Аномальне магнітне поле. Регіональні магнітні аномалії

Аномальне магнітне поле в останні роки з успіхом використовується для побудови різномасштабних об’ємних моделей, геологічного середовища, що також є невід’ємною частиною оцінки перспективності геологічних структур на різні корисні копалини.

Магнітне або геомагнітне поле, є силовим полем, спричиненим електромагнітними процесами в ядрі Землі (головне, або нормальне поле), у верхніх шарах іоносфери (варіації геомагнітного поля) та намагніченістю гірських порід земної кори. Останній чинник формує аномальне магнітне поле, яке відображає наявність порід з різною концентрацією магнітних мінералів у земній корі. Саме аномальне магнітне поле території України зображене на карті НАУ "Аномальне магнітне поле". Воно отримано шляхом виключення варіацій, пов‘язаних з іоносферними процесами, та, так званого, нормального поля із напруженості загального геомагнітного поля. Нормальне поле не має точного аналітичного зображення і тому має декілька апроксимуючих моделей, одна з яких наведена на карті НАУ "Нормальне магнітне поле".

Аномальне магнітне поле території України дуже диференційоване і складається з регіональної та локальної компонент, що відрізняються за поперечними розмірами аномалій та глибинністю їх джерел. Регіональна компонента поля, зображена на карті “Регіональні магнітні аномалії” обумовлена неоднорідністю складу нижньої частини земної кори і рельєфом підошви магнітоактивного шару, яка може ототожнюватися з підошвою земної кори (розділ Мохоровічича) або з ізотермічною поверхню температури Кюрі магнетита, як головного носія магнетизму гірських порід. Вона відбиває регіональні риси великих геоструктур, зокрема, окремих блоків Українського щита і накладених западин платформеної частини території, границі Східно-Європейської платформи та неоднорідність земної кори в межах Гірського Криму та Карпат. Локальна компонента аномального магнітного поля є впливом намагнічених порід верхньої частини кори і відбиває її склад і будову. Використання локальних магнітних аномалій з пошуковими цілями почалося на Україні більш, ніж 100 років тому з відкриття та подальшого вивчення Криворізького залізорудного родовища. Зараз ця компонента магнітного поля використовується як одно з надійних джерел інформації при геологічному картуванні порід, вивченні складчастої та розривної тектоніки, тектонічному районуванні, а в комплексі з регіональною компонентою та іншими геофізичними даними – для вивчення співвідношень приповерхневих та глибинних структур літосфери. Останнє є важливим фактором для розробки пошукових критеріїв різних типів корисних копалин, включаючи нафто-газові. З цієї точки зору особливе значення набуває трасування за даними аномального магнітного поля так званих наскрізних розломів і транс регіональних тектонічних зон, що досить часто є зонами активізації і концентрації корисних копалин.

Аномальне магнітне поле в останні роки з успіхом використовується для побудови різномасштабних об’ємних моделей, геологічного середовища, що також є невід’ємною частиною оцінки перспективності геологічних структур на різні корисні копалини.

Природні умови та природні ресурси. Геофізичні поля

Фізичні поля, причиною виникнення або зміни яких є природне середовище планети, називають геофізичними полями (ГП). Розподіл і зміна ГП у просторі і часі залежать як від наявності і потужності їх джерел, так і від особливостей будови природного середовища та його динаміки під впливом природних і техногенних чинників. Знання сучасного стану і характеру зміни ГП є необхідним для розуміння природних процесів, що впливають на життя людей і економіку країни, для довгострокового соціально-економічного планування, раціонального землекористування, цілеспрямованого пошуку корисних копалин і прогнозування небезпечних процесів.

Гравітаційне поле Землі, або поле сили тяжіння, - це поле спричинене силою тяжіння і відцентровою силою, викликаною обертанням Землі навколо своєї осі. Воно умовно поділяється на аномальне та нормальне. Аномальне гравітаційне поле (АГП) відображає особливості фігури Землі і будови її надр. На території України АГП змінюється у широких межах, що пов‘язано з особливостями розподілу густини порід земної кори і верхньої мантії. На поміщеній в атласі карті розподіл аномального гравітаційного поля відображено лініями однакових значень його величини, які називають ізоаномалами.

