Аномалии Японии
Давно известно, что ΔZ (изменение вертикальной составляющей геомагнитного поля) имеет необычно большое значение в Какиока, одной из стандартных магнитных обсерваторий Японии, а именно: ΔZ здесь равно 60% от АН (изменение горизонтальной составляющей геомагнитного поля) в периоды геомагнитных заливов или подобных им явлений. Начиная с 1950 г. изучение аномальных геомагнитных вариаций проводилось и на других магнитных обсерваториях Японии. Так как результаты наблюдений были опубликованы (главным образом автором настоящей статьи и его сотрудниками) в ряде статей в бюллетене Токийского сейсмологического института и подытожены в других статьях [11, 13], то здесь будет дано лишь краткое описание аномалии.
Аномалия центральной Японии, область, над которой отмечается аномально большое ΔZ, имеет приблизительно эллиптическую форму и покрывает обращенную к Тихому океану центральную часть Японских островов. Аномалия лучше всего наблюдается в период геомагнитных бухт или подобных изменений. ΔZ направлено вниз, когда ΔН положительно. В обсерваториях этой области зафиксирован заметный параллелизм в поведении ΔH и ΔZ. В центре области отношение ΔZ/ΔH ≈ 1.
Вышеуказанные характерные свойства Центральнояпонской аномалии особенно отчетливо проявляются при изменении магнитного поля в меридиональном направлении. Когда магнитное поле изменяется с востока на запад, как это иногда происходит при солнечных вспышках, аномалия практически исчезает. Для более медленных вариаций, подобных суточным солнечным вариациям и стормтайм-вариациям, аномалия не отмечается. Было высказано предположение, что эти вариации указывают на другую аномалию. которая, вероятно, обусловлена пониженной электропроводностью на глубине в несколько сотен километров под Японией.
Тщательное изучение Центральнояпонской аномалии показывает, что значения ΔН, полученные в обсерваториях южной Японии, больше значений ΔН, наблюдавшихся в центральной Японии при бухтообразных возмущениях [12] и при короткопериодных флуктуациях во время магнитной бури [16]. Принимая во внимание общее увеличение ΔH в северном направлении для геомагнитных вариаций такого рода, мы можем сделать вывод, что ΔH на несколько десятков процентов больше к юго-западу от центральной области аномалии и становится несколько меньше к ее северо-восточному краю.
Для изучения аномалии применялся также метод спектрального анализа [16]. Заметная тенденция к увеличению ΔZ для обсерваторий, расположенных в центре области, и к уменьшению этой величины для обсерваторий, расположенных по ее краям, проявляется для периода 160 мин или близкого к этому значения. На фиг. 1 показаны изменения ΔZ/ΔH для нескольких японских обсерваторий в зависимости от частоты вариаций.
В период осуществления Проекта верхней мантии и в годы спокойного Солнца проводилось особенно интенсивное изучение геомагнитных изменений в надежде получить более точные данные о японской аномалии и дать ей более надежное объяснение. В результате наблюдений на 18 обсерваториях, распределенных на территории Японии, была открыта важная область аномальной геомагнитной вариации в северо-восточной части острова Хонсю; однако протяженность этой аномалии меньше, чем протяженность Центральнояпонской аномалии. Като (личное сообщение, 1966) назвал эту аномалию Северо-восточной японской аномалией. Като и его сотрудники провели интенсивные наблюдения с помощью вариографов над северо-восточной частью острова Хонсю. Они нашли, что для бухтообразных возмущений с периодом менее 3 ч ΔZ на станции у северного края острова Хонсю направлено вверх, когда ΔН положительно. Однако на обсерватории острова Хоккайдо, находящейся в 200 км к северо-востоку, ΔZ направлено вниз. В 200 км южнее этой станции Като и его сотрудники не наблюдали практически никакого изменения вертикальной компоненты геомагнитного поля. Наблюдения на станциях, расположенных еще далее к югу, указывают на постепенное увеличение направленного вниз ΔZ; эта аномалия, по-видимому, представляет собой продолжение Центрально-японской аномалии. На фиг. 2 показано схематическое распределение ΔZ/ΔH над северо-восточной Японией для бухтообразно изменяющейся вариации в направлении г севера на юг. Вызывает удивление тот факт, что Северо-восточная японская аномалия исчезает, когда период геомагнитной вариации превышает 3 часа.
