Также стоит отметить, что разрезы, получающиеся в результате инверсии, довольно сильно отличаются от начальной горизонтально-слоистой модели даже при w = 1.

Для каждого полученного разреза рассчитываются продольная проводимость и поперечное сопротивление по всей его глубине.

На профиле 1 (рис. 6) выделяются 2 зоны пониженного удельного сопротивления. В северной части профиля (Зашеек – Шомба) область понижения удельного сопротивления не имеет явной корреляции с геологическими структурами на поверхности и не может быть объяснена береговым эффектом, связанным с близостью Белого моря.

Проявившаяся в южной части зона пониженного сопротивления ассоциируется с Ладожской аномалией электропроводности ( Куликов и др., 2021 ), приуроченной к Ладожско-Ботнической шовной зоне (рис. 1).

На профиле 2 (рис. 7) видно расхождение инверсий с разным весом априорной модели. Для w = 0,5 наблюдается аномалия пониженного удельного в районе точки Тунгозеро на глубине 25 км, которой нет на разрезе с w = 1. Это может быть объяснено программной особенностью подбора модели. Тем не менее в обоих случаях в этом районе присутствует область пониженного сопротивления, проявляющаяся в повышенной продольной проводимости (рис. 7, г ).

На разрезах по профилю 3 видно, что в данном случае на конечный результат не влияет вес априорной модели. Здесь наблюдаются две области повышенной продольной проводимости. В точке P07 аномалия, вероятно, связана с разломом, проходящим через эту точку. В геоэлектрическом разрезе эта область проявляется в виде локальной приповерхностной неоднородности. Аномальная область в районе точки Топозеро имеет больший размер, прослеживается на глубину и может быть связана с разломом в этой области на поверхности, имеющим падение в северо-восточном направлении. Разрезы, полученные по профилям 2 (рис. 7) и 3 (рис. 8), согласуются с результатами электромагнитных исследований по профилю SVEKA (рис. 9) ( Korja et al., 2006 ). Различие между разными версиями разрезов (рис. 9, б, в ) связано с разным подходом к обработке и инверсии, однако в Восточной (Карельской) части наблюдается общий характер обоих вариантов разрезов (2 зоны повышенного сопротивления до глубины порядка 50 км, разделенные областью понижения удельного сопротивления). Эта часть профиля SVEKA по сути параллельна профилям FENICS 2 и 3. На профиле 2 (рис. 9, г ) имеется область пониженного сопротивления, практически совпадающая по положению с такой же зоной на профиле SVEKA. Профиль 3 (рис. 9, д ) находится чуть в стороне от профиля SVEKA и зона понижения сопротивления здесь смещена на восток, однако в остальном разрез имеет характер, схожий с разрезами SVEKA.

В районе оз. Топозеро наблюдается зона пониженного удельного сопротивления (рис. 7 и 8), которая находится на пересечении профилей 1 и 3 и подсекается несколькими точками.

На профиле 2 область пониженного сопротивления находится также возле оз. Топозеро на пересечении профилей 1 и 2. Таким образом, если рассматривать эти зоны как одну большую аномалию, то получится, что она вытянута в юго-восточном направлении вдоль системы водохранилищ от точки Зашеек до точки Шомба, как и большинство геологических структур в этой части Карельского региона.

Рис. 6. Результаты инверсии МТ данных по профилю 1: а – положение профиля на геологической схеме;

б – результат инверсии с весом априорной модели w = 0,5; в – результат инверсии с весом априорной модели w = 1; г – продольная проводимость S и поперечное сопротивление Т по результатам инверсии: пунктирной линией – для w = 0,5, сплошной линией – для w = 1

Fig. 6. Results of MT-inversion on profile 1: а – the position of the profile on the geological diagram;

b – the result of inversion with the weight of the a priori model w = 0.5; в – the result of inversion with the weight of the a priori model w = 1; г – longitudinal conductivity S and transverse resistance T according to the results of inversion: dotted line for w = 0.5, solid line for w = 1

