CC BY
38
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ УЧЁТА ВЕКОВОЙ ВАРИАЦИИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГЕОМАГНИТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ И СЪЁМОК В СИБИРИ
Дмитрий Александрович Кулешов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского Отделения Российской Академии наук (ИНГГ СО РАН), 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, аспирант ИНГГ СО РАН, тел. +7(383)333-29-05, e-mail: KuleshovDA@ipgg.sbras.ru
Петр Георгиевич Дядьков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского Отделения Российской Академии наук (ИНГГ СО РАН), 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, доцент кафедры геофизики геолого-геофизического факультета Новосибирского государственного университета, к.г.-м.н., зав. лабораторий естественных геофизических полей ИНГГ СО РАН, тел. +7(383)333-03-99, e-mail: DyadkovPG@ipgg.sbras.ru
В статье рассматриваются пространственные особенности вековой вариации геомагнитного поля в Сибири за последние 20 лет. Оценивается погрешность её определения по модели IGRF-11. Предложен метод выделения вековой вариации по результатам высокоточных наблюдений на локальных участках.
Ключевые слова: геомагнитное поле, вековая вариация, геомагнитная съемка, методы учёта вековой вариации геомагнитного поля, тектономагнитный мониторинг.
PROBLEMS AND METHODS FOR CALCULATION OF SECULAR VARIATION IN GEOMAGNETIC MEASUREMENTS AND SURVEYS IN SIBERIA
Dmitry A. Kuleshov
TROFIMUK INSTITUTE OF PETROLEUM GEOLOGY AND GEOPHYSICS SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, ave. Academician Koptyuga 3, postgraduate IPGG SB RAS, tel. +7(383)333-29-05, e-mail: KuleshovDA@ipgg.sbras.ru
Petr G. Dyadkov
TROFIMUK INSTITUTE OF PETROLEUM GEOLOGY AND GEOPHYSICS SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, ave. Academician Koptyuga 3, docent of geophysics department of Novosibirsk State University, Ph.D., head of laboratory of natural geophysical fields, IPGG SB RAS, tel. +7(383)333-03-99, e-mail: DyadkovPG@ipgg.sbras.ru
The space features of geomagnetic secular variation in the Siberia during the last 20 years is considered. We estimated errors between data of Siberian magnetic observatories and IGRF-11 model. The method for calculation of secular variation value based on precision survey data for local areas is offered.
Key words: geomagnetic field, secular variation, geomagnetic survey, method for calculation of geomagnetic secular variation, tectonomagnetic monitoring.
Введение
При проведении высокоточных геомагнитных наблюдений и съемок, выполняемых для широкого круга задач, как с целью разведки полезных ископаемых, так и для мониторинга состояния среды и изучения геодинамических процессов, возникает проблема учета вековой вариации геомагнитного поля (ГМП).
При выделении вековой вариации ГМП, как правило, используются 2 подхода. Одной из общепризнанных моделей для расчета вековой вариации является IGRF-11 (International Geomagnetic Reference Field: the eleventh generation ) [1]. Следует иметь ввиду, что минимальные выделяемые структуры ГМП по модели IGRF-11 составляют порядка 2-3 тыс. км [2]. Кроме того, эта модель уточняется раз в пять лет, и она может не учитывать быстрых изменений вековой вариации - джерков. Поэтому, для локальных полигонов различие ГМП по данным модели и данным измерений может быть значительным [3].
Другой подход вычисления вековой вариации ГМП основывается на данных конкретных геомагнитных обсерваторий и данных наблюдений на пунктах векового хода, например [4], либо с использованием пунктов наблюдений геомагнитного поля при тектономагнитных исследованиях на геодинамических полигонах [5].
Вековая вариация ГМП в Сибири и прилегающих территориях.
Сравнение данных обсерваторий с данными модели IGRF-11
По данным обсерваторий [6] и модели IGRF-11 построены карты изменения модуля вектора геомагнитной индукции на территории Сибири и прилегающих областей за период 1989 - 2009 гг. относительно 1989 г. (рис. 1(а,Ь)).
Во-первых, анализ этих данных показывает, что изменения магнитного поля за 20-летний период достигают 500-600 нТл, т.е., ежегодные приращения значений модуля магнитной индукции могут в среднем составлять 25 - 30 и более нТл.
