НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут геофізики ім. С. І. Субботіна

БУРАХОВИЧ Тетяна Костянтинівна

УДК 550.372,373:551.14(477)

Електропровідність земної кори та верхньої мантії

території України

04.00.22. – Геофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора геологічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у відділі глибинних процесів Землі і гравіметрії

Інституту геофізики ім. С.І.Субботіна Національної академії наук України

Науковий консультант –

доктор геологічних наук Кулік Сергій Миколайович,

Інститут геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:–

доктор геолого-мінералогічних наук, професор Шеремет Євгеній Михайлович, Український державний науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут гірничої геології та маркшейдерської справи (УкрНДМІ) НАН України, завідувач відділу, м. Донецьк.–

доктор геолого-мінералогічних наук, професор Жамалетдинов Абдулхай Азимович, Санкт-Петербурзький філіал ІЗМІРАН, головний науковий співробітник, Росія.–

доктор фізико-математичних наук Максимчук Валентин Юхимович, Карпатське відділення Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, директор, м. Львів.

Провідна установа:

Національний гірничий університет України,

кафедра геофізики, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “26” квітня 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України

Автореферат розісланий “15” березня 2005 р.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках вченому секретарю спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 за адресою

03142, м. Київ-142, проспект Палладіна, 32.

Тел.: (+38044) 424-2100

Fax.: (+38044) 450-2520

E-mail:

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор геологічних наук М. І. Орлюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відомо, що під впливом на Землю яких-небудь фізичних сил у ній відбуваються складні й різноманітні зміни. Ми ще дуже далекі від повного розуміння цих процесів. У кращому випадку, ми обмежуємося описом, який спирається на теорії фізичних полів, у гіршому – тільки фіксуємо деяке фізичне явище та вивчаємо його емпіричні закономірності. Це пов’язано, звичайно, не з тим, що геофізики повністю задоволені наявною інформацією, а з тим, що більш повний математичний опис явищ, які відбуваються усередині Землі, на порядки складніший від того, який ми використовуємо.

У наш час геоелектрика є одним із провідних розділів загальної та прикладної геофізики. Електромагнітні поля, що індуковані в Землі джерелами природного походження, дають змогу отримати унікальну інформацію про глибинну геологічну будову Землі, а також перебіг фізико-хімічних процесів у її надрах.

Бурхливий розвиток за останній час чисельних методів розв’язку задач геоелектрики відкриває можливості, про які ще кілька років тому можна було тільки мріяти. Моделі електропровідності земної кори і мантії дають новий матеріал для побудови концепцій геологічного розвитку Землі. Так, присутність електропровідних утворень свідчить про наявність певних видів мінералів, процесів графітизації, дегідратації або часткового плавлення гірських порід, інтенсивного тектонічного переміщення блоків, про відповідні тиски і температури, що супроводжують ці процеси, про розвиток ослаблених зон, які нерідко супроводжуються підвищеною сейсмічністю, і т. п. Очевидно, що вивчення глибинної електропровідності істотно розширює можливості тектонічних і мінералогічних досліджень. Тому вирішення проблем і питань, пов’язаних з вивченням електропровідності земної кори та верхньої мантії території України й суміжних регіонів, є надзвичайно актуальним.

Зв’язок роботи із науковими програмами і темами. Дослідження виконано в рамках робіт за плановими темами відділу тектоносфери “Вивчення тектоносфери зон молодої активізації України” (№ UA01004870Р, 1992- 1996 рр.), “Геофізичні та геодинамічні моделі тектоносфери України” (№ 0197U012113, 1997-2001 рр.), відділу автоматизації геофізичних досліджень “Електромагнітні дослідження глибинних геологічних структур сейсмо- активних районів” (№ UA01001280Р, 1991-1995 рр.) і відділу глибинних про- цесів Землі й гравіметрії Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України “Геоелектричні моделі земної кори й верхньої мантії України за даними природного електромагнітного поля Землі” (№ 0102U000484, з 2002 р.), а також у рамках робіт за грантом U 59200 Міжнародного наукового фонду “Виділення й вивчення зон молодої активізації України”, грантами 6.1/16 “Методика електромагнітних досліджень тривимірних аномалій”, 6.1/113 “Тектоносфера районів сучасних аномалій термофлюїдного режиму України”, 6.3/21 “Тектоносфера зон сучасної активізації Українського щита та Донбасу” Державного фонду фундаментальних досліджень України, проектами 1/96 “Геофізичні дослідження та геофізичні моделі золоторудних ділянок на Українському щиті й у Донбасі” (№ 0196U003618, 1996 р.) та 3/97, 9/98 “Розробка технології виділення за геофізичним даними ділянок, перспективних на золоте зруденіння, в межах рудних полів Донбасу і Приазовського масиву” (№ 0398U000915, 1997 р., № 0197U012112, 1998 р.) Державної програми “Золото України”, “Детальне сейсмічне районування” (№ 0196U015882, 1996-2000 рр.), “Комплексні геолого-геофізичні дослідження уздовж профілю Маріуполь ? Біловодськ” (№ 0199U000573, 2002 р.), цільової теми №1 “Створення комплексної тривимірної геофізичної моделі літосфери у зв’язку з магматизмом, тектонікою та рудоутворенням корисних копалин Українського щита” (№ 0102U002478, з 2002 р.), “Оцінка перспектив корінної алмазо- носності Українського щита за даними геофізичних, петрологічних, мінералогічних, геохімічних та геохронологічних досліджень земної кори й верхньої мантії (геофізична частина)” ( № 0104U002978, з 2004 р.).

