Структура геомагнитного поля

При изучении геомагнитного поля принято считать, что вектор фактического поля T в любой точке, расположенной около поверхности Земли, представляет собой геометрическую сумму ряда векторов, создаваемых разными источниками, а именно, принимают

f=f_d+f_M+f_e+f_a

(3.6)

где Тд - вектор поля однородно намагниченного шара, Т_м- вектор материковых аномалий, Т_е -вектор поля внешних источников, Т_а - вектор поля намагниченных геологических тел, 8 Т -вектор поля вариаций во времени.

На рис. 3.5 представлена мировая магнитная карта - карта изо динам Т-модуля полного вектора фактического поля эпохи (см. ниже) 1980 г.

Поскольку поле однородно намагниченного шара совпадает с полем диполя, его называют дипольным.

Точки пересечения воображаемой магнитной оси диполя с дневной поверхностью Земли принято называть геомагнитными полюсами. В отличие от них полюсы фактического магнитного поля названы магнитными. Координаты точек, в которых располагались магнитные и геомагнитные полюсы в 1970 году, приведены в табл. 3.2 (по Г.И. Гринкевичу, 2001).

Координаты полюсов магнитного поля Земли в 1970 г.

Таблица 3.2.

Магнитные полюсы	Широта	Долгота
Северный Южный	75,0±0,5° северная 66,5±0,5° южная	99±1° западная 140±1° восточная
Геомагнитные полюсы
Северный Южный	78° 31^I северная 78° 31^I южная	70° 0^I западная 109° 59^I восточная

Сравнивая координаты, можно убедиться, что соответствующие магнитные и геомагнитные полюсы удалены друг от друга на значительные расстояния (более 35° большого круга). Иными словами, фактическое поле и поле диполя совпадают далеко не полностью.

Уклонения фактического поля Т от поля диполя Тд, охватывающие участки
поверхности Земли, соизмеримые с площадями отдельных материков, называют

материковыми аномалиями, или материковым недипольным полем Т_м.

На рис. 3.6 представлена карта изодинам недипольного поля. Привлекают внимание три интенсивные материковые аномалии (Восточно-Азиатская, Африканская и Юга Атлантического океана), где поле к центру аномалии увеличивается, и три области, где поле к центру ослабевает. Вся территория России расположена в пределах одной из них -Восточно-Азиатской с центром на западной границе Якутии.

Поле диполя и материковые аномалии обусловлены внутренними причинами, т.е. источниками, находящимися внутри Земли. Можно предположить, что материковые

Рнс. 3.5. Карта изодинам Т-модуля вектора фактического поля эпохи 1980 года. Отметки изодинам вмкТл (П. Шарма, 1989 г..)

Рис. 3.6. Карта изодинам материкового или недипольного поля эпохи 1980 г. Изодинамы

в мкТл. (По Гринкевичу, 2001).

аномалии создаются мощными источниками, залегающими на значительной глубине, порядка половины радиуса Земли.

Поле Т_е, связанное с внешними источниками, создается, по-видимому, токами в ионосфере. По интенсивности оно является слабым, достигающим нескольких процентов дипольного поля.

Источниками аномального поля Т_а являются намагниченные геологические тела, залегающие в верхней части земной коры в пределах так называемого магнитоактивного слоя. Поле Т_а является основным объектом исследований в магниторазведке.

Под полем вариаций 8Т понимают составляющую, изменяющуюся со временем. Амплитуда вариаций определяется отклонением поля от его среднегодового значения.

Сумму полей

Т_д+Т_м + Т_е = Т_ш (3.7)

называют главным полем. Иногда вектором Т_е пренебрегают из-за его малости, тогда

T^ = T_d+T_M (3.8)

Вариации геомагнитного поля

Вариациями геомагнитного поля называют его изменения во времени. Факт существования этих изменений был установлен в начале XVII века. Вариации изучают непрерывными измерениями элементов поля в магнитных обсерваториях и проведением повторных наблюдений через некоторый интервал времени в одних и тех же точках - опорных пунктах.

Частотный состав вариаций характеризуется колебаниями с продолжительностью периодов от долей секунды до 10000 лет.

Вариации делят на вековой ход, периодические вариации, короткопериодные колебания, бухтообразные возмущения и магнитные бури.

Вековым ходом, или вековыми вариациями (ВВ), называют непрерывные, относительно медленные изменения элементов поля.

