Исследование Земли из Космоса, 2022, № 3, стр. 55-65

ВВЕДЕНИЕ

Тектоносфера Земли состоит из блоков различных размеров и форм, окруженных зонами пониженной вязкости субстрата. Положение таких блоков в нижних частях земной коры очень часто не согласуется с видимыми на дневной поверхности геологическими структурами. Поэтому очень важной проблемой современной геологии является изучение генетических связей между поверхностными тектоническими структурами и структурами нижних слоев земной коры и верхней мантии, а также их взаимодействие.

В процессе построения прогностических комплексных карт скрытых месторождений необходимо глубинное картирование неоднородностей коры и верхней мантии, которое может быть осуществлено, в основном, с использованием геофизических методов (Щукин, 2005; Нургалиев и др., 2008).

Неоднородности литосферы на различных ее глубинных уровнях проявляются на поверхности Земли в виде разного вида магнитных аномалий. Выявление и типизация их природы является актуальной задачей геофизики, поскольку магнитное поле является параметром, отражающим протекание геолого-тектонических процессов именно в настоящее время.

Магнитное поле земной коры и литосферы, в целом, индуцируется входящими в их состав намагниченными минералами, что позволяет использовать его как дополнительный параметр при определении структуры и состава земной коры в процессе изучения региональной тектоники (Hemant, Maus, 2005; Hemant et al., 2005).

Литосферные магнитные аномалии (ЛМА) генерируется как индуцированной, так и остаточной намагниченностью. На континентах их источником, в основном, является намагниченность индуцированная. Лабораторные и теоретические исследования показали, что в нижней коре, являющейся предметом изучения в настоящей работе, остаточная намагниченность намного меньше индуцированной (Treloar et al., 1986) и, как правило, игнорируется при исследованиях магнитных аномалий континентальной коры (Hemant et al.; 2005; Hemant, Mitchell, 2009). Таким образом, при анализе магнитных аномалий мы постулируем, что нижняя кора изучаемых территорий имеет индуцированную намагниченность.

Исследования ЛМА показывают, что их источники являются по происхождению геологическими и лежат в литосфере Земли. Однако в некоторых регионах земного шара встречаются несоответствия между предсказанными и наблюдаемыми аномалиями, особенно при изучении древних дорифейских областей, погруженных под молодые платформы или осадочные слои, а также при исследованиях свойств земной коры в труднодоступных полярных и горных областях.

Эти проблемы помогает решать магнитная съемка, осуществляемая низколетящими околоземными спутниками, которая на сегодняшний день является наиболее дешевым и доступным геофизическим методом изучения глубинного строения нашей планеты. К настоящему времени спутниковые измерения позволили покрыть практически всю поверхность Земли достаточно равномерной сетью данных о геомагнитном поле и являются неоценимыми и незаменимыми источниками для получения такой информации.

Спутник CHAMP, материалы которого авторы постоянно используют для исследований аномального магнитного литосферного поля, завершил свою миссию, сгорев в атмосфере над Охотским морем 19 сентября 2010 г. после 10 лет, 2 мес. и 4 дней работы на орбите. Аппарат был спроектирован для измерения гравиметрического и магнитного полей Земли и оптического зондирования атмосферы. Можно с уверенностью утверждать, что CHAMP был одним из самых успешных и надежных проектов последних десятилетий, использовавшихся для получения новой информации о геофизических полях Земли. Его миссия показала, что спутниковые измерения остаются необходимыми и приоритетными при изучении магнитного поля Земли.

Развиваемые нами технологии выделения литосферной части из измеренного спутниковыми магнитометрами суммарного магнитного поля, позволяют использовать эти данные для адекватного определения положения региональных магнитных аномалий, обусловленных намагниченностью именно глубоко погруженных слоев земной литосферы (Абрамова Д., Абрамова Л., 2014; Абрамова и др. 2020а, 2020б, 2020в).

Структура и тектоника региона Индо-Азиатской коллизии обусловлены взаимодействием трех тектонических плит: Тихоокеанской, Индийской и плиты Филиппинского моря. С востока Тихоокеанская и Филиппинская плиты субдуцируют под Евроазиатскую плиту, а с юго-запада погружение Индийской плиты под Евразию (Индо-Азиатская коллизия) приводит к сокращению и поднятию Тибетского плато. В последнем случае это является причиной образования мощных горных систем, таких как Гималаи, Памир и Гиндукуш. Граница погружения Индийской плиты постепенно продвигается к северу, и ее северный край в настоящее время достигает блока Квантанг (Huang, Zhao, 2006).