Мета і завдання досліджень. Метою роботи була побудова нової глибинної геоелектричної моделі земної кори й верхньої мантії (до глибини 200 км) території України та суміжних регіонів на основі використання сучасного апарату квазітривимірного плівкового моделювання природних низькочастотних електромагнітних полів іоносферно-магнітосферного походження та виявлення зон і шарів аномально високої електропровідності та пояснення природи їхнього виникнення.

Для цього виконувалися конкретні завдання.

1. Збір і уніфікація даних магнітоваріаційного профілювання (МВП), аналіз експериментальних результатів глибинних магнітотелуричних зондувань (ГМТЗ).

2. Дослідження теоретичних моделей геоелектричних середовищ і розробка особливих методичних прийомів моделювання природних електромагнітних полів.

3. Побудова геоелектричних моделей земної кори та верхньої мантії території України.

4. Виділення і картування зон високої електропровідності та анізотропії електричних властивостей у земній корі та верхній мантії України.

5. Аналіз природи виникнення аномалій високої електропровідності в земній корі та верхній мантії.

6. Аналіз можливостей і перспектив прогнозу розподілу корисних копалин, сейсмічної та геотектонічної активності.

Наукова новизна отриманих результатів. У роботі розроблено нові методичні підходи й прийоми побудови моделей розподілу аномально високої електропровідності в земній корі та мантії на основі аналізу магнітоваріаційних даних і використання апарату квазітривимірного (квазі-3D) плівкового моделювання.

Вперше побудовано моделі аномальної сумарної поздовжньої електропровідності земної кори та верхньої мантії України для різних періодів геомагнітних варіацій.

Побудовано нові двовимірні (2D) моделі розподілу питомого електрич-ного опору в земній корі та верхній мантії за даними МВП, магнітотелуричного зондування (МТЗ) і ГМТЗ уздовж мережі профілів, що перетинають різні геологічні регіони України.

На основі електромагнітних полів, що розраховані, в діапазоні частот МТЗ і ГМТЗ для квазі-3D плівкових моделей уперше досліджено властивості та особливості скалярних параметрів імпедансного типу в зіставленні з класичними тензорними уявленнями імпедансів на прикладі моделей геологічних структур України.

Вперше за даними МТЗ у межах Українського щита (УЩ) виділено зони аномалій анізотропії електропровідності.

Отримано нові параметри розподілу електропровідності в Кіровоград-ській, Карпатській, Яворівській, Чернівецькій, Волинській, Гайворон-Добро-величківській, Приазовській, Донбаській і Тарханкутській аномаліях.

Уперше виділені Коростенська, Чернівецько-Коростенська та кримські аномалії електропровідності в земній корі та верхній мантії.

Вперше за даними аналізу моделей Карпатської аномалії електропровідності показано, що західна, східна та південна гілки цієї аномалії не з’єднуються одна з одною.

Вперше показано, що межа Східноєвропейської (СЄП) та Західноєвропейської платформ трасується зонами високої електропровідності в земній корі у Східних Карпатах і Добруджі.

Вперше в межах УЩ у верхній мантії його південно-західної частини виділена зона високої електропровідності (близько 2000 См) на глибині 70 км.

Уперше було виявлено, що породи найбільш давнього Придніпровського блока УЩ характеризуються більш високим питомим електричним опором, ніж породи кори молодих блоків щита.

Вперше показано, що зона високої електропровідності, яка виділена в корі Донбасу, простягається в кору східної частини Дніпровсько-Донецької западини (ДДЗ).

Зроблено аналіз вивчення природи високої електропровідності в конкретних геоелектричних аномаліях та висловлено нові припущення про їхні джерела.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методичні прийоми побудови глибинних геоелектричних моделей, що спрямовані на вирішення практичних завдань інтерпретації електромагнітних досліджень методами МТЗ і МВП під час пошуків і розвідки корисних копалин.

Отримані дані щодо розподілу електропровідності в земній корі безпосередньо можуть бути використані для побудови моделей глибинних геологічних і геотектонічних процесів, які відбувались або відбуваються.

Геоелектричні моделі земної кори та верхньої мантії, а також висновки, що отримані, про природу провідників у корі та верхній мантії мають бути безпосередньо пов’язані з побудовою прогнозних металогенічних карт і схем сейсмічної безпеки території України.

Особистий внесок здобувача. Частину експериментального матеріалу, що стала основою для побудови геоелектричних моделей, автор одержав безпосередньо у процесі дослідження разом з колегами з Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, починаючи з 1983 р.

Автор особисто провів інтерпретацію експериментальних даних природного електромагнітного поля, створив геоелектричні моделі земної кори та верхньої мантії всіх геологічних регіонів України і суміжних територій на основі програм, розроблених І. М. Варенцовим, М. Г. Голубєвим і Р. Л. Маккі, і проаналізував отриманий результат.

Основні результати та висновки, що винесені на захист, отримано автором особисто.

Особистий внесок автора в основні роботи, які зроблені в співавторстві, визначається таким чином.

У монографіях [1, 2] авторові разом з С. М. Куліком належать окремі розділи, в яких автор дисертації виклав основні положення методики моделювання, результати розрахунків і побудови геоелектричних моделей кори та мантії України.