60°

40°

20° 0°

20°

40° 60°

Рис. 3.7. Карта изопор δТ для периода 1970 -1975 г.г. (изолинии в нТл)

Количественная оценка ВВ определяется средней величиной приращения среднегодового значения того или иного элемента за один год. Изменения геомагнитного поля, связанные с ВВ. характеризуются относительно большой интенсивностью. Например, в Лондоне магнитное склонение в 1580 году было восточным и равным +11°. Со временем оно постепенно уменьшалось и в 1820 году оказалось западным и равным -24°. Таким образом, за 240 лет склонение изменилось на 35°. С 1820 года по настоящее время оно увеличивается. Максимальные изменения модуля вектора магнитной индукции и его составляющих в отдельных областях земной поверхности, называемых фокусами векового хода, достигают 150 нТл и более в год. Исследованиями последних десятилетий установлено, что вековые вариации имеют колебательный характер с типичными временами (периодами) от первых десятков (11,4; 20; 60 лет) до десятков и сотен тысяч лет (600, 8000, 300000).

Наиболее изученными являются колебания с периодом 60 лет. Их амплитуда - до 500 нТл. Наблюдаются они на участках земной поверхности с площадями до нескольких тысяч квадратных километров. Со временем они не перемещаются. Существование их связывают с особенностями строения нижней мантии.

t.4

 

Рис. 3.8. Солнечно-суточные вариации на широте 60о: 1 - июнь, 2 - декабрь

(по Г.И. Гринкевичу, 2001).

В отличие от них колебания с периодом 600 лет характеризуются четко выраженным западным дрейфом и закономерным расположением по отношению к материковым аномалиям. Предполагают, что эти колебания, как и материковые аномалии, связаны с одними и теми же процессами в жидком ядре Земли. Выяснилось также, что магнитный момент Земли тоже изменяется с периодом порядка 8000 лет. В течение последних 2000 лет он уменьшается.

Величина векового хода в разных точках поверхности Земли различна. Для учета вековых вариаций строят специальные карты, на которых изолиниями соединяют точки с одинаковой величиной векового хода. Такие карты называют картами изопор (рис. 3.7).

Периодическими вариациями называют регулярно повторяющиеся изменения поля. Их выделяют из наблюдаемых суммарных статистической обработкой данных. По продолжительности периода их делят на годовые, солнечно-суточные и лунно-суточные.

Годовые выявляют сравнением среднемесячных значений элемента со среднегодовым значением. Они имеют амплитуду от 10 до 20-25 нТл.

Солнечно-суточные вариации S отличаются тем, что в точках с одинаковой широтой они одинаковы, если изменения поля относить к местному времени (рис.3.8). Днем их интенсивность больше, чем ночью, летом больше, чем зимой.

Вариации могут сильно искажать результаты магнитных съемок. С появлением высокоточных магнитометров требования к точности учета вариаций резко возросли. Для учета вариаций их во время разведочных магнитных съемок специально записывают (рис. 3.9) и затем в результаты измерений на площади съемки вводят поправки за вариации.

 

If) CD

If)со

If) CD

if) CO

If) CD

if) CO

if)CD

if) CO

if)CD

if) CO

If) CD

if) CO

if)CD

if) CO

if)CD

if) CO

сэ

--

-^

CV1

CVI

CO

CO

4-

^-

if)

if)

to

«O

1^

Рис. 3.9. Графики магнитных вариации на широте 54° (Хакасия): 1-1 июня, 2-5 июня 2007 г., автоматическая запись через 1 мин.

Появилась необходимость оценивать степень возмущеннос^ти или активности геомагнитного поля. В действующей инструкции по магниторазведке для этой цели рекомендуют использовать K - индекс. Это - оценка активности по 10-балльной шкале: 0,1,2,...,9. Каждому баллу соответствует определенное наибольшее уклонение одного из элементов T от хода спокойной суточной вариации за трехчасовой промежуток времени.

Солнечно-суточные вариации делят на два вида - вариации в спокойные дни S_q, ив возмущенные дни Sd. Амплитуда вариаций S_q, максимальна летом и достигает нескольких десятков нанотесла. Вариации Sd наблюдаются в дни магнитных бурь.

Лунно-суточные вариации имеют период 12.5 часов. Их амплитуда мала - 3 нТл.

