0700620_0CA3B_tyapkin_k_f_fizika_zemli

Під час розшифрування природи магнітних аномалій, що фіксуються на поверхні Землі, потрібно виходити з відомих даних про розподіл джерел цих аномалій у верхніх оболонках-Землі. Вірогідні дані ми маємо лише в межах осадового шару і верхньої частини кристалічного фундаменту. Джерелами магнітних аномалій в осадовому шарі є трапи або міжпластові магматичні породи, що утворюють осадово-магматичні товщі.

Найкраще уявлення про розподіл джерел магнітних аномалій у фундаменті материків можуть дати результати вивчення щитів. Щити складаються, в основному, слабкомагнітними комплексами порід, переважно гранітоїдами, у межах яких розміщуються менші за площею середньо- і сильномагнітні інтрузивні та метаморфічні утворення. Здебільшого верхні краї останніх збігаються з поверхнею фундаменту. На жаль, закони їхнього розподілу в глибину, як правило, невідомі.

Структура магнітного поля в межах платформ і щитів досить тісно пов'язана з тектонічною структурою верхніх частин фундаменту. Нижче наведено приклади такого взаємозв'язку.

1. У 1937 р. академік А.Д. Архангельський з групою дослідників геофізиків [190] дійшли висновку, що в межах Східноєвропейської платформи простягання осей лінійних магнітних аномалій відповідає панівним напрямкам простягання метаморфічних товщ на рівні докембрійського ерозійного зрізу. Автор цієї праці перевірив зроблений висновок на території Українського щита. Результати перевірки полягають у такому.

На рис. 41, а наведено результати статистичного аналізу розподілу за напрямками осей лінійних магнітних аномалій і даних замірювань простягання порід у відслоненнях на Українському щиті. Використано 7704 осі магнітних аномалій і 3437 замірювань простягань порід у відслоненнях. Із рис. 41, а видно, що висновок, зроблений А.Д. Архангельським та ін., цілком підтверджується. Панівні напрямки простягань на діаграмі виявились об'єднаними у дві групи: одна з них пред ставлена чіткими широтними і меридіональними напрямками, а друга, мабуть, відбиває сукупність декількох діагональних (північно-західних і північносхідних) напрямків.

На рис. 41, б—ж наведено конкретні приклади замірювань простягань порід у відслоненнях на різних ділянках Українського щита та осі лінійних магнітних аномалій, що спостерігаються в межах зазначених ділянок [75]. Аналіз цих і подібних прикладів свідчить про те, що висновок А.Д. Архангельського та ін. справджується не лише статистично, а й у межах кожної конкретної

Бандурово

— —

б

Рис. 41. Рози-діаграми розподілу за напрямками осей лінійних магнітних аномалій і елементів залягання порід у відслоненнях (о) і зіставляння цих напрямків на конкретних ділянках Українського щита (б-ж):

1 — розподіл осей лінійних магнітних аномалій; 2 — розподіл напрямків простягання порід у відслоненнях; 3 — осі лінійних маїнітних аномалій; 4 — елементи залягання порід у відслоненнях

ділянки. З рис. 41 випливає, що на ділянках простежується не один напрямок простягання порід у відслоненнях, а мінімум два і більше. їм відповідають подібні простягання осей лінійних магнітних аномалій. Детальніше вивчення цього питання наштовхнуло автора на думку про те, що різні напрямки простягань є індикаторами різних тектонічних активувань Землі.

2.Земна кора у межах платформ має блокову будову. Середня намагніченість верхніх частин блоків, як правило, різна. Ця відмінність зумовлена, в основному, різною насиченістю блоків середньо- і сильномагнітними утвореннями. Водночас не виключається і відмінність у намагніченості вміщувальних порід за рахунок різних рівнів їхніх ерозійних зрізів, і відповідно, різних ступенів метаморфізму.