Этой территории присущи очень сложная поверхностная топография, активные деформации земной коры (Wang et al., 2001) и мощная сейсмическая и вулканическая активность, сопровождаемая катастрофическими землетрясениями.

Геолого-тектонические процессы, связанные с погружением Индийской плиты под Тибетское плато давно привлекают огромное внимание ученых всего мира, они активно исследуется разными геологическими и геофизическими методами (Tapponnier et al., 1986; Molnar et al., 1987; Zhao et al., 1993; Nelson et al., 1996;Yin, Harrison, 2000).

Здесь мы приводим в качестве первого этапа результаты анализа карт литосферных магнитных аномалий над обширной территорией областей Гималаев, Тибетского нагорья и части полуострова Индостан, полученных по данным спутника CHAMP, с целью определения соотношения их размеров, границ и связи их пространственного положения с указанными тектоническими структурами.

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Геомагнитное поле на спутниковых высотах является сложной функцией пространства и времени. Основная проблема при его анализе состоит в корректном разделении измеренного суммарного магнитного поля на входящие в него составляющие, связанные с различными физическими источниками. Измеренное поле является суперпозицией следующих составляющих:

– главного магнитного поля, генерируемого источниками магнитогидродинамической природы, расположенными в жидкой части земного ядра;

– поля литосферных магнитных аномалий, обусловленного намагниченностью горных пород, слагающих земную литосферу;

– внешних полей, источниками которых являются магнитосферно-ионосферные токовые системы;

– полей, обусловленных токами, возникающими в проводящих слоях земной коры и верхней мантии Земли.

Для выделения части, связанной с полем литосферных магнитных аномалий, нам необходимо исключить из измеренных значений все остальные составляющие, по возможности максимально адекватно описывая их с помощью существующих на сегодняшний день математических моделей. Такой подход к выделению литосферных данных, ставший классическим, усовершенствован авторами настоящей работы в части удаления из суммарного поля составляющей главного магнитного поля.

При решении такого рода задач общепринятым является представление главного магнитного поля международной аналитической моделью (IGRF), в основе которой лежит сферический гармонический анализ (СГА) среднегодовых значений геомагнитного поля. В этом случае для построения точной пространственной модели поля принципиальное значение имеет равномерное заполнение данными узлов расчетной сетки.

Однако, удачно заданные специальным образом параметры орбиты спутника CHAMP позволяют получать измерения геомагнитного поля ежесуточно с секундным разрешением в узлах практически равномерной сетки надо всей поверхностью Земли. Это дает возможность с помощью разложения компонент поля, полученных в течение суток, по сферическим гармоникам до степени и порядка n = m = 14, построить среднесуточную сферическую гармоническую модель (ССГМ) главного магнитного поля для каждого конкретного дня, а не усредненную за длительный (годовой) интервал времени (Головков, и др., 2007). При этом для построения модели берутся все данные за сутки, включая полученные в области высоких широт, что значительно повышает равномерность покрытия сферы исходными данными. Далее, по полученным коэффициентам ССГМ главного поля на каждые конкретные сутки, синтезируются модельные значения, которые и используются для удаления соответствующей компоненты из измеренных именно в эти сутки значений суммарного магнитного поля. Учитывая, что при решении задачи выделения значений аномального магнитного поля главное поле Земли рассматривается как постоянная составляющая для конкретного промежутка времени, удаляемая из измеренных значений, использование коэффициентов ССГМ для синтеза значений главного поля в каждые конкретные сутки представляется предпочтительным. Существенным преимуществом ССГМ является универсальность расчета и полное отсутствие субъективизма, неизбежного при селекции данных.

Для редукции вклада внешнего электромагнитного поля, которое обычно аппроксимируется первой зональной гармоникой в сферическом гармоническом разложении для магнитосферных токовых систем и линейными или параболическими трендами для ионосферных, нами применен упрощенный подход, заключавшийся в тщательном отборе экспериментальных данных. Для анализа использованы измерения поля только для витков, совершаемых спутником в ночное время (от 22.00 до 6.00 ч локального времени) и только в спокойные в магнитном отношении дни (индексы магнитной активности k_p ≤ 1 и D_st ≤ 10). Проведенные нами оценки показали, что данный подход не приводит к понижению точности определения значений аномального поля и значительно сокращает время обработки.