У наукових статтях [3, 4, 6, 17, 19 – 23] постановка проблеми та обговорення результатів належать С. М. Куліку разом з автором. Реалізація завдання ? побудова, розрахунок геоелектричних моделей конкретних геологічних регіонів і висновки належать дисертантові.

У наукових статтях [7 – 13] постановка завдання та обговорення отриманих результатів належать В. В. Гордієнку, С. М. Куліку разом з автором, виконання експериментальних геоелектричних досліджень, аналіз та обробка ? авторові разом з І. В. Гордієнком, С. М. Куліком, І. М. Логвіновим, В. М. Тара-совим, інтерпретація, побудова та розрахунки геоелектричних моделей ? авторові.

У публікаціях [15, 16, 18] авторові разом з С. М. Куліком належать постановка задачі, аналіз та узагальнення даних. Чисельне моделювання магнітотелурічних полів автор виконав особисто.

У статті [14] автору особисто належать збір матеріалу і його аналіз, постановка завдання досліджень – В. М. Шуману, побудова та розрахунки геоелектричних моделей проведені разом з Л. К. Ланкисом, аналіз та обгово-рення результатів ? із В. М. Шуманом, С. М. Куліком.

У статті [24] авторові належать оцінка геоелектричних параметрів об’єк-тів високої електропровідності та аналіз їхньої можливої природи для аномалій, що розміщуються на території України.

Достовірність отриманих результатів забезпечена великим обсягом геоелектричних досліджень, які після ретельного аналізу були уніфіковані та проінтерпретовані з урахуванням матеріалу про глибинну будову регіону, конкретним використанням сучасних пакетів програм чисельного моделювання електромагнітного поля, що використовуються в світовій практиці. Незаперечним підтвердженням достовірності запропонованого розподілу електропровідності земної кори та верхньої мантії слугують всебічне тестування моделей, систематичне порівняння з даними спостережень та несуперечність з основними геолого-геофізичними висновками.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідалися та обгово-рювалися на Міжнародній конференції “Теорія і практика магнітотелуричного зондування” (Москва, 1994), міжнародних нарадах ЄВРОПРОБА (Київ, 1994), ЄВРОБРИДЖ (Швеція, 1996), “Літосфера півдня Східноєвропейського конти-ненту та його краю” (Гурзуф, Україна, 2000), 25-ї Генеральної асамблеї Євро-пейського геофізичного товариства (Ніцца, Франція, 2000), 15-му Міжнарод-ному симпозіумі по електромагнітній індукції в Землі (Кабо-Фрі, Бразилія, 2000), 5-й Міжнародній нараді по інтерпретації магнітотелуричних даних (Ріо- де-Жанейро, Бразилія, 2001), симпозіумі в Бєльську Дужим (Польща, 2001), мітингу ПАНКАРДІ (Сопрон, Угорщина, 2001), III та IV Міжнародних науко-вих конференціях “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2002, 2003), Третіх, Четвертих та П’я-тих геофізичних читаннях ім. В. В. Фединського (Москва, 2001, 2002, 2003), Першому Всеросійському школі-семинарі по електромагнітних зондуваннях Землі (Москва, 2003), Міжнародному семінарі з електромагнітної індукції (Київ, 2004), Міжнародній науково-технічній конференції “Гірнича геологія, геомеханіка та маркшейдерія” (Донецьк, Україна, 2004).

Публікації. Результати досліджень опубліковано в 30 статтях у наукових журналах, 3 монографіях, у 4 тезах доповідей конференцій, в 2 збірниках наукових праць.

Подяки. Автор висловлює глибоку подяку С. М. Куліку, якого він вважає своїм вчителем і працює з ним у тісному співробітництві. З 1984 р. С. М. Кулік зацікавив автора проблемою глибинних геоелектричних дослі-джень кори та верхньої мантії Землі і тим самим визначив один з основних предметів наукових інтересів автора.

Тепле почуття вдячності за підтримку, допомогу і участь автор відчуває до В. М. Шумана. Окрему подяку автор висловлює І. М. Варенцову за підтрим-ку та незмінно доброзичливе ставлення до роботи, а також М. Н. Бердичевсь-кому та І. І. Рокитянському, до школи яких автор себе відносить. Автор складає подяку В. В. Белявському за спільну роботу з 1996 по 2001 р.

Особливу та щиру вдячність автор виражає Є. М. Тонковиду за прове-дення експериментальних досліджень.

Автор вдячний за спільну та плідну роботу з 1984 по 2001 р. В. В. Горді-єнкові, О. В. Завгородній, І. М. Логвінову, В. М. Тарасову, І. В. Гордієнкові та Л. К. Ланкісу.

Автор щиро вдячний В. І. Старостенкові за доброзичливе ставлення та підтримку.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 глав і висновків, містить 305 сторінок тексту (270 сторінок основного тексту з 89 рисунками та 9 таблицями); список посилань містить 302 найменування.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Викладено загальну характеристику дисертації: актуальність теми, мету роботи і основні завдання досліджень, охарактеризовано наукове і практичне значення роботи, визначено новизну і особистий внесок автора, її зв’язок з науковими програмами.

Розділ 1. Наведено результати майже піввікових експериментальних магнітотелуричних і магнітоваріаційних досліджень земної кори та верхньої мантії України.