На основі гравітаційного моделювання шаруватих неоднорідних тривимірних глибинних структур з використанням даних про аномальне гравітаційне поле, даних глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ), експериментальних кореляційних залежностей між питомою густиною порід та швидкістю поширення сейсмічних хвиль в умовах різних тисків і температур, з урахуванням поправок за речовинний склад порід, створено карту аномальної густини земної кори і верхньої мантії. Завдяки тенденції до ізостатичної врівноваженості окремих блоків та їх сукупностей, під більш важкими блоками підошва земної кори занурюється, а під легшими – піднімається.

Теплове поле також дає важливу інформацію про будову і динаміку нашої планети. Тепловий стан земної кори характеризується густиною теплового потоку, що надходить із надр Землі і розсіюється з її поверхні, і зміною температур з глибиною.

Основну роль у формуванні теплового потоку відіграють: енергія розпаду довгоживучих радіоактивних елементів (уран, торій, калій), максимальна концентрація яких спостерігається в породах земної кори, первинна енергія Землі та енергія фізико-хімічних процесів, що відбуваються в її надрах. Значну роль відіграють також умови перенесення тепла, які суттєво змінюються з глибиною і по латералі. Провідна роль у формуванні позитивних геотермічних аномалій належить активним тектонічним та магматичним процесам, що супроводжуються виносом великої кількості теплової енергії.

Густина теплового потоку – це кількість тепла, що виноситься з надр до поверхні за одиницю часу на одиниці площі. Він вимірюється у мВт/м² і визначається як результат множення геотермічного градієнта у певному інтервалі глибин на теплопровідність порід цього інтервалу. На території України густина теплового потоку змінюється від 25-30 мВт/м² до 100-110 мВт/м². Температури на глибині 1 км змінюються від 20 до 70^oС, а на глибині 3 км - від 40 до 135^oС. Розподіл теплових потоків тісно пов‘язаний із особливостями геологічного розвитку регіонів та їх тектонікою.

Глибинний тепловий потік (ГТП) визначається як спостережений тепловий потік відкоригований з врахуванням численних близькоповерхневих впливів: палеоклімату, руху підземних вод з вертикальною складовою, геологічних структур, що призводять до негоризонтального залягання поверхонь розділу порід з різною теплопровідністю, молодих насувів, накопичення молодих осадових відкладів тощо. Карта ГТП показує розподіл його фонових (35-50 мВт/м²) і аномальних (60-130 мВт/м²) величин на території України.

Теплова енергія Землі є геоенергетичним ресурсом. На основі даних про ГТП побудовано представлену в атласі карту густини геоенергетичних ресурсів в тонах умовного палива на квадратний метр, які можуть бути видобуті водяною геоциркуляційною системою з температурою (Т) носія не нижче 60⁰С та його повернення у надра з Т ~ 20⁰С. Загальні геоенергетичні ресурси України (визначені на даний час) приблизно у 20 разів перевищують усі запаси горючих копалин на її території. На деяких площах вони досягають 10 т у.п./м², що перевищує запаси енергії, які можуть бути видобуті з великого родовища нафти чи газу. Геоенергетичні ресурси, придатні для практичного використання шляхом одержання пари (електричної енергії) без додаткового нагрівання, поки що розвідані лише у Закарпатті та на дуже обмежених територіях в Криму.

Магнітне, або геомагнітне поле є силовим геофізичним полем, спричиненим електромагнітними процесами в ядрі Землі (головне, або нормальне поле), у верхніх шарах іоносфери (варіації геомагнітного поля) та намагніченістю гірських порід земної кори. Останній чинник формує аномальне магнітне поле, яке відображає наявність у земній корі порід з різною концентрацією магнітних мінералів. Воно визначається шляхом виключення із напруженості загального геомагнітного поля напруженості нормального поля і його варіацій. Нормальне поле не має точного аналітичного відображення. Для його опису використовують декілька апроксимуючих моделей, одну з яких наведено в атласі.

Аномальне магнітне поле території України дуже диференційоване і складається з регіональної та локальної компонент, які відрізняються поперечними розмірами аномалій і глибиною розміщення їх джерел.

