Методы измерения и анализ полученных данных
Многие достижения в области изучения земной коры стали возможными только благодаря развитию экспериментальной техники и методов анализа полученных результатов. К выдающимся достижениям в области экспериментальной техники относится создание автоматической стандартной магнитной обсерватории [3] с телеметрическими устройствами [661; разработка высокочувствительных рубидиевых [6], цезиевых [22] и гелиевых [41] магнитометров; создание интегрирующих вычислительных систем для работы с самолетов [70, 21, 15] в сочетании с разработкой вычислительных методов анализа аэромагнитных данных [72]. Большими потенциальными возможностями обладает недавно разработанный метод измерения вертикального градиента магнитного поля [36]; успешному развитию этого метода способствует резкое увеличение чувствительности магнитометров, с помощью которых производятся аэромагнитные съемки [35, 60, 56, 45, 40]. Эта система значительно увеличивает разрешающую способность, исключает временные поправки и с помощью уравнений Лапласа и Эйлера позволяет различать источники аномалий, находящихся внутри основания и на более близких расстояниях от поверхности земли [11].
Некоторые наиболее значительные успехи аналитических методов связаны с широким использованием быстродействующих вычислительных машин [29, 28, 65, 49, 62, 8, 52], с возможностью выделения на месте остаточной части намагниченности [23, 54, 37], определения поверхностного совпадения [72] и продолжения поля [30]. со спектральным анализом [61, 25] и анализом Фурье [24, 10, 7].
Региональные магнитные съемки
Магнитные съемки проводились настолько активно, что почти невозможно указать, какую площадь они охватывают в настоящее время. Остенсо [46] дал сводку результатов, полученных по всему земному шару, однако в нее не вошли данные съемки Швейцарии, аэромагнитных съемок над Англией, Шотландией, Уэльсом и Северной Ирландией, детальной съемки F в Финляндии и съемки Японии и окружающих ее вод. В результате проведенных работ были опубликованы следующие карты: 1) Военно-морским океанографическим ведомством США: карты F, H, Z, D и I па эпоху 1965 г. для США, для всего земного шара и для полярных областей; 2) Доминионной обсерваторией: карты D, H, Z, F, I, X, Y, G, U и V для Канады на эпоху 1965 г.; 3) Испанским географическим институтом: карты 77, D и Z для полуострова Иберия на эпоху 1965 г.; 4) Географическим ведомством и Институтом географической службы: карты D, H, I, F, Z, X и Y для Японии на эпоху 1961 г. В нескольких странах были составлены карты детальных магнитных съемок, из которых наиболее известна карта Канады [57].
В СССР была опубликована магнитная карта, основанная на данных воздушных и наземных съемок; эта карта достаточно подробно отражает особенности структуры земной коры [59, 5]. Па ней ясно видна блоковая структура оснований докембрийских платформ. Блоки часто окаймлены узкими зонами интенсивных положительных аномалий, которые связывают с наличием зон дробления. На эпигерцинских платформах и в складчатых областях зоны аномалий параллельны простиранию обнаженных и захороненных складчатых комплексов. Некоторые аномалии указывают на наличие ранее неизвестных тектонических структур. В юго-восточной части Центрального Казахстана очевидная связь между магнитными аномалиями и геологической структурой поверхности отсутствует [48]. Породы, близкие по составу и по возрасту, часто характеризуются аномалиями различной интенсивности, знака и рисунка. Даже региональные магнитные аномалии не обнаруживают связи со структурой глубинных частей земной коры.
Сообщая о Трансконтинентальной геофизической съемке, Пекайзер и Зиц [47] высказывают предположение, что кора и верхняя мантия в США делятся системой Скалистых гор на две суперпровинции. К востоку от Скалистых гор кора относительно толще и обладает высокой намагниченностью, а значительный слой верхней мантии может иметь температуру ниже температуры Кюри. Скорость распространения сейсмических волн, а также плотность коры и верхней мантии в этой относительно устойчивой области имеют высокие значения. В противоположность этому кора в западной суперпровинции характеризуется относительно малой толщиной и слабомагнитна. Скорость распространения сейсмических волн и плотность коры и верхней мантии имеют здесь низкие значения. В этой области широко распространены современные диастрофизм, плутонизм и вулканизм. Линейные, обладающие высокой амплитудой длинноволновые аномалии пая долиной Сакраменто и Сьерра-Невадой указывают, что нижняя часть коры в этих областях состоит из более основных пород, что находится в соответствии с сейсмическими и гравиметрическими данными. Математически сглаженные профили и контурные карты области, лежащей к востоку от Скалистых гор [73], очерчивают главные литологические единицы, залегающие глубоко внутри коры и, возможно, внутри верхней мантии. Очень широкие и менее многочисленные аномалии на востоке имеют приблизительно меридиональное простирание и значительно отличаются от более многочисленных аномалий на западе.