Во-вторых, сравнение величин вековой вариации, рассчитанной по данным обсерваторий (рис. 1а) и по модели IGRF-11 (рис. 1b), показывает различие между результатами расчетов до 75 нТл за 20 лет для обсерватории Алма-Ата (AAA) (рис. 1с). Невязка для территории Сибири имеет меньшую величину ~ +-20 нТл за 20 лет. По-видимому, этой величиной мы можем характеризовать несоответствие модели IGRF-11 обсерваторским данным при выделении вековой вариации на территории Сибири.
Среднее значение невязки составляет + - 1 нТл в год, но в связи неравномерностью изменений магнитного поля во времени это значение может быть больше, особенно для высокоширотных районов, где невязка достигает в отдельные годы в 2 - 3 раза больших величин.
a)
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Long
b):
nT
I
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Long
700
650
600
550
500
450
400
350
— 300
— 250 200 150 100 50 0
I
Long
Рис. 1. Изменения модуля индукции геомагнитного поля за период 1989 - 2009 гг. относительно 1989 г.:
a) по данным обсерваторий;
b) по данным модели IGRF-11;
^ разность между a и Ь. Коды обсерваторий представлены
в соответствии с международной классификацией
60
50
40
Методика выделения вековой вариации по данным высокоточных наблюдений на локальных участках
Проведение высокоточных наблюдений на локальных участках, например, на геодинамических полигонах при тектономагнитных исследованиях, позволяет предложить методику выделения вековой вариации, которая включает в себя несколько этапов.
Подготовка исходных данных. Исключаются из рассмотрения пункты, находящиеся в пределах влияния интенсивных магнитных аномалий, а также пункты, находящиеся в поле техногенного воздействия и тектономагнитных аномалий.
Интерполяция данных высокоточных магнитных наблюдений полиномиальными поверхностями различного порядка. Качество интерполяции векового хода поверхностями различного порядка можно отслеживать по значениям среднеквадратичных отклонений величин разности между исходными данными и значениями в точке (X. ) функции Z( X., д), интерполирующей вековой ход
данным типом поверхности. Величина среднеквадратичного отклонения отражает точность, с которой выделяется вековой ход. Однако для того, чтобы сравнивать между собой значения среднеквадратичных отклонений (особенно если они близки) и определять, каким типом поверхности удается лучше выделить вековой ход, необходимо учитывать, что размеры фокусов векового хода составляют порядка 5 - 6 тыс. км [7]. Поэтому для локальных полигонов с размерами порядка (150х150 км ) изолинии поверхностей, интерполирующих вековую вариацию, должны представлять собой дуги больших окружностей. Если
значения среднеквадратичных отклонений величин разности между исходными данными и значениями в точках (X. ) функции Z( X., ^), интерполирующей
вековой ход поверхностью близки, и точность, с которой интерполируется вековая вариация плоскостью, достаточна для данного типа исследования, то в качестве интерполирующей вековой ход поверхности можно рассматривать плоскость.
Выделение вековой вариации для Алтайского и Байкальского геодинамических полигонов. Сравнение с данными ЮК.Р-11
Апробация методики была выполнена на Алтайском и Байкальском геодинамических полигонах. На Байкальском геодинамическом полигоне с целью мониторинга напряженного состояния земной коры на 200 пунктах проводятся ежегодные измерения модуля вектора геомагнитной индукции вот уже более 40 лет.
На Алтайском геодинамическом полигоне на 40 пунктах проводятся ежегодные измерения модуля вектора геомагнитной индукции, начиная с октября 2003 г. Первые пункты тектономагнитных наблюдений были заложены спустя несколько дней после Чуйского землетрясения 27.09.2003, М=7,3. Размеры полигона составляют порядка 120 км на 110 км с севера на юг и с запада на восток соответственно. На рис. 2 показаны результаты выделения и учета вековой вариации за период с 2004 по 2012 гг. Наряду с интерполяцией плоскостью были опробовано представление вековой вариации поверхностями более высоких порядков.