3.У магнітному полі найяскравіше виявляється структурний план самої верхньої частини докембрійського фундаменту. Тому

1 3 0

комплексне використання магнітного і гравітаційного полів дає шогу розв'язувати проблему «поверховості» докембрійської основи. Практично виявлення верхнього поверху в фундаменті встановлюється або за незбіжністю контурів порід за даними магнітного і гравітаційного полів, або за незбіжністю структурних планів, що фіксуються за цими полями (рис. 42) [75]. Привертає увагу не лише незбіжність межі поширення порід оріховопавлоградської серії з межею блока щільнісних порід, а й відмінність в орієнтуванні панівного напрямку складчастості і межі цього блока. Сукупність наведених фактів і відомих геологічних даних не залишає сумніву у тому, що протерозойські породи Орі- хово-Павлоградської структурно-фаціальної зони утворюють накладену структуру (верхній поверх) у архейському фундаменті. Подібний приклад описаний Л. Корніком і А. Маклареном для умов однієї з провінцій Канадського щита.

Отже можна констатувати, що тісний взаємозв'язок структури магнітного поля з тектонічною структурою верхньої частини кристалічного фундаменту платформ дає змогу розв'язувати, принаймні, такі геологічні завдання: вивчати складчастість; визначати межі блоків земної кори (розломи); виявляти і вивчати поверховість докембрійських утворень.

Розглянемо магнітні поля та їхні джерела у межах океанів. Джерела магнітних аномалій у земній корі океанів можуть бути пов'язані з описаними вище шарами 2 і 3. На жаль, конкретні дані отримано лише під час вивчення шару 2. Шар 2 утворений переважно базальтовими лавами. Магнітні аномалії, виміряні в океанах, переконливо вказують на те, що істотну частину шару 2 становлять породи середньої намагніченості (порядку 10—20 А/м).

Перша ж детальна карта магнітних аномалій району, розміщеного на захід від узбережжя Північної Америки, зафіксувала особливості цих аномалій у районах підводних хребтів [269]. Позитивні і негативні магнітні аномалії утворюють смуги, що чергуються за знаком, витягнуті з півночі на південь (рис. 43, а). Смуги мають ширину порядку 10—20 км, а амплітуда аномалій між сусідніми піками досягає 1 000 нТл. Наступні дослідження довели, що смугастість магнітних аномалій типова для океанічних регіонів, хоча вони не скрізь мають такий правильний характер, як це показано на рис. 43, а. Наведені на цьому рисунку особливості магнітного поля океанічного дна, зокрема підводних хребтів, стали основою для висновку про «спрединг» океанічного дна, а значні бічні зміщення аномалій привели до поняття «трансфер мних» розломів.

131

Рис. 42. Приклад визначення двоповерхової геологічної будови фундаменту північної ділянки Оріхово Павлоградської структурно-фаціальної зони Україн ського щига (а) і схема гравітаційного поля та осі лінійних магнітних аномалій (б):

1 — гнейси з прошарками залізистих кварцитів (РК)\ 2 — комплекс архейських порід, представ-

лених діоритами, гранодіоритами і плагіогранітами; 3 — палеозойські утворення; 4 — ізоаномали сили гравітації; 5 — ділянка високих значень сили гравітації; й - осі лінійних магнітних аномалій; 7 — межа архейських блоків

Можливі, принаймні, дві інтерпретації наведених на рис. 43, а смугастих магнітних аномалій «зебрового» типу. Згідно з однією з них, це результат послідовної намагнічуваносгі новоутвореної океанічної кори інверсійним магнітним полем Землі прямого і зворотного напрямку. Такої самої думки притримується багато західних дослідників [19], зокрема Ф. Вайн і Д. Метьюз [287].