Часто возникал вопрос, можно ли связывать японскую аномалию с магнитным полем, создаваемым электрическими токами, индуцируемыми в окружающих Японию морях? Если бы влияние океана было очень значительным, ΔZ должно было бы находиться в фазе с ΔD (изменение в склонении) и влияние океана должно было бы увеличиваться при изменении магнитного поля в широтном направлении в северо-восточной Японии, так как край глубоководной части океана проходит здесь с севера на юг. Однако этого не наблюдается. Данные автора [14] показывают, что океан оказывает небольшое влияние на измерения, производимые на суше, если принять во внимание постепенное изменение его глубины, хотя над глубоководными областями эффект, конечно, должен был бы проявляться значительно сильнее. Опыты Паркинсона [9, 10] с его моделью «террелла» также не подтверждают возможности объяснения японских аномалий влиянием океана. Автор настоящей статьи считает, что японские аномалии в геомагнитных вариациях едва ли можно объяснить влиянием океана; поэтому причину аномалий следует искать в сильно аномальном распределении электропроводности под Японией, вероятно, в верхней мантии. Удовлетворительная гипотеза пока отсутствует, хотя Рикитаке [11] предложил умозрительную модель «ответвленной цепи». Попытки привести в соответствие японскую аномалию с другими геофизическими параметрами, такими, как скорость распространения сейсмических волн, величина теплового потока и т. д., до сих пор не увенчались успехом. Хотя природу японских областей аномальной геомагнитной вариации пока объяснить не удается, все же можно с уверенностью считать, что они отражают сложное распределение электропроводности под Японией.
Аномалии на американских континентах
На американских континентах были проведены очень важные исследования аномальной геомагнитной вариации. В арктической области Канады обнаружены и изучены два рода аномалий. Аномалия Моулд-Бей на острове Принс-Патрик характеризуется необычным затуханием короткопериодных флуктуаций вертикальной компоненты поля. Спектральный анализ геомагнитных флуктуаций позволяет сделать вывод, что аномальный проводник средней толщины (например, от 5 до 20 км), имеющий электропроводность 10-11 ед. СГС, может обусловить существование аномалии, если предположить, что он находится на глубине около 25 км [21, 22] (Т. Юкутаке и Дж. Де Лорье, личное сообщение, 1965). Если такое высокое значение электропроводности выразить через температуру, то полученное значение указывает, что высокотемпературная изотерма (~1400° С) должна здесь находиться на глубине 1U—20 км. Данные Ло и др. [5] по величине теплового потока не подтверждают существования столь высоких температур вблизи поверхности. Вариографические исследования вокруг Моулд-Бей свидетельствуют о том, что аномалия покрывает область площадью примерно 200 X 300 км и имеет резкую границу там, где поверхность проводящего слоя на расстоянии 50 км погружается с глубины 40 км примерно до 100 км [24]. В начале 1965 г. вблизи Моулд-Бей отмечался рой землетрясений.
Уитем [23, 24] и другие исследователи тщательно изучили геомагнитную аномалию в Алерте — станции, расположенной на севере острова Элсмир. Они нашли, что магнитные векторы бухтообразных вариаций направлены в основном с северо-запада на юго-восток. Эту аномалию можно было бы объяснить, предположив, что изотерма 1400° С на протяжении 25—30 км земной поверхности поднимается примерно на 100 км [15], причем длина области поднятия изотермы должна быть равна, согласно оценкам, нескольким сотням километров. Магнитотеллурические наблюдения, проведенные недавно в Алерте [24], доказали, однако, что вышеприведенная модель не объясняет фазовых соотношений между геомагнитными изменениями и земными токами. Поэтому интерпретацию Алертской аномалии, так же как и аномалии Моулд-Бей, нельзя считать удовлетворительной, хотя совершенно очевидно, что обе аномалии обусловлены какой-то экстраординарной причиной, каким-то источником, находящимся в коре или в верхней мантии.