Ранні (1960-ті роки) глибинні експериментальні дослідження на території України пов’язані з іменами В. К. Амірова, А. П. Бондаренка, А. І. Білинського, С. Г. Кремера, С. М. Куліка, І. М. Логвінова, І. І. Рокитянського, Я. С. Сапу-жака, І. А. Свириденко, Г. М. Ткачева, В. М. Шумана. Пізніше стали широко відомі регіональні дослідження МТЗ під керівництвом А. І. Інгерова, В. І. Тре-губенка, В. В. Белявського та Є. М. Шеремета.

За останні 15 років геофізичні організації геологічних служб України здійснили площадну та профільну зйомку методами МТЗ і МВП по мережі 50?50 км2 з деталізацією окремих регіонів (Карпатського та Південного по мережі 25?25 км2) і спостереження на ряді профілів, що відповідають геотраверсам глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ) за відстані між пунктами реєстрації 5?25 км. У результаті зйомки отримано комплексні значення імпедансів МТ-поля в діапазоні періодів 0,1?1000 с та індукційні вектори для періодів 150 та 1000 або 2000 с у понад 2500 пунктах.

Нині нагромаджено величезний експериментальний матеріал [Ingerov et al., 1999, Бурьянов и др., 1985, Азаров и др., 1998, Ингеров и др., 1988, Дьяконова и др., 1986, Трегубенко и др., 1989, Рокитянский и др., 1994, Baysorovich et al., 1998, Белявский и др., 2001], з якого витікає, що земна кора і верхня мантія на території України є істотно неоднорідними в геоелектричному аспекті.

По-перше, у корі виявлено потужні, витягнуті на сотні кілометрів унікальні аномалії високої електропровідності – Карпатська і Кіровоградська, та інші локальні аномалії, наприклад Тарханкутська, Донбаська, Волинська, Гайворон-Добровеличківська (Ряснопільська), що характеризуються різними глибиною залягання, інтегральною електропровідністю, приуроченістю до різноманітних геологічних структур і т. ін.

По-друге, виявлено аномально провідні структури у верхній мантії – під Паннонською западиною та Скіфською плитою. Показано, що провідник у мантії Карпатського регіону виклинюється у бік СЄП.

По-третє, показано, що зони аномальної провідності не можна адекват-но описати одномірними та 2D моделями.

Інтенсивний розвиток методів квазітривимірного (плівкового), тривимірного (3D) моделювання магнітотелуричних полів дав можливість приступити до формулювання нових уявлень про глибинну геоелектричну будову території України.

Розділ 2. Перш ніж розпочати побудову геоелектричних моделей земної кори та верхньої мантії регіону, що досліджується, слід обговорити питання, які пов’язані з природою глибинної електропровідності.

Тлумачення природи електропровідності земної кори та верхньої мантії тільки за даними спостережень електромагнітного поля Землі, її зв’язок з геотектонічними процесами, що відбуваються або відбувалися протягом геологічного часу, – це неоднозначна і некоректно поставлена задача, незважа-ючи на те, що основними параметрами, які контролюють електропровідність, є температура, тиск, пористість, внутрішньо поровий тиск, склад, мінералізація флюїду і т. ін.

У розділі розглянуто різні варіанти природи електропровідності як в усій товщі кори інтегрально, так і в аномальних зонах. Проте в кожному конкрет-ному випадку можна зробити досить обґрунтоване припущення про природу електропровідності, хоч і невідомі тип струмоносія, знак його заряду, а це не дає змоги віддати перевагу у виборі (в загальному випадку) між твердими електронними (графіт) або флюїдними іонними (розсоли, розплави) провідниками.

Найістотніше і загальне збільшення електропровідності напівпровідникової природи відбувається на глибині близько 400 км у результаті фазового переходу олівін – шпінель.

У моделі PREM [Dziewonski, Anderson, 1981] на цій глибині передбачається сейсмічна межа в мантії, що характеризується перепадами швидкостей P- та S-хвиль і густини.

Глибше цієї межі електропровідність збільшується. Якщо уявити, що хімічний склад мантії не є однорідним, тоді до природи електропровідності можуть включатися крім іонного-напівпровідникового механізму й інші мікропроцеси, наприклад поляронний.

Розділ 3. У методах електромагнітного дослідження електропровідності земної кори значну роль відіграє метод МВП. Основи методу пов’язані з уявленнями про лінійний зв’язок між вертикальними і горизонтальними компонентами магнітного поля варіацій іоносферно-магнітосферного джерела.

В методах МВП та МТЗ, як і в інших методах, що використовують джерело змінного електромагнітного поля, як природного, так і штучного походження, розглядається переважно вихідна горизонтально-шарувата модель електропровідності Землі. В цьому випадку електромагнітне поле, що залежить від типу джерела і моделі середовища, природним шляхом ділиться на Е- і Н-складові або ТМ- і ТЕ-моди (поперечно-магнітна, коли радіальний компонент магнітного поля дорівнює нулю, та поперечно-електрична, коли радіальний компонент електричного поля дорівнює нулю відповідно) або поля гальванічного та індукційного типів [Могилатов, 2002].

У методах МВП і МТЗ прийнято уявлення про те, що зовнішнє джерело магнітного типу збуджує ТЕ(індукційну)-моду, через те, що щільність атмосферних струмів у діапазоні періодів, що використовуються, не перевищує мільйонної частки іоносферного струму [Бердичевский и др., 1991].