Автор цієї праці віддає перевагу другій інтерпретації, згідно з якою «зеброве» поле є результатом виявлення дайкоподібних тіл базальтового складу, що виникали переважно в єдині геологічні епохи. Отже, вони повинні бути намагніченими переважно в одному напрямку з інтенсивністю намагніченості порядку 20 А/м. На рис. 43, б схематично зображено поле дайок на одній із ділянок Канадського щита. Якщо цим дайкам надати намагніченості

1 3 2

Рис. 43. Схема аномального магнітного поля північно-східної частини Тихого океану (я) і план розміщення дайок діабазів 1 на одній з ділянок Канадського щита, запозичений з геологічної карги провінції Онтаріо, 1971 р. (б) (темні смуги відповідають позитивним магнітним аномаліям, світлі — негативним)

порядку 20 А/м, то на деякій висоті, що дорівнює глибині океанічного дна, виявлятимуться аномалії, подібні до зображених на рис. 43, а. Знак аномалій у цьому разі регулюється відповідним вибором рівня нормального поля.

Вертикальний магнітний розріз. Грунтуючись на відомій залежності намагніченості гірських порід від вмісту в них феромагнітних мінералів і зв'язку магнітної сприйнятливості цих мінералів з температурою, О.С. Семенов [174] ввів поняття про «магнітну оболонку Землі». Зміст її полягає в такому. Характер залежності магнітної сприйнятливості ге порід від температури в межах перших сотень градусів передається відомою кривою Кюрі. Як уже зазначалось, згідно з цією кривою величина ге з підвищенням температури зростає, а після досягнення деякої критичної точки (точки Кюрі) різко падає практично до нуля (до значень ге, зумовлених парамагнітними властивостями). Для найпоширенішого феромагнітного мінералу — магнетиту — ділянка підвищеної магнітної сприйнятливості перебуває в межах 300—575 °С.

1 3 3

Відомо, що в межах усієї планети температура нижче від шару її сезонних змін зростає. Внаслідок цього повинна зростати і магнітна сприйнятливість порід. Щоб оцінити ділянку глибин, у межах яких перебуває шар підвищеної магнітної сприйнятливості ті, потрібно температурну криву Кюрі перевести в шкалу глибин. Для цього слід оцінити геотермічний градієнт, що залежить від теплопровідності порід і розподілу джерел теплової енергії. Нині це можна зробити лише наближено на основі тільки непрямих даних і більш-менш обгрунтованих припущень. Різні дослідники геотермічний градієнт оцінюють далеко не однаково. У цьому разі крайні значення відрізняються між собою приблизно на порядок. Наведемо, наприклад, міркування О.С. Семенова [174]. Для однорідного теплового потоку температурний градієнт обернено пропорційний коефіцієнту теплопровідності. Коефіцієнт теплопровідності кристалічних порід у 3—5 разів більший, ніж пухких осадових відкладів. Прийнявши температурний градієнт пухких осадових товщ 33 °С/км, отримаємо температурний градієнт для розрізів кристалічних порід -- 10—7 °С/км. Такі значення температурного градієнта отримано внаслідок безпосередніх вимірювань на Кольському півострові. У розрізах, що складаються в основному з порід кислого і середнього складу, середні значення градієнта виявились близькими до 10 °С/км, а для ультраосновних порід —7 °С/км. Врахувавши підвищення основності порід з глибиною і пов'язані з цим збільшення коефіцієнта їхньої теплопровідності і зменшення радіоактивності," що є одним із джерел теплової енергії, можна очікувати, що на великих глибинах температурний градієнт буде істотно меншим, ніж наведені вище значення. О.С. Семенов вважає, що близькою до оптимальної оцінки глибини відповідної точки Кюрі магнетиту буде глибина порядку 200 км. У цьому разі потужність шару з підвищеною магнітною сприйнятливістю можна приблизно вважати такою, що дорівнює 100 км.