Вариографические исследования были проведены вдоль широтных профилей в западной Канаде [2, 3, 24]. На станции, расположенной на тихоокеанском побережье острова Ванкувер, было установлено, что ΔZ возрастает для геомагнитных флуктуаций с периодом от 10 до 60 мин. Ламберт и Канер в своей интерпретации этой аномалии учитывали, кроме влияния океана, погружение под континент обладающей высокой электропроводностью мантии. При еще большем удалении от побережья в глубь континента были обнаружены и другие, правда не столь четко выраженные аномалии. Ламберт и Канер пытались установить корреляцию этих аномалий со слоем с низкой скоростью сейсмических волн.
Шмуккер [19] изучил области аномальной геомагнитной вариации над юго-западной частью США. Аномалия Калифорнийского побережья является, по-видимому, одним из лучших примеров краевого эффекта океана. Было показано, что ΔZ для бухтообразных геомагнитных изменений на береговых станциях имеет большую амплитуду, которая постепенно уменьшается по мере продвижения в глубь континента. ΔZ скорее похоже на ΔD, чем на ΔН. Хорошо известно, что векторы геомагнитной вариации стремятся расположиться в одной плоскости, если влияние электромагнитной индукции значительно; направление такой плоскости обычно характеризуют так называемым вектором Паркинсона [8]. Направление этого вектора в горизонтальной плоскости указывает направление максимального наклона кверху избранной плоскости, а его длина пропорциональна синусу угла наклона. Векторы Паркинсона для многих станций в Калифорнии приблизительно перпендикулярны границе континентального шельфа; они все без исключения направлены к океану.
Ларсен и Кокс [4] провели теллурические исследования вблизи берегов Калифорнии и пришли к предварительному выводу, что слой с повышенной электропроводностью лежит довольно близко к дну океана.
Шмуккер [19] обнаружил также Техасскую аномалию. В Туксоне, Аризона, для большинства геомагнитных вариаций ΔZ чрезвычайно мало. Однако на станции, расположенной в 400 км к востоку от Туксона, ΔZ значительно больше. Шмуккер предположил, что техасская аномалия обусловлена резким погружением в этом месте верхней поверхности проводящей мантии с глубины 160 км до 320 км. Согласно Вакье (личное сообщение. 1966), тепловой поток имеет высокие значения непосредственно над приподнятой частью проводящей мантии и малые значения над той частью мантии, которая лежит ниже.
Недавно были проведены обширные вариографические исследования в Южной Америке. Шмуккер и др. [19] сообщили об обнаружении очень слабой аномалхш для Sq в Перу; однако во время магнитной бури ΔZ здесь существенно меняется от станции к станции, как видно на фиг. 3. Следовательно, подповерхностная структура электропроводности в южном Перу должна быть очень сложной. Явно выраженную береговую аномалию Z-вариаций найти не удалось, хотя одна из станций расположена очень близко к глубоководной области. ΔZ для бухты имеет знак, противоположный тому, который обычно характерен для береговой аномалии. Чтобы объяснить такой обратный береговой эффект, мы вынуждены предположить, что мантия, обладающая высокой электропроводностью, под океаном вблизи берегов Перу лежит глубже, чем под сушей.
Изменение знака ΔZ (Шмуккер, личное сообщение, 1966) наблюдалось между береговыми станциями и станциями, расположенными вблизи восточного склона Анд (вариографические исследования, проводившиеся Геофизическим институтом Перу и Геофизическим институтом Боливии совместно с Отделом земного магнетизма института Карнеги, Вашингтон, округ Колумбия). Изменение знака сопровождается увеличением ΔН, указывающим на локальную концентрацию на глубине около 60 км внутренних индукционных токов, которые протекают вдоль зоны высокой электропроводности под гребнем Анд. Сколько-нибудь заметной береговой аномалии обнаружено не было.