Основою відомого уявлення про поширення низькочастотного, природного електромагнітного поля в Землі є наближені граничні умови Леонтовича [Леонтович, 1948], які зв’язують горизонтальні магнітне та електричне поля. Досвід показує, що такі умови добре описують реальне електромагнітне поле, коли мова йде про дуже добрі провідники.

В неоднорідних середовищах первинне поле збуджує бімодальне, складне вторинне поле. Для 2D моделі середовища аномальне поле ділиться на дві поляризації: Е і Н, коли відповідно вектори магнітного та електричного полів спрямовані поперек меж поділу електропровідності [Бердичевский и др., 1997].

Цей висновок загалом не поширюється на сферичну модель Землі [Шуман, 2001, 2003]. Треба припустити, що існує неоднорідне магнітотелурич-не поле на поверхні Землі, яке проникає в неоднорідне провідне середовище.

Навіть у випадку, коли на геоелектричну модель, що складається з одномірного горизонтально-шаруватого середовища, а також містить триви-мірні неоднорідності, падає вертикальна плоска електромагнітна хвиля у низь-кочастотному діапазоні, не можна застосувати поділ поля на дві моди – електричну та магнітну.

Досвід показує, що для двовимірного випадку, через те, що реальне первинне поле та середовище не відповідають модельним уявленням про горизонтально-шаруватий розріз і плоску, вертикально падаючу хвилю, слід увести термін “пошкодження”. Мається на увазі виправлення кривих МТЗ так, щоб їх можна було інвертувати в рамках одномірної моделі. У тривимірному випадку, навіть якщо аномальне тіло розташовано в одномірному середовищі, парадигма “пошкодження” не дає змоги точно оцінити параметри неоднорідності і побудувати адекватний геоелектричний розріз.

Для завдань глибинної геоелектрики під час вивчення будови земної кори та верхньої мантії, коли потрібно одержати якісну характеристику тривимірного середовища, варто проаналізувати просторовий і частотний розподіли аномальних магнітних полів та їх трансформацій.

Основою для вивчення горизонтальних неоднорідностей електропровід-ності в корі та мантії Землі слугує метод МВП, що ґрунтується на визначенні векторної характеристики “типпер”, або “вектор Візе – Паркінсона”, або “індукційні стрілки”, яка пов’язує вертикальні та горизонтальні складові поля геомагнітних варіацій. При цьому передбачається, що вертикальна складова магнітного поля створюється тільки внаслідок індукції в локальному провіднику з високою електропровідністю. В процесі формування аномальних полів, як горизонтального, так і вертикального, виникають два типи ефектів. Один пов’язаний з вихровими струмами у середині аномального тіла, а інший – з появою згущення індукованих струмів в аномальному тілі та перерозподілом їх між провідником та погано провідним середовищем, що його вміщує. І.І.Рокитянський [Рокитянский, 1975] показав, що основний внесок в сумарне аномальне магнітне поле реально вносять надлишкові струми.

На ділянці високих частот, коли електромагнітне поле просочується в провідник, спостережені магнітоваріаційні параметри визначають співвідно-шенням питомої електричної провідності середовища, що вміщує провідник, та геометрією аномального тіла. На ділянці низьких частот, коли аномальне тіло повністю насичене індукційним струмом (приблизно до постійного струму), спостережувані параметри МВП визначаються характером розподілу електропровідності у середовищі, що вміщує. Частотні характеристики аномальних полів, як горизонтального, так і вертикального, на ділянці низьких частот не пов’язані з гальванічними явищами на межі провідників і визначаються тільки параметрами середовища. Приповерхневі неоднорідності середовища істотно не впливають на параметри аномального поля. Оскільки частотні характеристики лінійно пов’язані з імпедансом середовища, можна обійти труднощі, спричинені “гальванічними пошкодженнями”.

Цей експериментальний висновок дав змогу сформулювати основи методу магнітоваріаційного зондування, які викладені в статті [Бердичевский и др., 2003]. Цей метод ґрунтується на безпосередній інверсії частотної характер-ристики “типпера”. Показано, що в рамках наведеної парадигми існує одно- значність розв’язку двовимірної оберненої магнітоваріаційної задачи.

Разом з тим [Шуман, 2003] для визначення вхідного імпедансу в пункті спостереження за даними МВЗ слід враховувати, що він адекватно визначається тільки у випадку структур з електромагнітними властивостями, що плавно змінюються, у тангенціальному напрямі. Тут застосована асимптотична теорія скін-ефекту та можливе врахування горизонтальних неоднорідностей розрізів. За наявності великих горизонтальних неоднорідностей розрізу зв’язок вхідного імпедансу та магнітоваріаційних параметрів ускладнений.

Треба зауважити, що ці обмеження пов’язані з визначенням вхідного імпедансу середовища, а не з оцінкою параметрів локальних аномалій високої електропровідності.