По разработанным авторами методикам из данных измерений суммарного геомагнитного поля на спутнике СНАМР выделены параметры аномального литосферного поля над территорией Индо-Азиатской коллизии, сформирована обширная база данных этих параметров и построены карты модуля полного вектора T_a и горизонтальной компоненты X_a разных масштабов и для различных альтитуд спутника CHAMP.

Для проверки надежности построений карт магнитных аномалий расчет всегда производился по нескольким независимым наборам спутниковых данных, либо для разных компонент магнитного поля. Сравнение полученных вариантов подтвердило, что структура магнитных аномалий воспроизводится стабильно, свидетельствуя об адекватности построенного пространственного распределения поля.

Детальность построения карт аномального литосферного поля соответствует масштабу основных тектонических структур региона.

Для построения карт аномалий над исследуемой территорией в базе данных имеется по ~12 тыс. измерений каждой компоненты поля. Пример изменения выделенного аномального поля вдоль отдельных витков спутника CHAMP показан на рис. 1 для трех отдельных участков территории Индо-Азиатской коллизии: Западного Гималайского синтаксиса (ЗГС), (вверху), Центральной части погружающейся плиты, (в центре), и Восточного Гималайского синтаксиса (ВГС), (внизу).

Рис. 1.

Пример изменения аномального литосферного магнитного поля Т_а, вдоль витков спутника CHAMP над территорией Индо-Азиатской коллизии; параметры кривых – λ (долгота, градусы), вертикальная шкала – нТл.

Примечание. Синтаксис (от греч. Syntaxis) – построение, порядок – резкое сокращение ширины складчатого пояса, отдельного орогена или складчатой зоны, сопровождающееся увеличением горизонтального сжатия.

АНОМАЛЬНОЕ ЛИТОСФЕРНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ НАД ТЕРРИТОРИЕЙ ИНДО-АЗИАТСКОЙ КОЛЛИЗИИ

Здесь мы представляем предварительные результаты построения мелкомасштабных карт литосферных магнитных аномалий, отражающих в магнитном поле последствия геолого-тектонических процессов, сопровождающих движение Индийской плиты на северо-восток под Евразийский континент.

На рис. 2 приведены карты аномалий модуля полного вектора Т_а (вверху) и горизонтальной компоненты X_a (внизу) на уровне 260 км над этой областью в последние месяцы жизни спутника CHAMP. Карты построены на планшете с координатами 68°–100° в.д. и 20°–36° с.ш. При построении этих и других приводимых в работе карт использовано медианное осреднение по блокам размером 80 × 80 км средствами GMT (blockmedian) (Wessel, Smith, 2007).

Рис. 2.

Карты компонент ЛМА над Индо-Азиатской коллизией на высоте ~260 км, T_a вверху, X_a внизу. Аббревиатуры: IP − Индийская плита, HIM – Гималаи, TIB − Тибет, QB – Квантангский блок, WHS – Западный Гималайский синтаксис, EHS − Восточный Гималайский синтаксис. Черная жирная линия показывает границы субдуцирующей Индийской плиты.

Рисунки иллюстрируют хорошее подобие аномалий T_a и X_a, что является свидетельством высокого качества спутниковых данных и надежности применяемой методики обработки параметров магнитных компонент.

Обширная, занимающая значительную часть планшета, и достаточно однородная при использованных параметрах осреднения положительная ЛМА фиксируется на юге и юго-западе региона, географически она приурочена к погружающейся под Евразию Индийской плите (IP).

Индийская плита постепенно движется к северо-востоку, погружаясь под Тибет под небольшим углом до глубин 200–300 км, а ее северный край уже достиг блока Квантанг (QB) (Huang, Zhao, 2006).

Интенсивность ЛМА превышает 12 нТл, что свидетельствует о значительной намагниченности и однородности магнитоактивного слоя нижней части земной коры этой тектонической структуры.

Однако если рассматривать территорию Индийской плиты в целом, то положительное аномальное поле присуще только южной и юго-западной частям субдуцирующей Индийской плиты, граница которой показана на рис. 2 черной жирной линией. Над северной ее частью происходит смена знака аномального поля с положительного на отрицательное значение.

