Геомагнетизм и аэрономия. 2000. Т. 40. № 2. С. 59 - 66.
УДК 550.383.2

В.И.Одинцов, Н.М.Ротанова, Ю.П.Цветков, Ан Ченчанг

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АНОМАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ДЛЯ РАЗНОВЫСОТНЫХ СЪЕМОК

Для выявления характерных особенностей разновысотных профилей аномального магнитного поля выполнен их спектральный анализ методом адаптивной фильтрации, позволивший получить как одномерные, так и двумерные спектры. Показано, что в области периодов больших, чем 400-500 км спектры на приземных, стратосферных и спутниковых высотах являются подобными. Пространственные аномалии для периодов меньших 400 км практически отсутствуют на высоте спутника и надежно выделяются в короткопериодной области спектра только из данных приземных и аэростатных измерений. Результаты спектрального анализа гравитационного профиля, геотермического градиента и мощности земной коры дают основания утверждать, что выделенные особенности в спектрах аномального магнитного поля имеют внутриземную природу. По данным спектрального анализа получена оценка глубин магнитных источников для рассматриваемого региона.

1. Введение

Одной из актуальных проблем современного геомагнетизма является изучение крупных региональных магнитных аномалий. Исследования их структуры проводятся по большому объему данных приземных съемок или спутниковых измерений. Важными вопросами в исследовании магнитных аномалий являются их моделирование и определение источников этих аномалий. Существует ряд математических методов, позволяющих создать модели крупных аномалий. Как показано в [1], на сегодняшний день наилучшим методом является гармоническое разложение на поверхности сферического сектора [2]. Для изучения природы магнитных аномалий большое значение имеет представление магнитных полей не только в пространственной, но и в частотной областях. Спектральному анализу аномальных полей посвящено много работ. Большой вклад в это направление был внесен В.Н.Страховым [3]. Следует особо выделить монографии С.А.Серкерова [4], А.А.Никитина [5], В.И.Колесовой [6], где даются как теоретические, так и экспериментальные результаты спектрального анализа, главным образом аэромагнитных данных. Целью настоящей работы является проведение спектрального анализа профилей аномального магнитного поля, полученных в пределах одной и той же территории, на приземных, стратосферных и спутниковых высотах, сравнение со спектрами других геофизических полей и использование спектральных результатов при оценке местоположения источников.

2. Экспериментальные данные

Одним из источников данных для изучения магнитных аномалий являются аэростатные градиентные магнитные съемки [7]. Полет аэростата с магнитометрами был выполнен в 1996 г. на высоте ~30 км по маршруту от 54 до 161 градуса восточной долготы вдоль параллели ~57 градусов северной широты. Периодичность магнитных измерений составляла 1 мин, что позволило получить значения поля вдоль трассы полета через каждые 0,8 км. С использованием навигационной информации был выполнен переход от временной шкалы к пространственной. Выборка таких данных через каждые 15 км показана на рис. 1б.

Рис. 1. Профили аномального магнитного поля: (а) - на приземных высотах, (б) - градиент аномального магнитного поля на стратосферных высотах, (в) - на спутниковых высотах.

Для разделения нормального и аномального магнитных полей использовалась аналитическая модель нормального магнитного поля IGRF с m=n=10. Это позволило адекватно выделить градиент аномального магнитного поля вплоть до самых длинноволновых составляющих.

После запуска спутника МАГСАТ появилась возможность изучать крупные магнитные аномалии не только для скалярного поля, но и для его ортогональных составляющих [8]. По данным спутника МАГСАТ был получен профиль аномального магнитного поля на средней высоте ~400 км, соответствующий рассмотренному выше аэростатному. Для построения такого профиля была исключена модель главного магнитного поля, выполнено 16-ти точечное сглаживание и отобраны те значения поля на витке, для которых виток имел магнитную активность Кр меньше 2. Далее все оставшиеся значения собирались по долготе и для каждого градуса находились средние значения, которые и принимались за величину аномального магнитного поля вдоль соответствующего профиля. Изменения полученного поля на высоте спутника показаны на рис. 1в.

Более детальное пространственное разрешение по сравнению со спутниковыми и аэростатными съемками дают карты аномального магнитного поля по данным наземной и аэромагнитной съемки [9]. Для построения профиля аномального поля на приземных высотах вдоль трассы аэростатного полета была проведена оцифровка карты через 0,25 градуса. Наглядное изменение аномального поля вдоль этого профиля изображено на рис. 1а.