У разі переведення температурної шкали на шкалу глибин крива Кюрі для порід визначеного складу матиме вигляд кривої 1, наведеної на рис. 44. Оскільки із збільшенням глибин основність порід, а отже, і вміст феромагнітних мінералів підвищується, збільшуватиметься і магнітна сприйнятливість порід. Із-за підвищення основності порід з глибиною крива Кюрі відповідно зміщується вправо (див. рис. 44, крива 2). І, нарешті, як уже зазначалось і доведено Ф.С. Файнбергом і О.С. Семеновим [211], немагнітні залізовмісні мінерали за температур 500—800 °С і відсутності вільного доступу кисню

134

ливостей. Зокрема, йдеться про проблеми природи світових магнітних аномалій Тт і вікових варіацій магнітного поля 87і, на які вказував ще О.С. Семенов [174]. Крім цього, з'являється можливість пояснення природи регіональних магнітних аномалій на межах блоків. Розпочнемо з пояснення природи останніх. Якщо прийняти зростання намагніченості з глибиною в першому наближенні лінійним (хоча б у межах магнітоактивного шару), то в разі відносного вертикального переміщення блоків фундаменту (з наступною їхньою денудацією) створюється ситуація, багато в чому аналогічна описаній раніше для гравітаційного поля [280]. Виникає вертикальна межа з контрастом намагніченості і відповідна їй аномалія 2 (рис. 45, а). Величина цієї аномалії визначається глибиною занурення магнітного шару та інтенсивністю його намагніченості, яка також є функцією глибини. Сукупність цих аномалій з локальними аномаліями, зумовленими включеннями магнітних порід, і визначають значення Та на поверхні Землі.

Розглянемо тепер природу вікових варіацій магнітного поля 8 Т, карта ізопор яких Наведена на рис. 22, б. Звичайно природу вікових варіацій магнітного поля Землі пов'язують з особливостями її ядра [152]. На рис. 22, б зображено три пари спряжених аномалій ізопор 2-компоненти. Найяскравіше виражені дві з них в інтервалі довготи від —90 до +120°. Ці аномалії можна чітко розділити між собою двома прямими, взаємно ортогональними линями. На рис. 45, б наведено графік річної зміни компоненти вздовж однієї з ліній, паралельної до лінії, що розділяє спряжені

135

Рис. 45. Графіки зміни 7, компоненти магнітного поля в зоні межі двох блоків магнітоактивного шару і (о) і вікового ходу варіації ЬТ. вздовж лінії 1—1 (див. рис. 12, 6)

на карті ізопор ^-компоненти (6)

аномалії. Інтерпретація цього графіка автором показана теж на рис. 45, б, тобто зміна поля ^"-компоненти пояснюється вертикальним зміщенням двох великих блоків магнітоактивного шару вздовж великого розлому. На захист такої інтерпретації можна навести фактори, перелічені нижче:

1)прямолінійні і навіть прямокутні ділянки ізоліній на карті ізопор свідчать про те, що джерела аномалій перебувають не в зоні ядра, а поблизу поверхні Землі;

2)про це саме свідчить досить чітка кореляція карти ізопор -^-компоненти магнітного поля і карти висот геоїда, але, оскільки аномалії висот геоїда явно зумовлені приповерхневими неоднорідностями, то цей висновок можна віднести й до вікових варіацій магнітного поля [280];

3)визнання двох перших висновків практично не залишає можливості вибору джерел варіацій магнітного поля крім відносного переміщення блоків магнітоактивного шару вздовж розломів.

Зазначимо попутно, що з позицій, які розглядаються, просторове положення й інтенсивність так званих магнітних центрів визначається параметрами магнітоактивного шару на межі блоків, що стикаються, а магнітні особливості земної кори у зоні цих центрів лише частково деформують ізопори.

Згідно з вшцевикладеним, материкові аномалії Тт зумовлені великими блоками верхніх оболонок Землі, що розпочинаються від її поверхні і досягають підошви магнітоактивного шару за рахунок різних параметрів цих блоків.

136

Горизонтальне розшарування. Проблема горизонтального магнітного розшарування верхніх оболонок Землі пов'язана, насамперед, з оцінкою можливостей використання магнітного поля для вивчення будови земної кори і верхньої мантії. У зв'язку з цим виникає низка конкретних запитань: чи має місце розшарування в земній корі; які з горизонтальних меж можна визначити за магнітним полем; який можливий зв'язок магнітних меж із сейсмічними? Розглянемо деякі з них.