Наведені дані свідчать про те, що оцінка параметрів глибинного гео-електричного розрізу доволі утруднена через відсутність відомостей про первинне джерело та характер розрізу. В методі МТЗ у зв’язку з цим використовують гіпотезу про однорідне джерело та горизонтально-шарувате середовище, що характеризується великою електропровідністю. Якщо середо-вище недостатньо електропровідне, наприклад, це щит або частина мантії, то класичний зв’язок тангенціальних компонентів електромагнітного поля варіацій потребує введення поправок у рекурентний розріз за “пошкодження”. Для магнітоваріаційного зондування існує розроблена методика спостережень, обробки даних, моделювання, інверсії, але слід мати на увазі, що одержувані результати істотно залежать від ступеня латеральної мінливості параметрів розрізу. Проте цей метод має перевагу, яка полягає у тому, що вплив поверх-невих неоднорідностей значно менший, ніж в методі МТЗ. Метод МВП в зонах, які характеризуються наявністю високопровідних витягнутих структур, дає достовірні результати визначення геометрії, місця розташування аномалії та інтегральних параметрів аномальної електропровідності.

Розділ 4 присвячений аналізу теоретичних моделей магнітотелуричних і магнітоваріаційних полів і методиці побудови глибинних геоелектричних моделей земної кори та верхньої мантії.

Для розв’язання цієї задачі були використані можливості 2D (пакет програм скінченнорізницевого моделювання електромагнітних полів FDM2D [Жданов и др., 1990, Варенцов, Голубев, 1996]), квазі-3D плівкового (програма IEM3D [Варенцов, Вайдельт, 1994]) та 3D (програма Mtd3fwd [Mackie et al., 1994]) моделювання магнітоваріаційних полів.

Аналіз гальванічних пошкоджень магнітотелуричного поля над двовимірним середовищем з поверхневою та глибинною неоднорідністю, розглянутий в підрозділі 4.1.2, показав, що S-ефект істотно залежить від глибинної геоелектричної неоднорідності. Наприклад, поза грабеном глибинна неоднорідність послаблює S-ефект, а всередині – підсилює. При цьому величи-на гальванічного впливу “астеносфери” залежить від її розмірів. Аналіз Н-поля-ризованого магнітотелуричного поля розгортає певні перспективи в інтерпретації даних МТЗ при вивченні тектоносфери.

2D моделювання (підрозділ 4.1.3) показало, що частотні характеристики аномального поля поверхневих неоднорідностей на ділянці великих періодів визначаються імпедансом середовища, що вміщує неоднорідності. Період Тпоч залежить від інтегральної поздовжньої провідності поверхневої аномалії. Якщо “астеносфера” представлена локальним об’єктом, то найбільшу інформативність несуть частотні характеристики аномального магнітного поля.

У підрозділі 4.1.4 проаналізовано частотні характеристики аномального магнітоваріаційного поля 2D, квазі-3D і 3D електропровідних тіл залежно від витягнутості, площі поперечного перерізу провідника, його просторової орієнтації і параметрів середовища, що вміщує провідник. Результати аналізу зводяться до таких основних висновків.

1. Межі локальних тривимірних провідників поза залежністю від поляри-зації електромагнітного поля добре виділяються в аномальних магнітних полях.

2. Частотні характеристики аномальних магнітних полів залежно від витягнутості провідника істотно відрізняються. На ділянці низьких частот спа-даючі гілки паралельні незалежно від розмірності моделі. Величина аномального поля для обмежених тіл значно менша, ніж для двовимірних тіл, але коли відношення довжини до ширини перевищує 100, то практично не існує різниці в частотних характеристиках 2D та 3D моделей. Максимуми частотних характеристик тривимірних тіл зміщені на ділянку малих періодів геомагнітних варіацій.

3. Величину аномального поля визначають як за інтегральним пара-метром анQ, так і за питомим електричним опором аномального тіла. Положення максимуму частотної характеристики зміщується на ділянку більших періодів з ростом Q – площі поперечного перерізу аномального тіла, та провідності аномалії ан .

4. Наявність у нормальному розрізі шару високої електропровідності (астеносфери) істотно впливає на частотні характеристики аномальних тіл, що складають перегини на спадаючих гілках.

У підрозділі 4.1.5 проаналізовано поводження скалярних параметрів імпедансного типу.

В. М. Шуман увів спосіб визначення двох локальних скалярних імпеданс-них умов за тангенціальними компонентами електричних і магнітних полів у пункті спостереження [Шуман, 1993, 2003].

Дослідження властивостей та особливостей скалярних параметрів імпе-дансного типу ж ? * у зіставленні з класичним поданням імпедансу у вигляді тензора проведено на прикладі геоелектричної структури території України. На основний скалярний імпеданс ж впливають гальванічні та індукційні пошко-дження, і за величиною він відрізняється від локально-нормального імпедансу (над однорідним горизонтально-шаруватим розрізом) у пункті визначення. Значення скалярного імпедансу несуттєво відрізняються від класичного імпе-дансу, тільки в деяких випадках відхилення перевищують 100 %. При цьому значення класичних додаткових імпедансів на порядок або два менші за основні. Це – чудовий факт реального розподілу значень магнітотелуричного поля за умови відсутності глибинних неоднорідностей. Водночас додатковий скалярний імпеданс * різко реагує на неоднорідності розподілу поверхневої сумарної поздовжньої електропровідності, досягаючи в деяких випадках рівності з основними скалярними імпедансами ж. Великі значення імпедансу * спостерігаються в пунктах великих градієнтів сумарної поздовжньої провідності.

Як показано у підрозділі 4.2, з появою сучасного апарату інтерпретації електромагнітних даних – плівкового моделювання, можна поставити та роз-в’язати задачу побудови нової квазітривимірної моделі земної кори та верхньої мантії України.