Регіональна компонента поля, зображена на карті "Довгохвильові магнітні аномалії", обумовлена неоднорідністю складу нижньої частини земної кори і рельєфом підошви магнітоактивного шару, яка може ототожнюватися з підошвою земної кори (розділ Мохоровичича) або з ізотермічною поверхнею температури Кюрі магнетиту - головного носія магнетизму гірських порід. Вона відбиває регіональні риси великих геоструктур.

Локальна компонента аномального магнітного поля формується під впливом намагнічених порід верхньої частини кори і відображає її склад і будову. Ця компонента магнітного поля використовується як одне з важливих джерел інформації для геологічного картування порід, вивчення складчастої та розривної тектоніки, тектонічного районування, а в комплексі з регіональною компонентою та іншими геофізичними даними – для вивчення співвідношень приповерхневих і глибинних структур літосфери, для побудови різномасштабних об’ємних моделей геологічного середовища, які застосовуються при визначенні перспективності геологічних структур на різні корисні копалини.

Магнітотелуричне поле Землі є природним електромагнітним полем, спричиненим іоносферно-магнітосферною системою струмів. Це поле є одним з важливих джерел знань про сучасну геологічну будову, тектонічні процеси, геодинаміку і флюїдний режим земної кори та мантії. Електричні властивості гірських порід тісно пов’язані з температурним і флюїдним режимом надр, хімічним складом мінералів порід, в складі яких є C, S, Fe та інші метали, рівнем мінералізації ювенільних вод, наявністю розплавів порід кори і мантії тощо. На основі аналізу спостереженого магнітотелуричного поля з використанням методів плівкового та двовимірного кінцево-різницевого моделювання електромагнітних полів побудовано представлені в атласі карти «Електропровідність земної кори» та «Електропровідність верхньої мантії» в одиницях провідності – сименсах (См). Аномалії електропровідності виділяються на фоні «нормального» узагальненого геоелектричного розрізу Східноєвропейської платформи, яке характеризується питомими електричними опорами (в Ом?м): 1000, 600, 250, 100, 50, 20, 10, 5, 1, 0.1 – в шарах геологічного середовища потужністю (в км): 160, 40, 50, 70, 80, 100, 100, 160, 200, ∞. Значення повздовжньої електропровідності плівки навколишнього простору приймалася рівною 10 См.

Для вивчення глибинної будови Землі: геометрії і положення основних тектонічних границь, розподілу фізичних параметрів геологічного середовища тощо - широко використовується ще один вид ГП - сейсмічне поле. Воно спостерігається у вигляді механічних коливань на поверхні ґрунту, або в шахтах, печерах, штольнях і свердловинах. Коливання збуджуються сейсмічними хвилями (поздовжніми, поперечними, поверхневими, каналовими), які поширюються від джерела загасаючи, відбиваючись, заломлюючись і перевипромінюючись в інші типи на неоднорідностях геологічного середовища. В залежності від джерела, сейсмічне поле може бути природного або техногенного походження .

Вивчення техногенних сейсмічних полів, генерованих спеціальними вибухами, або вібросейстами, і спостережених вздовж геологічних профілів, дозволило одержати унікальні дані про внутрішню будову Землі, які використовуються для пошуку корисних копалин і розв‘язання ряду інших важливих геолого-геофізичних задач. В атласі приведені розрізи земної кори і літосфери через основні тектонічні структури на території України.

1. Спостереження на геотраверсі глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ) "Голованівськ – Кіровоград – Таганрог", який перетинає у широтному напрямку східну та центральну частини Українського щита, виконано методом неперервного профілювання, з використанням системи взаємно пов'язаних годографів головних хвиль. Наведена модель висвітлює швидкісні характеристики та глибину будову архейсько-протерозойських структур щита.

2. Геотраверс "Чорне море – Балтійське море" на території України має довжину понад 900 км. Він перетинає палеозойську Скіфську плиту і докембрійський Український щит. Швидкісна модель побудована на основі двомірного чисельного моделювання хвильового поля, одержаного методом ГСЗ.

3. Профіль ГСЗ "Полтава - Свердловськ" проходить вздовж Дніпровсько-Донецького авлакогену. Результати ГСЗ були одержані і проінтерпретовані великим колективом українських учених геологів і геофізиків.

