Тяпкін К.Ф. Фізика Землі

Подождите немного. Документ загружается.

Під час розшифрування природи магнітних аномалій, що фік-

суються на поверхні Землі, потрібно виходити з відомих даних

про розподіл джерел цих аномалій у верхніх оболонках-Землі. Ві-

рогідні дані ми маємо лише в межах осадового шару і верхньої

частини кристалічного фундаменту. Джерелами магнітних анома-

лій 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 мен-

ші за площею середньо- і сильномагнітні інтрузивні та метамор-

фічні утворення. Здебільшого верхні краї останніх збігаються з

поверхнею фундаменту. На жаль, закони їхнього розподілу в гли-

бину, як правило, невідомі.

Структура магнітного поля в межах платформ і щитів досить

тісно пов'язана з тектонічною структурою верхніх частин фунда-

менту. Нижче наведено приклади такого взаємозв'язку.

1. У 1937 р. академік А.Д. Архангельський з групою дослідни-

ків геофізиків [190] дійшли висновку, що в межах Східно-

європейської платформи простягання осей лінійних магнітних

аномалій відповідає панівним напрямкам простягання метамор-

фічних 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 роз-

поділу 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 висно-

вок, зроблений А.Д. Архангельським та ін., цілком підтверджуєть-

ся. Панівні напрямки простягань на діаграмі виявились

об'єднаними у дві групи: одна з них пред ставлена чіткими широт-

ними і меридіональними напрямками, а друга, мабуть, відбиває

сукупність декількох діагональних (північно-західних і північно-

східних) 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. справ-

джується не лише статистично, а й у межах кожної конкретної

9 9-38

129

Бандурово

— —

г д є ж

У І

' 1

Рис. 41. Рози-діаграми розподілу за напрямками осей лінійних магнітних аномалій

і елементів залягання порід у відслоненнях (о) і зіставляння цих напрямків на кон-

кретних ділянках Українського щита (б-ж):

—

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 магніт-

них аномалій. Детальніше вивчення цього питання наштовхнуло

автора на думку про те, що різні напрямки простягань є індика-

торами різних тектонічних активувань Землі.

2. Земна кора у межах платформ має блокову будову. Середня

намагніченість верхніх частин блоків, як правило, різна. Ця від-

мінність зумовлена, в основному, різною насиченістю блоків се-

редньо- і сильномагнітними утвореннями. Водночас не виключа-

ється і відмінність у намагніченості вміщувальних порід за раху-

нок різних рівнів їхніх ерозійних зрізів, і відповідно, різних сту-

пенів метаморфізму.

3. У магнітному полі найяскравіше виявляється структурний

план самої верхньої частини докембрійського фундаменту. Тому

130

комплексне використання магнітного і гравітаційного полів дає

шогу розв'язувати проблему «поверховості» докембрійської осно-

ви. Практично виявлення верхнього поверху в фундаменті вста-

новлюється або за незбіжністю контурів порід за даними магніт-

ного і гравітаційного полів, або за незбіжністю структурних пла-

нів, що фіксуються за цими полями (рис. 42) [75]. Привертає

увагу не лише незбіжність межі поширення порід оріхово-

павлоградської серії з межею блока щільнісних порід, а й відмін-

ність 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 на-

кладену 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 кри-

сталічного фундаменту платформ дає змогу розв'язувати, при-

наймні, такі геологічні завдання: вивчати складчастість; визнача-

ти межі блоків земної кори (розломи); виявляти і вивчати повер-

ховість 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, розмі-

щеного на захід від узбережжя Північної Америки, зафіксувала

особливості цих аномалій у районах підводних хребтів [269]. По-

зитивні і негативні магнітні аномалії утворюють смуги, що чергу-

ються 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 особли-

вості магнітного поля океанічного дна, зокрема підводних хреб-

тів, стали основою для висновку про «спрединг» океанічного дна,

а значні бічні зміщення аномалій привели до поняття «транс-

фер мних» розломів.