Рис. 7. Результаты инверсии МТ-данных по профилю 2: а – положение профиля на геологической схеме;

б – результат инверсии с весом априорной модели w = 0,5; в – результат инверсии с весом априорной модели w = 1; г – продольная проводимость S и поперечное сопротивление Т по результатам инверсии: пунктирной линией – для w = 0,5, сплошной линией – для w = 1

Fig. 7. Inversion of MT data on profile 2: a – the position of the profile on the geological diagram;

б – the result of inversion with the weight of the a priori model w = 0.5; в – the result of inversion with the weight of the a priori model w = 1; г – longitudinal conductivity S and transverse resistance T according to the results of inversion: dotted line for w = 0.5, solid line for w = 1

Рис. 8. Результаты инверсии МТ-данных по профилю 3: а – положение профиля на геологической схеме;

б – результат инверсии с весом априорной модели w = 0,5; в – результат инверсии с весом априорной модели w = 1; г – продольная проводимость S и поперечное сопротивление Т по результатам инверсии: пунктирной линией – для w = 0,5, сплошной линией – для w = 1

Fig. 8. The results of the MT data inversion on profile 3: a – the position of the profile on the geological diagram; б – the result of the inversion with the weight of the a priori model w = 0.5; в – the result of the inversion with the weight of the a priori model w = 1; г – the longitudinal conductivity S and the transverse resistance T according to the results of the inversion: dotted line for w = 0.5, solid line for w = 1

Рис. 9. Сравнение результатов МТЗ данных по профилю SVEKA и по профилям FENICS: а – положение профилей на геологической схеме; результаты инверсии МТЗ данных по профилю SVEKA: б – результат инверсии с помощью процедуры Occam; в – результат инверсии I. Lahti ( Korja et al., 2006 ); г – результат инверсии T. Korja ( Korja et al., 2006 ); результаты инверсии МТЗ данных эксперимента FENICS: д – по профилю 2; е – по профилю 3

Fig. 9. Comparison of MTZ results for the SVEKA profile and the FENICS profiles: a – position of the profiles on the geological map, the result of the inversion of the MTS for the SVEKA profile: б – using the Occam procedure; в – the result of I. Lahti inversion ( Korja et al., 2006 );

г – the result of T. Korja inversion ( Korja et al., 2006 ); results of the FENICS MTS-data inversion: д – profile 2; е – profile 3

Результаты и обсуждение

Получены результаты магнитотеллурических зондирований в Восточной части Фенноскандинавского щита в рамках серии экспериментов FENICS. Отобраны данные для двумерной инверсии. Произведена двумерная инверсия и построены геоэлектрические разрезы по 3 профилям. Выявлены две аномальные зоны. В центральной части аномалия имеет вытянутую форму, простирающуюся в юго-восточном направлении согласованно с региональными геологическими структурами. В южной части аномалия, вероятно, является проявлением Ладожской аномалии электропроводности, приуроченной к Ладожско-Ботнической шовной зоне (ЛБЗ). Однако рассматривать эти зоны как региональные аномальные структуры не стоит. Их размер может быть обусловлен расстоянием между точками наблюдений. При более детальном рассмотрении они могут быть представлены в виде серий локальных неоднородностей, оказывающих влияние на более масштабные исследования.

Тем не менее полученные разрезы согласуются с результатами предыдущих исследований. Эти результаты будут применены при инверсии данных, полученных методом частотного зондирования в рамках экспериментов FENICS.

Заключение

Применение обновленной методики измерений МТЗ вместе с обработкой данных позволило выполнить двумерную инверсию и получить разрезы по трем профилям. Выявлены аномальные зоны в центральной и южной части области исследования Карело-Кольского региона, согласованные с региональными геологическими структурами, такими как Ладожско-Ботническая зона.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-17-00208. Коллектив выражает благодарности Копытенко Е. А., Tерещенко П. Е. за предоставление и обслуживание широкополосной магнитотеллурической станции VMTU-10 и Петрищеву М. А. за программу обработки сигнала, записанного этой станцией.