а) Л
87 87.2 87.4 87.6 87.8 88 88.2
Ьопд
С)
6-=^ д X, ^ Ка^л |ч^5-2
Ме^е
6 7 - я
пТ
I
В
Ь)
15
13.5 12
10.5 9
7.5 6
4.5 3
1.5 0
-1.5
-3
-4.5
-6
-7.5
-9
-10.5
-12
87 87.2 87.4 87.6 87.8 88 88.2 88.4 88.6
Ьопд
пТ
— 2.6 — 2.1 — 1.6 — 1.1 — 0.6 —1о.1
-0.4 -0.9 -1.4 -1.9 -2.4 -2.9 -3.4
87 87.2 87.4 87.6 87.8 88 88.2 88.4 88.6
Ьопд
Рис. 2. Изменение геомагнитного поля на Алтайском геодинамическом полигоне за период 2004-2012 гг. относительно 2004 г.: а) изменения модуля индукции; Ь) вековая вариация, интерполированная плоскостью; ^ изменение модуля индукции после учета вековой вариации (разность между a и Ь)
Учет вековой вариации на Байкальском геодинамическом полигоне для периода 2009-2012 гг. позволил выделить наибо-
лее интенсивные тектономагнитные аномалии в районе центральной части Байкальской впадины, где в последние годы, в том числе в настоящее время, наблюдается сейсмическая активизация.
Обсуждение результатов
Сравнение вековой вариации модуля геомагнитной индукции для территории Сибири, рассчитанной по данным обсерваторий и по модели IGRF-11 для периода 1989-2009 гг., позволило оценить несоответствие между реальными и модельными данными. Невязка для территории Сибири составляет ~ + - 20 нТл за 20 лет. При этом абсолютная величина вековой вариации достигала 500-600 нТл в западных районах Сибири.
Эти оценки могут служить основой для определения погрешностей, возникающих за счет неучета вековой вариации при проведении различных магнитных наблюдений и съемок, в том числе с геологоразведочными целями. Учет векового хода, основанный на этих оценках, также необходим при выделении длиннопериодных, например, 11 -летних вариаций, которые могут быть использованы для зондирования структуры аномалий электропроводности нижней мантии.
Предложена методика, позволяющая по данным экспериментальных наблюдений на локальных участках, произвести учёт и исключение вековой вариации. Эта методика была апробирована на Алтайском геодинамическом полигоне. Учет вековой вариации позволил выделить тектономагнитные аномалии, которые до этого в явном виде не проявлялись, при этом наблюдается пространственная приуроченность одной из основных аномалий к области генерации афтершоков и сейсмодислокации Чуйского землетрясения 27.09.2003, M=7,3.
Данное исследование поддержано проектами СО РАН МИП 96 и ИП 54, а также проектом 7.1 ОНЗ РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Finlay C.C., Maus S., Beggan C.D., Bondar T.N. et al. International Geomagnetic Reference Field: the eleventh generation // Geophys.J. Int. (2010) 183, 1216 - 1230.
2. Ладынин А.В., Попова А.А., Семаков Н.Н.. Векторные магнитные измерения с фер-розондовыми теодолитами // Новосибирский государственный университет, 2005, с. 25.
3. Демина И.М., Петрова А.А.. Качество прогноза векового хода главного геомагнитного поля и его влияние на создание сводных карт России // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2010 № 1. выпуск № 15, 206 - 215.
4. Чурсин А.В. Прутьян А.М., Федорова Н.В. Цифровая карта аномального магнитного поля Северного, Среднего и Южного Урала и прилегающих территорий ВосточноЕвропейской и Западно-Сибирской платформ // Литосфера, 2008, № 6, с. 63 - 72.
5. DjadkovP.G., Mikheev O.A., MinenkoM.I., Sobolev O.A. Some results of tectonomagnetic monitoring in the epicentral zone of the M7.5 Altay earthquake, September 27, 2003 // Annals of geophysics, v. 50, №1 (2007), 31 - 37.
6. British geological survey. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.geomag.bgs.ac.uk /data_service/data/annual_means.shtml.
7. Бондарь Т. Н., Головков В. П., Яковлева С. В. Региональные особенности векового хода геомагнитного поля // Геомагнетизм и аэрономия, 2008, том 48, № 4, с. 553-560.
© Д.А. Кулешов, П.Г. Дядьков, 2013