Объяснение этой трансформации состоит в следующем. Согласно имеющимся результатам исследований предполагается, что в верхней мантии над погружающейся частью Индийской плиты образуется крупный мантийный клин. Вследствие этого горячий мантийный поток, а также поток флюидов, образующихся при глубинной дегидратации погружающейся части, вызывают подъем горячего астеносферного материала, что приводит к утонению литосферы под этой территорией (Huang, Zhao, 2006). При этом возникают значительные аномалии геофизических полей: повышенные сейсмические скорости, высокие значения теплового потока, аномалии электропроводности литосферы и магнитного поля.

Повышенный тепловой поток вызывает прогрев нижней коры до температуры ~580°, так называемой точки Кюри магнетита, когда исчезают его магнитные свойства (Lowes, 2007).

На широтах порядка 24°– 28° с.ш. (см. рис. 2) отчетливо наблюдается линейная зона высокого градиента магнитного поля. К югу от нее находится область со значительной исходной намагниченностью нижней коры, а при погружении плиты к северу происходит ее прогрев, подъем поверхности Кюри и потеря магнитных свойств. Зона высокого градиента магнитного поля, разделяющая положительную и отрицательную части аномалий, является как бы индикатором разности температур в нижней части земной коры: выше и ниже 580°С.

Самое обширное пространство на картах занимает отрицательная ЛМА над территорией Тибета и окружающими его областями. Тектоносфера Тибето-Гималайского орогена, сложившаяся в результате сложных глобальных тектонических процессов, характеризуется существенной пространственной неоднородностью и рядом ярких аномалий геофизических полей. Здесь происходит прогрев литосферы, подъем поверхности Кюри и потеря магнитных свойств минералов, слагающих нижнюю часть земной коры

На северо-западной оконечности зоны субдукции расположен Западный Гималайский синтаксис (WHS на рис. 2), называемый также Памирским выступом, который является границей столкновения Индийской и Евразийской плит. Западный Гималайский синтаксис и прилегающие к нему области являются сложно построенными тектоническими структурами и характеризуются аномальными геофизическими полями (Lei et al., 2002; Tiwari et al., 2009; Yang et al., 2009; Negredo et al., 2007; Sobel et al., 2011). Западный Гималайский синтаксис и его окружение – одна из самых активных областей с мощной сейсмичностью с глубокими (более чем 100 км) эпицентрами землетрясений (Koulakov, Sobolev, 2006; Mechie et al., 2012).

Литосферное магнитное поле в этой области показывает отчетливую отрицательную аномалию над Западным Гималайским синтаксисом и севернее него, что свидетельствует о потере магнитных свойств нижней части земной коры вследствие активных корово-мантийных тектонических процессов, происходящих под ней.

Не менее важно для понимания процессов субдукции Индийской плиты и активное исследование тектонических деформаций Восточного Гималайского синтаксиса (EHS), восточной окраины Тибетского плато.

Для этой области также свойственны катастрофические землетрясения на этой густонаселенной территории Китая, уносящие тысячи человеческих жизней. Здесь наблюдается крупномасштабное движение поверхностных структур, которые активно изучаются различными методами геологии и геофизики (Royden et al., 1997; Yin, Harrison, 2000; Tapponnier et al., 2001; Bai et al., 2010), однако природа деформации геологических структур на больших глубинах пока далека от решения. В свете этого образы глубинных структур, отражаемые литосферными магнитными аномалиями, могут успешно использоваться для определения положения и степени активности мантийных потоков в области восточного Тибета.

ТРАНСФОРМАЦИЯ ЛМА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА СПУТНИКА

Вследствие торможения в атмосфере Земли спутника CHAMP и его постепенного снижения, измерения магнитного поля на нем проводились на разных уровнях над поверхностью планеты, что предоставляет возможность рассмотреть изменение магнитных аномалий над территорией Индо-Азиатской коллизии в зависимости от высоты наблюдения.

С этой целью совместно проанализированы карты литосферных аномалий на уровнях орбит спутника CHAMP в интервале 370–260 км. Построены и обсуждаются карты аномалий модуля полного вектора T_a для указанного интервала высот.

На рис. 2, вверху, и рис. 3 приведены карты магнитных аномалий T_a, построенные на одинаковых планшетах, но для разных уровней наблюдения: ~260, ~340 и ~370 км, за 2010, 2008 и 2006 гг., соответственно. Рисунки иллюстрируют изменение параметров ЛМА над Индо-Азиатской коллизией по мере удаления орбиты спутника CHAMP от поверхности Земли. Видно хорошее подобие измеренных аномалий, что подтверждают адекватность способа их выделения из суммарного магнитного поля Земли.