131

+ + +

+ +

ОІ2

Гч

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):

—

гнейси з прошарками залізистих кварцитів

(РК)\

—

комплекс архейських порід, представ-

лених діоритами, гранодіоритами і плагіогранітами; 3

—

палеозойські утворення; 4

—

ізоанома-

ли 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 од-

ному напрямку з інтенсивністю намагніченості порядку 20 А/м.

На рис. 43, б схематично зображено поле дайок на одній із діля-

нок Канадського щита. Якщо цим дайкам надати намагніченості

132

Рис. 43. Схема аномального магнітного поля північно-східної частини Тихого океа-

ну (я) і план розміщення дайок діабазів 1 на одній з ділянок Канадського щита,

запозичений з геологічної карги провінції Онтаріо, 1971 р. (б) (темні смуги відпові-

дають позитивним магнітним аномаліям, світлі — негативним)

порядку 20 А/м, то на деякій висоті, що дорівнює глибині океані-

чного 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 за-

лежності намагніченості гірських порід від вмісту в них феро-

магнітних 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. Ха-

рактер залежності магнітної сприйнятливості

ге

порід від тем-

ператури в межах перших сотень градусів передається відомою

кривою Кюрі. Як уже зазначалось, згідно з цією кривою вели-

чина

ге

з підвищенням температури зростає, а після досягнен-

ня деякої критичної точки (точки Кюрі) різко падає практично

до нуля (до значень ге, зумовлених парамагнітними властивос-

тями). Для найпоширенішого феромагнітного мінералу — маг-

нетиту — ділянка підвищеної магнітної сприйнятливості пере-

буває в межах 300—575 °С.

133

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. Коефіці-

єнт теплопровідності кристалічних порід у 3—5 разів більший,

ніж пухких осадових відкладів. Прийнявши температурний граді-

єнт пухких осадових товщ 33 °С/км, отримаємо температурний

градієнт для розрізів кристалічних порід -- 10—7 °С/км. Такі зна-

чення температурного градієнта отримано внаслідок безпосеред-

ніх вимірювань на Кольському півострові. У розрізах, що склада-

ються 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 ос-

новності порід з глибиною і пов'язані з цим збільшення кое-

фіцієнта їхньої теплопровідності і зменшення радіоактивності,"

що є одним із джерел теплової енергії, можна очікувати, що

на великих глибинах температурний градієнт буде істотно ме-

ншим, 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 по-

тужність шару з підвищеною магнітною сприйнятливістю мо-

жна 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, наведе-

ної на рис. 44. Оскільки із збільшенням глибин основність порід, а

отже, і вміст феромагнітних мінералів підвищується, збільшуватиме-

ться 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 мінера-

ли за температур 500—800 °С і відсутності вільного доступу кисню

134

100-

200.

2, КМ

Рис. 44. Зміна магнітної сприйнятливості

порід ж з глибиною (за О.С. Семеновим):

1 — зміна значень ж за умови збереження складу

порід; 2

—

те саме, з урахуванням підвищення

основності порід з глибиною; З - те саме, з ура-

хуванням переходу немагнітних різновидів залізо-

вмісних порід у магнітні

можуть переходити у магнітні

різновиди оксидів заліза, зо-

крема в магнетит. Внаслідок

такого перетворення мінера-

лів за температур, близьких

до точки Кюрі, магнітна

сприйнятливість порід може

ще більше зростати (див. рис.

44, крива 3).

Стосовно оцінки пропо-

зиції О.С. Семенова [174],

зазначимо таке. Нині немає

достатньо вірогідних даних

для визначення параметрів

магнітної оболонки Землі,

однак у її існуванні навряд чи

можна сумніватися. Визнання

магнітної оболонки Землі

відкриває багато нових мож-

ливостей. Зокрема, йдеться про проблеми природи світових маг-

нітних аномалій Т

і вікових варіацій магнітного поля 87

, на які

вказував ще О.С. Семенов [174]. Крім цього, з'являється можли-

вість пояснення природи регіональних магнітних аномалій на

межах блоків. Розпочнемо з пояснення природи останніх. Якщо

прийняти зростання намагніченості з глибиною в першому на-

ближенні 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 відпові-

дна їй аномалія 2 (рис. 45, а). Величина цієї аномалії визначаєть-

ся 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 Т

на поверхні Землі.