4. Глибинні сейсмічні дослідження на профілі «Берегово – Долина – Вишневець –Шепетівка - Чернігів» висвітлили будову тектонічних структур різного віку та генезису: Закарпатський мезозойсько-палеогеновий прогин, Карпати, які є одним з головних альпійських орогенів Європи, та архейсько-ранньопротерозойський Український щит.

5. Профіль ГСЗ "Путивль-Кривий Ріг" поєднує надглибокі свердловини НГС-8 та 9. У своїй південній частині він проходить уздовж Криворізько-Кременчуцької субмеридіональної ранньопротерозойської протогеосинкліналі, а в північній – косо перетинає Дніпровсько-Донецький пізньопротерозойсько-девонський палеорифт північно-західного простягання.

На території України виконані великі обсяги сейсмічного профілювання (понад 10 тис. км) для вивчення будови земної кори і літосфери. За цими даними побудована представлена в атласі карта поверхні Мохоровичича. Назва «поверхня» є умовною, так як насправді - це потужна перехідна зона, відділяюча земну кору від верхньої мантії, яка характеризується складною будовою, чергуванням тонких шарів з підвищеними і пониженими швидкостями сейсмічних хвиль.

В межах України товщина земної кори змінюється в дуже широких межах - від 25 до 65 км. Максимальна товщина кори фіксується під Карпатами (65 км), Гірським Кримом (до 60 км), на Українському щиті (Одесько-Ядлівська, Криворіжсько-Крупецька і Оріхово-Павлоградська ранньопротерозойські геосинклінальні зони - 50-60 км). Мінімальна товщина земної кори спостерігається в районі Закарпатського прогину (25 км), під Дніпровсько-Донецьким авлакoreном (30-35 км), на Українському щиті, в районах Запорізького серединного масиву (25-30 км), Кіровоградського протоплатформного блоку (35 км) і на акваторії Чорноморської западини (25-30 км).

Природні сейсмічні поля, причиною яких є вогнища місцевих і сильних віддалених землетрусів, з огляду на їх значну небезпеку, повинні враховуватися при спорудженні житла, важливих споруд, об‘єктів підвищеного екологічного і техногенного ризику. Причиною землетрусів є сучасна тектонічна активність геологічних структур. Розподіл на даній території землетрусів різної величини в часі і просторі називають сейсмічністю.

На території України високий рівень сейсмічності спостерігається, в основному, на території Карпатського і Кримсько-чорноморського регіонів.

Сейсмічність Карпатського регіону визначається землетрусами з епіцентрами у Закарпатті, Карпатах, Передкарпатті, а також на прилеглих територіях Польщі, Словаччини, Угорщини, Румунії. Найбільш сейсмоактивним є Закарпаття.

На території західних областей України (за період з XVII століття до нашого часу) землетруси характеризуються, в основному, глибинами вогнищ (h) 2-10 км і магнітудами (М)<5.5. Внаслідок малої глибини ці землетруси викликають локальні ефекти на поверхні ґрунту з інтенсивністю до 7-8 балів за шкалою MSK-64. Такі ж коливання відчуваються на Закарпатті від глибших (h=35 км) і більших за величиною (М=6.8) землетрусів з епіцентрами в Румунії (Пішкольт) на відстані ~60 км від кордону України. На прилеглій до Передкарпаття території найбільший землетрус, з достовірно описаних, відбувся у 1875 р. в районі м. Великі Мости Львівської обл. Він мав магнітуду М=5.3, глибину вогнища h=19 км і відчувався в епіцентральній зоні з інтенсивністю 6 балів. В Чернівцях інтенсивність коливань досягала 3 балів.

На значну частину території України впливають підкорові землетруси із зони Вранча в Румунії. Вогнища землетрусів, здатних спричинити значні макросейсмічні прояви на території України, розташовані в мантії на глибинах від 80 до 190 км. Максимальні магнітуди землетрусів з цієї зони досягали 7.6. Завдяки великим глибинам вогнищ і магнітудам, землетруси зони Вранча проявляються на величезній території: від Греції на півдні - до Фінляндії на півночі. На карті епіцентрів представлені вогнища землетрусів зони Вранча, починаючи з XI століття, з магнітудами вищими від 3.5. Надійно встановлено ізосейсти найсильніших землетрусів зони Вранча за останні два століття.