Найзрозуміліша фізична природа двох меж: поверхні кристалічного фундаменту і підошви магнітоактивного шару. Як уже зазначалось, поверхня кристалічного фундаменту характеризується масовим збігом з нею верхніх кромок локальних магнітоактивних тіл. Звідси випливає принцип її вивчення — шляхом визначення глибин до верхніх кромок цих тіл внаслідок інтерпретації магнітних аномалій. Оскільки похибка визначення вертикальних координат верхніх меж витягнутих на глибину намагнічених об'єктів мало залежить від вибору способу інтерпретації, то практично можна використати будь-які з них, включаючи найпростіші. Однак у відповідальних випадках потрібно віддавати перевагу найточнішим прийомам обчис-

магнітних аномалій, зумовлені вертикальними і вертикально намагніченими напівбезмежними пластами.

Масовість визначень И, з наступною їхньою статистичною обробкою дає змогу виключити вплив одиничних об'єктів, що не виходять на поверхню фундаменту.

Отже, рельєф поверхні кристалічної основи платформ можна вивчати за результатами інтерпретації магнітних аномалій. Досвід розв'язування такого роду завдань свідчить про достатню ефективність магніторозвідки [34 та ін.]. Основним заважаючим фактором є наявність магматичних порід типу трапів, платобазальтів та інших магнітних утворень. Внаслідок їхньої екранувальної дії практично неможливо визначити А,.

137

Впровадження поняття магнітоактивного шару Землі висуває низку завдань, зокрема визначення верхньої і нижньої меж цього шару та їхній взаємозв'язок із сейсмічними межами у верхній оболонці Земті. Досить поширені спроби розв'язування завдань про магнітне розшарування верхньої оболонки Землі шляхом визначення положення нижніх кромок намагнічених тіл інтерпретацією компоненти магнітного поля Та [18, 26, 34, 42, 118, 176, 186,234, 237, 262 та ін.]. Отримано досить суперечливі результати.

Так, В.М. Шимараєв і В.Е. Вовк [234], дослідивши ділянку Курило-Камчатської острівної душ, дійшли висновку, що розподіл нижніх кромок магнітних тіл на великих глибинах визначається не геотермічним режимом земної кори, а рельєфом поверхонь Конрада (А) і Мохоровичича (М). Л.В. Буліна та ін. [186] підкреслюють, що переважна кількість намагнічених тіл розміщується всередині гранітного шару, а їхні нижні кромки концентруються переважно поблизу поверхні К. 3.0. Крутиховська та ін. [96] встановили зв'язок між інтенсивністю регіональної компоненти Та і потужністю земної кори. Т.М. Симоненко [176], О.О. Борисов [18], Б.О. Матушкін [118] та ін. дійшли висновку, що рельєф меж К і М не позначається на магнітному полі. Така різка відмінність у судженнях з погляду автора не випадкова. Її можна пояснити такими причинами. По-перше, відсутні беззаперечні фізичні передумови взаємозв'язку меж пружних властивостей з межами намагніченості порід. Можливо магнітні властивості і змінюються в яких-небудь субгоризонтальних межах типу фронтів метаморфізму або гранітизації, що є функціями теплових потоків. Проте жодні конкретні дані про ці межі досі відсутні. По-друге, і це, мабуть, головне, положення нижніх меж крутоспадних магнітних тіл, визначене переліченими вище методами, не може забезпечити точності, потрібної для вирішення поставленого завдання. Сподіватися на визначення положення нижньої межі досить витягнутих у вертикальному напрямку тіл шляхом інтерпретації магнітних аномалій можна лише, якщо ці аномалії ізольовані і використати спеціальні способи інтерпретації [193]. Застосування спрощених способів інтерпретації ізольованих аномалій призводить до непередбачуваних помилок і тому результати інтерпретації в принципі не можуть бути використані для вирішення обговорюваних завдань.

Отже, аналіз сучасного стану проблеми вивчення взаємозв'язку магнітних меж із сейсмічними дає змогу зробити висновок, що поки що її не можна вважати вирішеною навіть у

138