Была проведена аэромагнитная съемка Великих озер с расстоянием между съемочными маршрутами около 9,6 км. Результаты съемки озера Верхнего [71, 31] указывают на наличие разбитой разломами асимметричной синклинальной структуры.
Уитем [69] сообщил о магнитотеллурических, аэромагнитных и других исследованиях области аномальной геомагнитной вариации на северной оконечности островов Королевы Елизаветы в Канадском арктическом архипелаге. Полученные результаты можно объяснить с помощью моделей, предусматривающих подъем на 100 км изотерм от 1400 до 1500°С на расстоянии в 20—30 км по горизонтали. Такое решение не является единственным, и ошибка в этом случае может достигать 60%. Однако большинство параметров было определено, и данные аэромагнитной съемки совместно с другими данными не подтверждают возможности объяснения аномалии изменениями литологического состава.
Аэромагнитная съемка над орогенным поясом раннедокембрийских пород в северо-западной части Онтарио выявила ряд полос положительных и отрицательных аномалий. Баттачария и Морли [9] предположили, что такая полосчатость может быть обусловлена медленным охлаждением магматической зоны, идущим извне к центру зоны, в то время как главное магнитное поле Земли претерпело несколько изменений полярности. Было проанализировано 85 специально отобранных аномалий, чтобы определить горизонтальные размеры и глубину верхней и нижней поверхностей обусловливающих их тел, лежащих в глубоких частях коры, а также установить величину и направление поляризации этих тел. Горизонтальные размеры тел колеблются от 0,8 до 5,1 км, а расстояния до их верхних поверхностей изменяются от 4,8 до 8 км. Средняя глубина подошвы тел составляет 20 км, что соответствует изотерме Кюри. Направления поляризации положительных аномалий совпадают между собой и почти точно противоположны направлениям поляризации отрицательных аномалий, однако ни сильно отличаются от направления современного магнитного поля Земли. Следовательно, над этой большой областью компоненты намагниченности вдоль поля, существующего в настоящее время, малы на глубине по сравнению с естественной остаточной намагниченностью.
Худ (личное сообщение) установил, что гранитные интрузии в Новой Шотландии, которые имеют очень малую намагниченность, окаймлены магнитными аномалиями. Он предположил, что естественная остаточная намагниченность коренных пород, которые уже обладают значительной восприимчивостью (0,5% или более магнетита), сильно возрастает во время интрузии за счет нагревания выше температуры Кюри входящих в их состав магнитных минералов, которые приобретают повышенную намагниченность при последующем охлаждении в магнитном поле Земли. Контактный метаморфизм коренных пород также может привести к образованию некоторого количества магнетита. По мнению Худа, возрастание аномалий у края гранитных интрузий может представлять собой общее явление, и интрузии должны проявляться в сопутствующих понижениях силы тяжести, обусловленных низкой плотностью гранита.
Общая протяженность линий маршрутов морских и воздушных магнитных съемок над Гудзоновым заливом превышает 25 000 км. Наименьшей глубины кристаллическое основание достигает у берегов залива [32]; максимальное расчетное значение глубины, превышающее 30 км, было получено для центральной части залива. Однако было установлено, что часть осадочных пород может иметь протерозойский возраст, так как на юге и востоке залива протерозойские осадочные породы выходят на поверхность. Центр области интенсивных магнитных аномалий, отражающих, вероятно, наличие железистых формаций, расположен приблизительно у 58°37,5' с. ш. и 92°40' з. д. [38].