Сейсмічність Кримсько-Чорноморського регіону визначається епіцентрами землетрусів, розташованих в акваторії Чорного моря поблизу Південного берега Криму. Вони характеризуються найвищими на території України магнітудами (до М=6.8). На карті епіцентрів землетруси Криму представлені з M>2 за період спостережень з I віку до н. е. до нинішнього часу. На рівнинній частині Криму і в акваторії Азовського моря показані вогнища землетрусів з M>1.

На платформній частині України відомо лише декілька відчутних місцевих землетрусів. Їх вогнища були в межах земної кори, внаслідок чого сейсмічний ефект мав локальний характер. Інтенсивність сейсмічних струшувань в епіцентральній зоні досягала 6-7 балів. Землетрус з інтенсивністю сейсмічних струшувань 6 балів за шкалою MSK-64, який відбувся 3 січня 2002 року в районі селища Микулинці Тернопільської області і шлейф його афтершоків, ще раз засвідчив наявність суттєвої сейсмічної активності платформних тектонічних структур на території України.

Рівень небезпеки, яку можуть спричинити землетруси, показано на картах загального сейсмічного районування (ЗСР) в балах макросейсмічної шкали MSK-64. Ці карти використовуються для довгострокового соціально-економічного планування, раціонального землекористування, прийняття адміністративних і технічних рішень щодо забезпечення стабільної експлуатації існуючих споруд і розміщення нових (ГЕС, АЕС, трубопроводів тощо). В сейсмічних районах України проектно-пошукові і будівельні роботи регламентують три імовірнісні карти ЗСР-2004, позначені як А, В і С. На них представлені значення інтенсивності сейсмічних струшувань, які можуть проявитися раз в 500, 1000 і 5000 років, відповідно, або, інакше кажучи, можуть бути перевищені з імовірністю 10%, 5% і 1% за найближчі 50 років.

Карти сейсмічного мікрорайонування (СМР) відображають прогнозований приріст сейсмічної бальності на різних ділянках території, відносно представленої на картах ЗСР. Прирости можуть бути додатними, або від‘ємними, в залежності від місцевих ґрунтових умов, рельєфу і наявності тектонічних порушень. При побудові карт СМР використовуються дані інженерно-геологічних досліджень, дані макросейсмічних обстежень наслідків землетрусів, інструментальні спостереження за сейсмічними полями землетрусів, вибухів, природних і техногенних мікросейсм. Карти СМР використовуються для планування розвитку населених пунктів, забезпечення стабільної експлуатації існуючих споруд і проектування нових.

Представлені в атласі карти геофізичних полів і побудовані на основі їх інтерпретації карти і схеми, які відображають глибину будову літосфери, динаміку тектонічних структур, небезпеку, пов‘язану із землетрусами, криповими рухами, зсувами, просадками тощо, є важливим інструментом для пізнання глибинної будови планети, цілеспрямованого пошуку корисних копалин, захисту населення, житла і важливих споруд від небезпечних ендогенних процесів і пов‘язаних з ними вторинних інженерно-геологічних явищ.

Результати

Загальні результати проведених досліджень.

1. Розроблено методику побудови карт аномального магнітного поля (ΔТ)а, його регіональної (ΔТ)а.рег.  та локальної (ΔТ)а.лок. компонент та карт модуля Т.
2. Запропоновано новий критерій оцінки збуреності магнітного поля Землі, який може бути за стосовний для вивчення вікового ходу геомагнітного поля та його екологічного аспекту.
3. Розроблено карти аномального магнітного поля (ΔТ)а, його регіональної (ΔТ)а.рег.  та локальної (ΔТ)а.лок. компонент, модуля Т, збуреності ΔD та екологічної збуреності ΔDecol для території України.
4. Створено карти регіональної компоненти геомагнітного поля (ΔТ)а.рег. збуреності ΔD та екологічної збуреності ΔDecol для Східно-Європейської платформи.