Дополнительно, для сравнительного анализа были использованы профили, снятые с мелкомасштабных карт гравитационного поля [10], градиента температур [11] и мощности земной коры [12].

3. Методика спектрального анализа

Динамические характеристики спектров колебаний анализируемых экспериментальных данных (рис. 1), были получены методом узкополосной фильтрации, в основу которого положено выделение гармонических составляющих с помощью адаптивных фильтров. По сравнению с традиционным СПАН-ом [13] простота перестройки центральной частоты адаптивного фильтра программным путем позволяет задавать произвольные значения частот гармонических составляющих и повысить разрешающую способность спектрально-пространственного анализа. Фильтр обладает достаточно хорошей добротностью, что дает возможность разделять близкие по частоте гармоники. Детальный подход к построению адаптивных фильтров описан в [14].

Кратко остановимся на сути используемой методики спектрального анализа.

4. Результаты и обсуждение

Результаты спектрального анализа аномальных магнитных полей с использованием вышеописанной методики приведены на рис. 2 (а,б,в).

Рис. 2. Спектры профилей аномального магнитного поля на приземных (а), стратосферных (б) и спутниковых высотах (в), соответственно для длиннопериодной (левая панель рисунка) и короткопериодной (правая панель) частей спектров.

Левая панель рисунка (кривые а, б, в) относится к результатам спектрального анализа длинного профиля по данным приземных (а), аэростатных (б) и спутниковых наблюдений. Правая панель рисунка представляет короткопериодные части спектров для профилей аэростатных данных (а, б) и аномального поля на спутниковых высотах (в). Анализируя полученные результаты, имеем: (1) для длинного профиля на всех уровнях измерений выделяются следующие характерные периоды: 2200-2300 км, 900-1100 км и 300 км по аэростатным и аэромагнитным данным; (2) по спутниковым данным характерные периоды до 500 км практически отсутствуют (левая сторона рис. 2 в). Что касается аэростатных данных, то для коротких периодов первый максимум в спектре наблюдается на периоде 110 км, но наиболее отчетливо выделяются пики на периодах, близких к 220 км и 330 км (рис. 2в).

Если на рис. 2 показаны интегральные спектры для всего частотного интервала, то на рис. 3-I (а-д) даются амплитудные спектры для отдельных его участков (только для аэростатных измерений).

Рис. 3. Спектры профилей аномального магнитного поля на разных участках профиля (левая колонка (I)) для долгот: 106 - 115 град. - (а); 125,5 град. - (б); 129,5 град. - (в); 136,5 град. - (г) и 138 град. - (д). Правая колонка (II) - спектры геотермического градиента (а), гравитационного профиля (б) и глубин Мохо (в).

Наблюдается достаточно хорошее совпадение спектров - на разных участках профиля выделяются практически те же самые спектральные пики, что и в интегральном спектре. Следует отметить выделение дополнительного пика на периоде 1300 км. Такая повторяемость спектральных составляющих для разных частотных диапазонов характеризует единство размерности блокового строения литосферы континента.

В то же время отмечается изменение соотношения составляющих в коротко- и длиннопериодных частях спектров при переходе от долготы 125,5 град. (рис. 3-I б) к долготе 138 град. (рис. 3-I д) через промежуточные точки (рис. 3-I в,г), которое можно объяснить локальными особенностями структуры магнитных аномалий.

При спектральном анализе аномальных магнитных полей на стратосферных высотах мы имеем не только само поле, но и градиент аномального поля, практически не искаженный внешними полями. Спектральный анализ градиентных полей на стратосферных высотах мы сравнивали со спектрами аномальных полей из приземных и спутниковых измерений. Естественно возникает вопрос о правомочности сравнения спектров самих полей и их градиентов. Этот вопрос детально рассмотрен в работе [8], где из численных расчетов показано, что спектральная структура градиентов на высотных уровнях близка к спектральной структуре поля Т на тех же уровнях. Дополнительно мы проанализировали поля и их вертикальные магнитные градиенты от различных источников магнитных аномалий. Установлено, что кривые наблюденных магнитных аномалий и градиента являются подобными, причем коэффициенты пропорциональности значений поля и его градиента являются разными для разных источников. Из этого был сделан вывод о совпадении спектров поля и вертикального градиента.

Методика спектрального анализа, основанная на адаптивной фильтрации, позволяет получить не только одномерное, но и двумерное и даже трехмерное представление рассматриваемого ряда в спектральной области. Характерные динамические спектры колебаний для профилей аномального магнитного поля на разных высотах, относящихся соответственно к аэромагнитным, аэростатным и спутниковым данным, показаны на рис. 4 (а,б,в).