Первісним експериментальним матеріалом слугують індукційні вектори, отримані в результаті багаторічних досліджень багатьма авторами, які описані в розділі 1. Аналізу піддані як індукційні вектори, отримані за методикою Х. Візе, яку вчений запропонував на початку 1960-х років, так і комплексні вектори Візе – Паркінсона, зареєстровані для періодів геомагнітних варіацій 150, 1000 й 2000 с.

Були використані 2500 експериментальних досліджень магнітотелурич-них і магнітоваріаційних залежностей, отриманих різними авторами. На жаль, ці дані істотно відрізнялися одні від одних. Наприклад, для східної частини України відомі тільки вектори Візе (для періодів 150 та 2000 с), а для західної частини – тільки реальні та уявні частини індукційних векторів Візе – Паркін-сона (для періодів 150 та 1000 с). У Карпатському регіоні зібрані вектори Візе для періодів геомагнітних варіацій 150 та 1800 с.

У першу чергу були уніфіковані всі первісні дані.

По трьох компонентах поля геомагнітних варіацій, що пов’язані лінійним співвідношенням

Hz= WzxHx + WzyHy ,

можна обчислити комплексну матрицю .

Далі була проведена скаляризація матриці . Це означає, що вектор індукції W був визначений як вектор з модулем

і азимутом, що збігається з напрямком реальної частини комплексного вектора індукції, тобто . Інакше кажучи, спостережені дані були приведені до випадку, коли уявна частина дорівнює нулю, тобто до традицій-ного вектора Візе.

Передбачається, що магнітоваріаційні параметри були відомі з похибкою приблизно 10–20 % за модулем та 10°–15° за напрямком.

Програма квазі-3D моделювання припускає наявність тільки однієї неоднорідної S-плівки. Тому першочерговим завданням інтерпретації був розподіл полів на поверхневу та глибинну частини. Були розраховані магнітотелурічні поля для моделі поверхневої S-плівки, розміщеної на горизонтально-шаруватому розрізі.

Одним з основних питань моделювання електромагнітних полів є вибір "нормального" розподілу електропровідності залежно від глибини, характерного для типових тектонічних одиниць України. Були використані три розподіли. Параметри нормального розрізу для докембрійських і герцинських регіонів України введені на основі узагальнення понад 100 кривих ГМТЗ на території СЄП, що не активізована (в геотектоничному сенсі) [Бурьянов и др.,1985]. Для регіонів з кімерійською або альпійською геологічною історією "нормальні" розподіли характеризуються збільшеною електропровідністю на мантійних глибинах.

Області моделювання являли собою планшети квадратних комірок зі сторонами 10, 20 та 30 км. Це дало змогу включити до розрахунків різноманітні в геоелектричному відношенні регіони: Воронезький кристалічний масив, Дніпровсько-Донецьку западину, Донецький басейн, Український щит, Причор- номорську западину, Крим і частину Чорного моря, Карпати з Передкарпатсь-ким і Закарпатським прогинами та Прип’ятський прогин.

Карти-схеми сумарної поздовжньої провідності [Азаров и др., 1998] поверхневих відкладів і потужності приповерхневого провідного шару України масштабу 1:1 000 000 описані в підрозділі 1.2.

Вектори, що розраховані від неоднорідної поверхневої S-плівки, відніма-ли від спостережених векторів Візе. Варто зазначити, що така процедура в загальному випадку не є законною, тому що ці характеристики аномальних полів геомагнітних варіацій не є в точному значенні векторами.

Для оцінки застосовності цього методичного прийому були розраховані спеціальні моделі з різною просторовою орієнтацією окремих елементів. Аналіз цих моделей показав, що додавання векторів індукції відповідає розрахунковим даним. Орієнтація в просторі векторів індукції збігається, а їхні величини можуть відрізнятися в рамках похибок спостережень.

У результаті віднімання векторів Візе, що розраховані для моделі провідності поверхневих відкладень, від спостережених, був отриманий розподіл аномальної частини векторів Візе, який слугував “вихідним” матеріа-лом для побудови глибинної геоелектричної моделі земної кори та верхньої мантії різних геологічних регіонів України. Надалі під терміном “вихідні вектори” розумітимемо результат цієї операції.

Вважалося, що розрахункові та “вихідні” дані збігаються, якщо відхилен-ня не перевищували зазначені вище похибки спостережень.

Глибину залягання плівки S вибирали за даними ГМТЗ та з урахуванням швидкості спаду аномальних геомагнітних полів. Розподіл сумарної поздовж-ньої електропровідності в глибинному коровому провіднику підбирали методом проб і помилок з урахуванням параметрів уже відомих моделей (Карпатської [Zhdanov et al., 1986], Кіровоградської [Баглаенко и др., 1989], Коростенської [Бурахович и др., 1997], Тарханкутської [Бурахович и др., 1987]) аномалій електропровідності.

Проте методика квазі-3D плівкового моделювання не дає змоги оцінювати глибину залягання провідних горизонтів, їхню товщину та питому електричну провідність. Для побудови геоелектричних розрізів уздовж обраних профілів слід використовувати дані МТЗ, електричну компоненту МТ-поля та апарат 2D моделювання.