Рис. 3.

Карты магнитных литосферных аномалий T_a на разных уровнях измерения спутником CHAMP над Индо-Азиатской коллизией: на высоте ~340 км, вверху, ~370 км, внизу. Обозначения см. на рис. 2.

По мере увеличения высоты орбиты спутника, амплитуды аномалий снижаются. Например, на уровне 300 км по сравнению с 260 км, они уменьшаются более чем в полтора раза и показывают меньшую изменчивость и расчлененность аномального поля, отражающего намагниченность отдельных геологических структур. Интенсивность положительной аномалии на высоте 370 км уменьшается до единиц, что выглядит вполне реалистично, так как, кроме затухания поля при изменении расстояния от источника, происходит отражение более погруженных структур, намагниченность которых падает вследствие приближения к горячей мантии.

Анализ пространственного распределения магнитного поля показывает (Hemant, Maus, 2005; Hemant, et al., 2005; Абрамова и др., 2016; 2020с), что на спутниковых высотах высокочастотные аномалии сглаживаются, а низкочастотные региональные аномалии с размерами пространственных периодов 200–500 км (примерно эквивалентных высоте полета спутника) и интенсивностью порядка первых десятков нанотесла, остаются. Спутниковые наблюдения малочувствительны к мелкомасштабным структурам, и это позволяет надежно выделять региональные литосферные аномалии, не осложненные локальной компонентой.

Эти положения хорошо иллюстрируются при сопоставлении карт рис. 2 и 3 с картой рис. 4. На последнем показана карта T_a этого же региона, построенная по материалам базы данных EMAG2 модели WDMAM (World Digital Magnetic Anomaly Map), являющейся наиболее полным источником глобального распределения магнитного поля настоящее время (Maus et al., 2009). Высота над геоидом – 4 км, масштаб и осреднение данных те же, что и на рис. 2 и 3. “Белые пятна” на карте рис. 4 являются следствием ограниченности информации в данных EMAG2 для этих территорий.

Рис. 4.

Карта магнитных аномалий модуля полного вектора T_a на высоте 4 км, построенная по данным базы EMAG2 (Maus et al., 2009). Обозначения см. на рис. 2.

Карты магнитных аномалий на высотах спутника и приземной высоте имеют совершенно разный вид. На уровне над поверхностью Земли 4 км наблюдается раздробленность поля на большое количество аномалий разного знака и размера в сравнении с полем на высоте спутника, что свидетельствует о неоднородной намагниченности верхних коровых структур. Этот факт имеет естественное объяснение: измерения магнитного поля на больших высотах работают как “фильтр низких частот”, т.е., локальные аномалии подавляются, а региональные длиннопериодные аномалии остаются в мало искаженном виде. Относительное уменьшение амплитуды аномалий с высотой зависит от параметров источников литосферных аномалий: чем больше глубина намагниченного тела и его горизонтальные размеры, тем медленнее затухают аномалии с высотой. Таким образом, в спутниковых наблюдениях сохраняются и могут быть непосредственно выделены аномалии, вызванные крупномасштабными структурами, залегающими на самых больших глубинах, которые как раз и являются предметом изучения и использования при региональных исследованиях.

Высота пересчета пропорциональна периоду фильтруемых аномалий, поэтому по набору карт магнитного поля, построенных по измерениям на различных высотах, можно проследить характер пространственных изменений поля и характер отражения в нем особенностей геологического строения намагниченных слоев литосферы на разных глубинах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты работы показали, что магнитные аномалии над областью Индо-Азиатской коллизии согласуются с имеющимися региональными геолого-тектоническими и геофизическими условиями.

Показано, что область высокого градиента ЛМА между южной и северной частями Индийской плиты является индикатором положения места, где вследствие мантийных процессов разогрева астеносферы, происходит потеря магнитных свойств ферромагнитных материалов, составляющих нижнюю кору Земли.

Использование разновысотных спутниковых данных открывает дополнительные возможности применения градиентных методов при изучении степени затухания поля ЛМА.

Можно сделать заключения о целесообразности использования спутникового литосферного магнитного аномального поля при изучении тектоносферы сложно построенных и геодинамически активных областей на примере Индо-Азиатской коллизии в условиях труднодоступных высокогорных регионов.