Розглянемо тепер природу вікових варіацій магнітного поля

Т,

карта ізопор яких Наведена на рис. 22, б. Звичайно природу

вікових варіацій магнітного поля Землі пов'язують з особливос-

тями 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 маг-

нітоактивного 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 верти-

кальним 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 неоднорід-

ностями, 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 віднос-

ного переміщення блоків магнітоактивного шару вздовж розломів.

Зазначимо попутно, що з позицій, які розглядаються, просто-

рове положення й інтенсивність так званих магнітних центрів ви-

значається 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 Т

зумовлені

великими блоками верхніх оболонок Землі, що розпочинаються

від її поверхні і досягають підошви магнітоактивного шару за ра-

хунок різних параметрів цих блоків.

136

Горизонтальне розшарування. Проблема горизонтального маг-

нітного розшарування верхніх оболонок Землі пов'язана, насам-

перед, 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 маг-

нітним полем; який можливий зв'язок магнітних меж із сейсміч-

ними? Розглянемо деякі з них.

Найзрозуміліша фізична природа двох меж: поверхні крис-

талічного фундаменту і підошви магнітоактивного шару. Як

уже зазначалось, поверхня кристалічного фундаменту характе-

ризується масовим збігом з нею верхніх кромок локальних

магнітоактивних тіл. Звідси випливає принцип її вивчення —

шляхом визначення глибин до верхніх кромок цих тіл внаслі-

док інтерпретації магнітних аномалій. Оскільки похибка ви-

значення вертикальних координат верхніх меж витягнутих на

глибину намагнічених об'єктів мало залежить від вибору спо-

собу інтерпретації, то практично можна використати будь-які з

них, включаючи найпростіші. Однак у відповідальних випадках

потрібно віддавати перевагу найточнішим прийомам обчис-

лення глибини до верхніх кромок витягнугих на глибину

об'єктів типу

де ІУ

і 2о — відповідно горизонтальна і вертикальна компоненти

магнітних аномалій, зумовлені вертикальними і вертикально на-

магніченими напівбезмежними пластами.

Масовість визначень И, з наступною їхньою статистичною об-

робкою 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 ефекти-

вність магніторозвідки [34 та ін.]. Основним заважаючим факто-

ром є наявність магматичних порід типу трапів, платобазальтів та

інших магнітних утворень. Внаслідок їхньої екранувальної дії

практично неможливо визначити А,.

А, =

— 00

-00

(21)

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 ви-

значення положення нижніх кромок намагнічених тіл інтерпре-

тацією компоненти магнітного поля Т

[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 розпо-

діл нижніх кромок магнітних тіл на великих глибинах визначаєть-

ся не геотермічним режимом земної кори, а рельєфом поверхонь

Конрада (А) і Мохоровичича (М). Л.В. Буліна та ін. [186] підкрес-

люють, 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

і потужністю земної кори. Т.М. Симоненко [176], О.О. Бори-

сов [18], Б.О. Матушкін [118] та ін. дійшли висновку, що рельєф

меж К

М не позначається на магнітному полі. Така різка відмін-

ність у судженнях з погляду автора не випадкова. Її можна пояс-

нити 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 метаморфі-

зму 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 забезпечи-

ти точності, потрібної для вирішення поставленого завдання.

Сподіватися на визначення положення нижньої межі досить ви-

тягнутих 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 призво-

дить до непередбачуваних помилок і тому результати інтерпрета-

ції в принципі не можуть бути використані для вирішення обго-

ворюваних завдань.

Отже, аналіз сучасного стану проблеми вивчення взає-

мозв'язку магнітних меж із сейсмічними дає змогу зробити ви-

сновок, що поки що її не можна вважати вирішеною навіть у

138