У підрозділі 4.2.2 розглянуто особливості моделювання МТ-полів. На ділянці низьких частот імпеданс Н-поляризованого поля пошкоджений статич-ним ефектом, і тому з урахуванням корекції його можна використовувати для побудови глибинних моделей. Тим самим різку неоднорідність поверхневого провідного шару, що розташований між погано провідним повітрям і породами консолідованої кори, що характеризуються високою електропровідністю, можна враховувати простими прийомами.

Обмеження сітки моделювання не дає змоги докладно описувати об’єм-ну модель електропровідності поверхневих осадів і змушує застосовувати еквівалентність за сумарною поздовжньою провідністю. У цьому випадку рівень розрахованих кривих може спотворюватися. Втім зважаючи на те, що Н-поляризоване поле зазвичай сильно гальванично спотворене, можна погодитися із зазначеним недоліком.

Завдання підрозділу 4.3 складається з аналізу теоретичних моделей та вивчення магнітотелуричного поля анізотропних середовищ у зонах, не зачеплених аномаліями неоднорідності електропровідності. Тому попередньо для якісного аналізу поводження кривих МТЗ в умовах анізотропних середовищ було проведено двовимірне моделювання на тестових прикладах. У процесі моделювання було з’ясовано, що еквівалентом моделі анізотропного середовища можуть бути дві моделі неоднорідної вставки з різними для Е- і Н-поляризацій магнітотелуричного поля. Розглянуто окремий випадок анізо-тропного середовища, коли осі неоднорідності і анізотропії збігаються. Було проаналізовано співвідношення кривих МТЗ над вставками та шарами, які розташовані на поверхні та на глибині 10 км із різними коефіцієнтами анізотропії (Кан) – співвідношеннями питомого електричного опору (: = =1:25; 25:1).

Огляд даних МТЗ у межах УЩ виявив зони аномальної анізотропії електропровідності, якім відповідають три типи співвідношення кривих у. Для всіх типів характерно розходження кривих на ділянці високих частот.

I тип – задовольняє витягнутій структурі, в якій електропровідність за простяганням більша, ніж вхрест нього;

II тип – задовольняє витягнутій структурі, в якій електропровідність за простяганням менша, ніж вхрест нього;

III тип – задовольняє анізотропному шару горизонтально-шаруватого розрізу. В виділених аномаліях анізотропії рівень уявного питомого опору на ділянці високих частот не опускається нижче за 100 Ом·м.

Обговорення результатів досліджень розділу 4.

1.

2.

3.

4.

5.

Розділ 5. Аналіз експериментальних даних щодо сумарної поздовжньої електропровідності, модулів індукційних параметрів, питомого уявного опору за напрямками вимірювальних ліній для двох періодів магнітотелуричного поля вздовж профілів, який проведено у підрозділі 5.1, показує таке.

1. Зони високої електропровідності, що виходять на поверхню, просторово корелюють із глибинними регіональними розломами УЩ, що виділені за геологічним даними, – Андрушевським, Хмельницьким, Троянівським, Жмеринським, Ободнівським, Одесько-Тальнівським, Гвоздавським, Першотравневим, Центральним, Західноінгулецьким, Криворізько-Кременчузьким.

2. Виділено зону аномально високого опору порід земної кори в межах Придніпровського блока УЩ і частини складчастого Донбасу.

3. У спостережених даних виявлено відомості про наявність у земній корі на різних глибинах зон аномально високої електропровідності.

Огляд даних МТЗ і магнітоваріаційних параметрів дає змогу оцінити особливості геоелектричної будови досліджуваної території та побудувати 2D (підрозділ 5.3) та квазі-3D (підрозділ 5.2) моделі земної кори та верхньої мантії.

Технологія побудови геоелектричних моделей змусила нас ділити території України та суміжних регіонів на планшети: Карпатський, Західний та Східний. Аномальне поле варіацій у східній частині України поділено на три планшети, яким відповідають аномалії електропровідності:

а) Кіровоградська – перший планшет, охоплює Кіровоградський, Придніпровський блок, Західноінгулецьку шовну зони УЩ, ДДЗ і Причорно-морську западину;

б) Донбаська – другий планшет, охоплює частину ДДЗ, Донбас, Приазовський блок, Оріхово-Павлоградську шовну зону УЩ;

в) кримські – третій планшет.

Вплив осадової товщі на індуковане поле геомагнітних варіацій розраховано для двох планшетів – Західного та Східного.

Модель електропровідності Карпатського регіону охоплює західну частину УЩ, Волино-Подільску (ВПП) та Молдавську плити, Львівський палео-зойський прогин, Рава-Руську зону СЄП і альпійську складчасту область Захід-них, Східних і Південних Карпат з прилеглими передовими й внутрішніми міо-ценовими прогинами та депресіями (Паннонською, Трансільванською), Пенін-ським пасмом і Вигорлат-Гутинським вулканічним пасмом неогенового магма-тизму, доальпійські епіорогенні зони (Скіфську, Мізійську та Добрудзьку).

Основне завдання наших досліджень – побудова геоелектричної моделі в зоні зчленування Західних і Східних, Східних і Південних Карпат. Тут вектори індукції на коротких і довгих періодах різко суперечать двовимірній апрокси-мації зони високої електропровідності. За розворотом спостережених векторів індукції аномалія електропровідності Південних Карпат приурочена до Перед-карпатського прогину, тоді як у Західних та північній частині Східних Карпатах – до карпатського флішу та вулканітів Пенінського та Вигорлат-Гутинського пасм. Крім того, у східній частині регіону до