Разломы в коре
При детальных съемках в период МГГ было обнаружено наличие разломов большой протяженности на дне океана к западу от Северной Америки. Более поздние съемки показали, что Срединноатлантический хребет во многих местах также нарушен разломами, имеющими примерно широтное простирание. Эти структуры рассмотрены в ряде статей настоящей монографии. Данные магнитных измерений позволили Дрейку и др. [13] близ 40° с. ш. открыть главный поперечный разлом, перпендикулярный восточному побережью США. Длина разлома превышает 1000 км. Геологические и геофизические данные указывают на правостороннее смещение на 160 км, которое противоположно по направлению смещению у западного побережья. Этот разлом был прослежен в глубь континента, включая область Аппалачей [14, 20]. Геологические данные свидетельствуют о том, что зона разлома Мендосино может продолжаться через Северную Америку вблизи 40° с. ш. и может иметь докембрийский возраст. Пользуясь методом корреляции структур по обе стороны от разлома, Фуллер [17] представил убедительные доказательства, подтверждающие, что разломы в восточной части Тихого океана продолжаются в глубь континента Северной Америки и, возможно, соединяются с разломом у ее восточного побережья. Ему не удалось обнаружить значительных смещений вдоль разломов, и поэтому он считает, что эти смещения проявлялись на глубине и не отразились полностью в верхнем слое земной коры. Данные, полученные при Трансконтинентальной аэромагнитной съемке, показали, что существует широтная аномалия длиной 800 км, которую Зиц и др. [73] связывают с зоной разломов, проходящей через штаты Небраска и Айова около 40° с. ш. Эти авторы предполагают, что глубина структуры меньше 40 км.
Проектом верхней мантии было предусмотрено международное сотрудничество в районах рифтовой системы Восточной Африки и Рейнского грабена. Результаты этих исследований совместно с геомагнитными данными приведены в специальных работах [64, 53].
Геомагнитные эффекты землетрясении
Магнитные съемки в Японии достаточно четко показали, что аномальная магнитная активность определенным образом коррелируется с сейсмической активностью [50, 51]. Съемки до землетрясения в Ниигата в июне 1964 г. и после него выявили аномальные изменения вековой вариации и возмущения локального магнитного поля на несколько десятков у одновременно с большими изменениями склонения [16]. Аналогичное явление наблюдалось позже при рое землетрясений в Мацусиро с августа 1965 г. и в течение 1966 г. [27]. Был сделан вывод, что в областях, где скорости векового изменения превышают 2—3 γ в год (фиг. 1), можно ожидать в ближайшие годы сильного землетрясения.
В США Станфордский университет, Калифорнийский технологический институт и Геологическая служба США пытались проверить существование пьезомагнитного эффекта в зонах разломов. Вдоль разлома Сан-Андреас было установлено пять рубидиевых магнитометров, а три прибора применялись в других пунктах западной части Соединенных Штатов [43, 1].
Аномалия на окраине континента
Чрезвычайно устойчивая линейная магнитная аномалия наблюдалась вблизи края континентального шельфа у восточного побережья Северной Америки [13, 35, 19, 73], в Тихом океане [44, 18] и в Северном Ледовитом океане [58, 12, 39, 53]. Аномалия у восточного побережья США была прослежена от Аргентия, Ньюфаундленд, до Джексонвилла, Флорида. Ее ширина колеблется от 30 до 80 км, а амплитуда от 150 до 600 у. Геофизические данные свидетельствуют о том, что поднятие фундамента представляет собой погребенную островную дугу, в настоящее время не проявляющую активности, и что магнитная аномалия обусловлена интрузивными и экструзивными породами, образовавшимися в течение более ранней, тектонически активной фазы развития дуги.
Выводы
Данные магнитных измерений позволили достигнуть значительных успехов в интерпретации структуры земной коры. Однако еще многое предстоит сделать. Совершенно очевидна необходимость обширных и детальных магнитных съемок, в частности с использованием вертикального градиента магнитного поля. Необходимо тщательно исследовать возможность использования пьезомагнитных эффектов для предсказания землетрясений. Наконец, следует установить путем международного сотрудничества непрерывную последовательность маршрутов полетов для аэромагнитных съемок, данные которых можно затем проанализировать с помощью метода Фурье [4, 26] и статистических методов [68]. Гармонический анализ магнитного поля Земли, проведенный Олдриджем [1], с очевидностью доказал существование различия между аномалиями, возникающими в коре и верхней мантии, и аномалиями, источник которых находится в земном ядре. Желательно распространить такой анализ на аномалии с более высокими частотами, что позволило бы доказать количественно, справедливо ли предположение Кинга и др. [42], согласно которому магнитное возмущение, обусловленное океанической корой, диагностически отлично от возмущения, связанного с континентальным щитом. Такой анализ необходимо провести для всех главных геологических провинций. Полеты вдоль направлений, не совпадающих с сечениями большого круга, могут продолжаться неопределенно долго без повторений. Таким образом можно получить длинный и непрерывный ряд данных, что позволит произвести статистический анализ всех геологических провинций и тектонических структур.