Короткопериодные колебания (КПК) выявлены после появления высокоточных безынерционных магнитометров. Они представляют собой серии или цуги квазисинусоидальных колебаний. КПК делят на регулярные Р_с и нерегулярные (иррегулярные) Pi. По продолжительности периода регулярные делят на шесть групп, иррегулярные - на три группы (табл.2). Результаты измерений при проведении магнитных съемок искажаются, главным образом, пульсациями P_c3, P_c4, P_c5. Пульсации P_c3 наблюдаются почти ежедневно. Их амплитуда - до 1,8 нТл. Амплитуды пульсаций Р_c4 и РС5 могут достигать 10-15 нТл и более. Все КПК более интенсивны летом. С возрастанием K-индекса частота их растет.

Бухтообразные возмущения выделены потому, что они, имея правильный характер, не имеют определенного периода, но их нельзя отнести и к апериодическим. Кривая изменений поля на магнитограммах по форме напоминает очертания морской бухты.

Продолжительность такого возмущения от 15-20 мин до двух-трех часов, амплитуда - от 30-40 до сотен нанотесла, наблюдается обычно после захода солнца.

Искажения, вносимые в результаты измерений геомагнитного поля периодическими вариациями, КПК и бухтообразными возмущениями, исключают введением поправок за вариации, снимаемых с магнитограмм.

Магнитными бурями называют интенсивные возмущения геомагнитного поля, охватывающие всю Землю. Считают, что во время бури имеют место: возмущенная солнечно-суточная вариация, апериодическая сторм-тайм вариация и другие иррегулярные вариации. Магнитные бури делят на мировые и полярные.

Типы пульсаций КПК

Таблица 3.3.

 

Регулярные	Иррегулярные
обозначение	период. с	обозначение	период, с
Рс1	0,2-5	Рн	1-40
Рс2	5-10	р,1	1-40
Рс3	10-45	р,1	1-40
Рс4	45-100	Рi2	45-150
Рс5	150-600	Р,з	150-100
Рс6	600-1000	Р,з	150-100

Мировые наблюдаются повсюду. В полосе широт ±45° они синфазны. Амплитуда их достигает 2-3 тыс. нТл. Продолжительность - до 2-3 сут. Они повторяются чаще через 27 сут. Полярные наблюдаются в приполярных областях. Наблюдения, выполненные во время магнитных бурь, обычно бракуют.

Нормальное магнитное поле

(3.9) (3.10) (3.11)

Понятие о нормальном поле в магниторазведке является условным. При выделении и интерпретации магнитной аномалии от отдельного геологического тела за нормальное поле принимают суммарное поле, охватывающее значительно большую площадь, т.е. обусловленное телами значительно больших размеров или залегающими на значительно больших глубинах. Однако при построении геомагнитных карт аномального поля используют нормальное поле, единое для всего земного шара. За единое нормальное поле, или просто нормальное поле, в магниторазведке принимают главное поле Земли, т.е. принимают

Т_гл =

В магниторазведке в измеренное фактическое поле

Т_изи=Т_гл + Т_а+ 5Т=Т₀ + Т_а +5Т вводят поправку за вариации, т.е. находят исправленное поле:

Тиспр = Т_изм - 5 Т=Т0 +Т_а Сравнивая Т испр с Т0, выделяют вектор Т_а:

Та ⁼ Тиспр -То- (3-12)

До последнего времени нормальное поле Т устанавливали графическим сглаживанием изолиний, построенных по данным наблюдений на отдельных точках. При сглаживании аномалии от намагниченных тел, находящихся в земной коре, почти полностью исключаются, и построенные таким образом карты с достаточной точностью характеризуют главное поле.

Параллельно продолжается уточнение аналитического описания земного магнитного поля. При этом используют представление потенциала геомагнитного поля (по Гауссу) рядом сферических функций. Разложение потенциала в ряд по сферическим функциям получило название сферического гармонического анализа. После К.Гаусса по мере накопления результатов измерений значения коэффициентов ряда уточнялись многими учеными.

Фактическое поле удалось разделить на "внутреннее", связанное с источниками, находящимися внутри Земли, и "внешнее".

Разработаны модели Международного аналитического поля (МАП). При этом были использованы результаты наземных, гидромагнитных и аэромагнитных съемок, измерений на искусственных спутниках Земли и наблюдений на всех магнитных обсерваториях. Решением первой рабочей группы МАГА в 1981 году были приняты окончательные модели (ОМАП) главного геомагнитного поля на 1965, 1970 и 1975 гг. и предварительные модели главного поля (ПМАП) на 1980 год и вековых вариаций на период 1980-1985 гг.

Очевидно, в будущем окажется возможным определение нормального поля и вековых вариаций по таким моделям.