Способ определения глубины залегания изотермы Кюри

Изобретение относится к геофизике, в частности к области измерения величин геомагнитного поля, предназначено для определения геометрических параметров магнитоактивного слоя литосферы. Изобретение может найти применение при изучении глубинного строения литосферы, в геотермии для оценки температур глубинной среды литосферы и верхней мантии и построении карт глубин среды для этих температур.

Геотермия является одной из важнейших областей знаний наук о Земле и изучает тепловой режим внутренней среды Земли. Геотермия использует данные теплового потока, который определяется величинами температур земной коры, измерячемых в шахтах и скважинах. Метод весьма трудоемкий и затратный и определяет температуры поверхностного слоя земной коры в пределах глубин в несколько километров. По этим данным оценивать температуры глубинной среды земной литосферы весьма проблематично, в чем геологи убедились при бурении Кольской сверхглубокой скважины.

Намагниченные горные породы создают так называемое аномальное геомагнитное поле (магнитные аномалии), которое в настоящее время позволяет реализовать оценку значений температуры глубинной среды с использованием бесконтактных физических методов. Эти методы основаны на определении глубины залегания нижней границы магнитоактивного слоя литосферы, вероятно, и верхней мантии, которая обусловлена размагничиванием горных пород при определенной температуре (точка Кюри). Следовательно, глубина залегания нижней границы магнитоактивного слоя соответствует положению изотермы Кюри. Определение глубины залегания изотермы Кюри позволяет оценить термические характеристики литосферы и, возможно, в сочетаниями с другими методами, определить тип горных пород, обеспечивающих изотерму Кюри на найденной глубине. Глубина залегания изотермы Кюри является одним из важнейших геофизических параметров. Она в какой-то мере зависит от геодинамических и аномальных тектонических процессов, вулканической деятельности, от образования мантийных плюмов, от распада радиоактивных элементов и пр.

Известен способ оценки глубины залегания магнитоактивного слоя литосферы и его верхней и нижней границ по аэромагнитным данным, принятый нами за прототип (Tanaka A., Okubo Y., Matsubayashi О. Curie point depth based on spectrum analysis of the magnetic anomaly data in East and Southeast Asia. Tektonophysics, 306 (1999), pp. 461-470). В известном способе осуществляют приземные аэромагнитные измерения модуля индукции геомагнитного поля вдоль исследуемого профиля, вычисляют амплитудный или энергетический спектр полученных данных. Далее разделяют спектр на две части, раздельно содержащие высокие и низкие гармонические частоты таким образом, что низкие частоты соответствуют магнитным источникам центра масс магнитоактивного слоя. По углу наклона асимптоты логарифма высокочастотной части спектра определяют глубину залегания верхней границы магнитоактивного слоя. По углу наклона асимптоты логарифма низкочастотной части спектра определяют глубину залегания центра масс магнитоактивного слоя. После этого глубину залегания нижней границы магнитоактивного слоя (изотермы Кюри) определяют по известной формуле: Z_be=2Z_ac-Z_te, где: Z_be - глубина залегания изотермы Кюри; Z_ac - глубина центра масс; Z_te - глубина залегания верхней границы.

Но этот способ не обеспечивает высокой точности оценки положения изотермы Кюри, так как в его реализации используют аэромагнитные данные, не позволяющие полностью выделить поля самых глубинных магнитных источников ввиду присутствия в аэромагнитных данных высокоинтенсивных локальных аномалий, являющихся помехой для выделения полей глубинных магнитных источников. А именно поля глубинных магнитных источников несут информацию о предельных глубинах залегания нижней границы магнитоактивного слоя.

Решаемая техническая задача состоит в повышении точности определения глубины залегания изотермы Кюри по сравнению с известными методами, что достигается путем использования для этого данных о магнитных полях самых глубинных источников, выделенных из данных высотных градиентных магнитных измерений.

Поставленную задачу предлагается решить путем дополнительных аэростатных измерений вертикальных градиентов модуля индукции геомагнитного поля на высотах 20-40 км, позволяющих выделить поля магнитных источников, расположенных на предельных глубинах их существования. Для детального выделения магнитного поля этих источников принципиально необходимы магнитные съемки на высотах 20-40 км, численно сопоставимых с вертикальной толщиной магнитоактивного слоя, на которых аномальное геомагнитное поле формируется с естественным осреднением локальных аномалий. При этом сглаженные магнитные поля от поверхностных и глубинных источников на этих высотах имеют величины одного и того же порядка, так как удаленность точки измерения от земной поверхности и от подошвы литосферы отличается всего лишь в два-три раза и поля глубинных источников выделяются в полной мере.

Заметим также то, что если геомагнитная съемка выполняется на небольшой высоте, то в данных наиболее значимо представлена верхняя особенность магнитных источников. На больших высотах съемки магнитные источники, расположенные на уровне глубин центра масс, будут оказывать наибольшее влияние на измеренные поля. (Блох Ю.И. Количественная интерпретация гравитационных и магнитных аномалий. Учебное пособие. - М.: МГГА, 1998. - 88 с.). Таким образом, геомагнитное поле верхней границы магнитоактивного слоя хорошо представлено в данных аэромагнитной съемки, а геомагнитное поле центра масс хорошо представлено данными аэростатных градиентных магнитных съемок на высотах 20-40 км.