Рис. 4. Динамические спектры профилей аномального магнитного поля на приземных (а), стратосферных (б) и спутниковых (в) высотах.

Здесь горизонтальная ось представляет длину профиля в градусах, а вертикальная - характерные периоды анализируемых профилей. Результаты, представленные на рис. 4, дают возможность видеть не только характерные периоды в спектрах, но и их изменения на всей длине рассматриваемого профиля. Длиннопериодные изменения с периодом 2000 км выделяются на всех высотах, хотя на приземных данных они менее интенсивны, так как смогут быть сильно зашумлены локальными короткопериодными составляющими поля. Кроме того, магнитные аномалии с характерным периодом 2000 км имеют максимальную интенсивность не на всей длине профиля: выделяются три области на долготах 60-70 град., 120-140град. и 150-160град., относящиеся соответственно к районам Урала, Алданского щита и Охотоморской плиты.

Что касается другого характерного периода на Т=1000 км, то он также отчетливо выделяется, особенно на спутниковых высотах с максимальными значениями амплитуд в геосинклинальных областях: Уральском, Енисейском и Охотско-Монгольском складчатых поясах. Отмечается хорошая согласованность более коротких периодов на стратосферных и приземных высотах, выделяемых в районах Урала, Сибирской платформы и Алданского щита. Насколько сложна структура аномального магнитного поля даже на спутниковых высотах, можно видеть из рис. 5.

Рис. 5. Трехмерная картина изменения амплитуды аномального магнитного поля в частотной области на высоте спутника МАГСАТ.

Здесь изображена трехмерная структура аномального магнитного профиля на спутниковых высотах в спектральной области, на которой в вышеназванных регионах выделяются характерные длиннопериодные аномалии с увеличенными значениями амплитуд . Наглядно виден провал в амплитудных значениях поля на долготах 90-120 град., относящихся к территории Сибирской платформы.

При анализе результатов представления магнитных полей в спектральной области естественно возникает вопрос о надежности выделенных спектральных особенностей, связанных с внутренними источниками. Для этой цели с карт, представленных в работах [10-12], вдоль той же трассы построены профили гравитационного поля, геотермического градиента и мощности земной коры и тем же методом адаптивной фильтрации выполнен их спектральный анализ. Полученные результаты приведены на рис, 3-II (а,б,в) соответственно для геотермического градиента, гравики и глубин Мохо.

Сравнивать спектры аномальных магнитных полей со спектрами вышеназванных полей имеет смысл только в их низкочастотной части. Действительно, в спектрах этих полей выделяются те же самые спектральные особенности, что и в аномальном поле. Это подтверждает, что магнитные аномалии с характерными периодами ~2000 км и меньше обусловлены внутри земными источниками.

Естественно применить результаты спектрального анализа разновысотных магнитных профилей для определения глубины соответствующих источников. Воспользуемся для этого формулой, полученной в [16] для данных спектрального анализа аномальных магнитных полей:

Проведенные многочисленные расчеты дали оценку глубины h, среднюю для всего анализируемого профиля, равную ~ 30 км. Эта оценка глубин не противоречит аналогичным результатам для континентальных регионов.

5. Выводы

1. Спектральный анализ, основанный на адаптивной фильтрации, позволил получить представления о сложной структуре аномальных магнитных полей, выделенных из приземных, аэростатных и спутниковых измерений геомагнитного поля.

2. На всех трех уровнях в аномальном поле выделяется ряд магнитных аномалий, соответствующий спектральным особенностям в низкочастотной части спектра. На спутниковых высотах аномалии для периодов до ~ 500 км практически отсутствуют. Первые характерные особенности в спектре для приземных и аэростатных данных при выбранном шаге дискретизации наблюдаются на периоде ~ 100 км.

3. Результаты анализа динамических спектров в их двумерном и трехмерном представлении позволили выделить ряд регионов, где амплитуда аномального поля является максимальной. К таким регионам относятся: Урал, Алданский щит и Охотоморская плита.

4. Повторяемость спектральных особенностей для разных частотных диапазонов не исключает предположения о единстве размерности блокового строения рассматриваемой континентальной части литосферы.

5. Данные спектрального анализа гравитационного профиля, профили геотермического градиента и мощности земной коры подтвердили внутри земную природу выделенных особенностей в аномальном магнитном поле. По результатам спектрального анализа оценка глубины магнитных источников составляет ~ 30 км.

Список литературы