Другие аномалии
Паркинсон [10] усовершенствовал свою модель «террелла» — сферический слой, на котором океаны представлены с помощью медных пластинок, а неглубокие моря — с помощью сеток из медной проволоки. Эксперименты Паркинсона с разумно выбранным индуцированным полем, приложенным к этой модели, подтвердили почти все первоначальные выводы, хотя в некоторых местах эффект от неглубоких морей кажется слишком большим. С помощью этой модели нельзя объяснить Центральнояпонскую аномалию. Большинство австралийских аномалий [9], по-видимому, связано с электропроводностью океана и наличием проводящей полосы к северу от Австралии, которая, очевидно, не может быть обусловлена мелкими водами между Австралией и Индонезией.
Буллард (личное сообщение, 1966) наблюдал в Шотландии аномалию, сходную с аномалией в Моулд-Бей. Е. А. Любимова (личное сообщение, 1966) отметила, что высокий тепловой поток вблизи Байкала ассоциирует с областью аномальной геомагнитной вариации. Кроме хорошо известной аномалии на севере ФРГ [18], здесь и в соседних странах были обнаружены другие области аномальной геомагнитной вариации. Визе [25] установил связь аномалий с главными тектоническими структурами.
Недавно были получены новые важные данные о геомагнитной вариации на островах [6, 7, 1, 17]. Было выяснено, что ΔZ на острове изменяется от места к месту. Оказалось, что знак ΔZ часто меняется на противоположный для быстрых геомагнитных флуктуаций между северными и южными станциями острова. В настоящее время считают, что такой островной эффект объясняется электрическими токами, индуцированными в море, окружающем остров. Судя по тому, что островной эффект можно наблюдать на острове, расположенном очень близко к континенту [17], нельзя исключить возможность того, что здесь играет некоторую роль подземная структура. Мы должны тщательно проверить, не являются ли геомагнитные вариации, наблюдаемые на острове, типичной особенностью данного района.
Выводы
Проведенные в последние годы интенсивные исследования аномальной геомагнитной вариации выявили ряд новых аномалий, таких, как Северо-восточная японская аномалия, Перуанская аномалия и аномалия Анд. Интерпретация этих аномалий, так же как и других, установленных ранее, никоим образом не может считаться удовлетворительной. Несмотря на обширные исследования Центральнояпонской аномалии в течение последних десяти лет, она не получила сколько-нибудь правдоподобного объяснения. В случае Алертской аномалии данные но изучению теллурических токов еще больше затруднили интерпретацию. Поэтому преждевременно делать какие-либо определенные выводы о природе аномалий, хотя главные характеристики аномалий почти наверняка можно объяснить волнообразными неровностями областей мантии, обладающих высокой электропроводностью. Это указывает на наличие соответствующих неровностей изотерм внутри верхней мантии. До сих пор лишь немногие удаленные от моря аномалии удается успешно скоррелировать с вариациями теплового потока.
Лишь очень редко при исследованиях предпринимались попытки привести в соответствие аномалии электропроводности мантии с другими геофизическими данными. Механические свойства пород в основном не чувствительны к небольшим изменениям температуры, однако электропроводность пород сильно увеличивается или уменьшается при относительно малом изменении температуры в интервале от 1000 до 1300°С. Этим можно объяснить аномалии электропроводности мантии, наблюдаемые в областях, в которых не было найдено значительных аномалий силы тяжести и сейсмических скоростей. Поэтому геомагнитный метод позволяет независимым образом определять аномальные условия внутри Земли.
Сложную проблему представляет собой краевой эффект океана. Мы не можем с уверенностью сказать, на сколько процентов наблюдаемая на берегу аномалия обусловлена электрическими токами, индуцированными в океане. Было указано, что слой мантии, обладающий высокой электропроводностью, должен играть важную роль в береговом эффекте океана, если этот слой имеет волнообразные неровности. Открытие обратного берегового эффекта в Перу еще больше усложнило положение. Разделение истинного эффекта океана и аномалий, наблюдаемых в действительности, требует применения метода спектрального анализа. Наблюдения с вариографами, расположенными на дне океана, могут дать очень полезную информацию о электропроводности мантии, лежащей под дном океана.