Предлагаемый способ определения глубины залегания изотермы Кюри осуществляют следующим образом. Глубину залегания верхней границы магнитоактивного слоя земной литосферы определяют по известному способу, а именно: осуществляют аэромагнитные измерения модуля индукции геомагнитного поля вдоль исследуемого профиля, вычисляют амплитудный или энергетический спектр полученных данных, разделяют спектр на две части, раздельно содержащие высокие и низкие гармонические частоты и определяют их логарифмы. По углу наклона асимптоты логарифма высокочастотной части спектра определяют глубину залегания верхней границы магнитоактивного слоя земной литосферы. Глубину залегания центра масс магнитоактивного слоя определяют путем проведения аэростатных измерений градиента модуля индукции геомагнитного поля на высотах 20-40 км вдоль исследуемого профиля. По асимптотам логарифма спектра полученного аэростатного профиля определяют уточненную глубину залегания центра масс магнитоактивного слоя. По полученным данным о глубинах залегания верхней границы Z_te и центра масс Z_ac магнитоактивного слоя определяют эквивалентную изотерме Кюри глубину залегания нижней границы этого слоя Zbe по известному выражению: Z_be=2Z_ac-Z_te.

Новым в способе является выполнение измерений модуля градиента индукции геомагнитного поля на высотах 20-40 км и использование данных магнитных градиентов для определения глубины залегания центра масс магнитоактивного слоя. Это позволяет выделить поля самых глубинных магнитных источников, что невозможно сделать, используя только аэромагнитные данные. Магнитные поля, выделенные из аэростатных градиентных данных, несут информацию о предельных глубинах залегания центра масс магнитоактивного слоя, что дает уточненную оценку их глубины залегания, следовательно, и изотермы Кюри.

Для реализации предлагаемого способа могут быть использованы известные технические средства. Геомагнитное поле верхней границы магнитоактивного слоя хорошо представлено в данных аэромагнитной съемки, выполняемой, например, при магниторазведке полезных ископаемых.

Аэростатные магнитные данные могут быть получены, например, путем реализации способа получения вертикального градиента аномального геомагнитного поля (Цветков Ю.П., Бондарь Т.Н., Брехов О.М., Крапивный А.В., Николаев Н.С. Способ получения вертикальных градиентов аномального магнитного поля Земли на стратосферных высотах. Патент РФ №2310892. 20.11.2007. Бюл. №32), в котором для получения вертикальных градиентов аномального геомагнитного поля глубинных источников использован градиентометр, имеющий измерительную базу порядка 6 км. По сути, на базе длиной 6 км мы получаем не градиенты, а дифференциалы, а градиенты вычисляются при использовании данных трех магнитометров. Дифференциалы главного геомагнитного поля, получаемые по аналитическим моделям для точек, разнесенных на расстояние 6 км, не содержат заметной систематической погрешности этих моделей, как и моделей вековой вариации геомагнитного поля. Это следует из того, что для источников, расположенных на глубинах свыше 3000 км, на таком относительно малом расстоянии между датчиками градиентометра (6 км) эти погрешности практически идентичны и взаимно исключаются при вычислении дифференциалов. Таким образом, магнитные градиенты аномального геомагнитного поля выделяются более точно, чем аномальное геомагнитное поле. Это особенно важно для оценок глубин центров масс магнитных источников в условиях ослабленного магнитного поля глубинных источников, выделяемых над земной поверхностью. Данные вертикальных магнитных градиентов по аналогичной причине не содержат и значимых полей внешних источников.

Высоты 20-40 км освоены стратосферными аэростатами. Выше велопаузы (~18 км) в атмосфере существуют регулярные зональные воздушные течения, вместе с которыми стратосферный аэростат может совершать кругосветные полеты вдоль географических параллелей Следовательно, аэростатные магнитные съемки можно успешно выполнять над территорией всего земного шара.

Для оценки эффективности изобретения нами был исследован спектральный состав аэромагнитного и аэростатного магнитного профилей, протяженностью ~1000 км каждый [Цветков Ю.П., Иванов В.В., Петров В.Г., Филиппов С.В., Брехов О.М. Спектральный анализ разновысотного геомагнитного поля. Геомагнетизм и аэрономия, 2016, том 56, №6, с. 814-820]. В этой статье методом вейвлет-анализа получены неоднородности в геомагнитном поле, характеризующие спектральный состав геомагнитного поля, в аэромагнитном профиле размером не более, чем 130 км, а аэростатный магнитный профиль имеет магнитные неоднородности в 450 км, подтвержденные спутниковыми данными. Следовательно, аэромагнитный профиль не содержит низкочастотных составляющих, то есть полей глубинных источников и оценка положения изотермы Кюри по данным аэромагнитной съемки ошибочна, а аэростатные данные вертикальных градиентов индукции аномального геомагнитного поля дают уточненный результат глубины залегания изотермы Кюри.