ОБ ИСТОЧНИКАХ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ В ЗЕМНОЙ КОРЕ СРЕДНЕГО УРАЛА

1. ВВЕДЕНИЕ

Уральская складчатая система протягивается более чем на 2500 км и расположена на северо-западном участке палеозойского Урало-Монгольского подвижного пояса. Географически Уральские горы разделяются на Южный, Средний, Северный, Приполярный и Полярный Урал. В описательных геологических целях уралиды разделены на шесть протяженных с севера на юг структурно-тектонических мегазон (рис. 1), которые в значительной степени основаны на возрасте и палеогеографии доминирующих внутри них пород. С запада на восток Уральская складчатая система делится на Предуральский краевой прогиб, Западно-Уральскую, Центрально-Уральскую, Тагило-Магнитогорскую, Восточно-Уральскую и Зауральскую мегазоны.

Три западные мегазоны (Предуральский краевой прогиб, Западно-Уральская и Центрально-Уральская), как отмечено в ряде современных работ [Puchkov, 2010; Ivanov, Puchkov, 2022], создают палеоконтинентальный сектор Урала, образованный на окраине континента Балтика / Лавруссия. Тагило-Магнитогорская, Восточно-Уральская и Зауральская мегазоны формируют палеострооводужный сектор, представляющий собой коллаж офиолитов, островодужных и микроконтинентальных террейнов. Это разделение совпадает с традиционным обособлением мио- и эвгеосинклинальных зон Урала, границей между которыми является шовная зона Главного Уральского глубинного разлома [Ivanov, Puchkov, 2022]. Границы западных мегазон Урала повторяют контуры Восточно-Европейской платформы и могут быть прослежены на поверхности на всем протяжении пояса. Восточные зоны наблюдаются преимущественно на Южном и Среднем Урале, постепенно исчезая к северу под мезокайнозойским чехлом молодой Западно-Сибирской плиты.

Для изучения глубинного строения Урала геофизические исследования проведены по сейсмическим профилям и геотраверсам. На Среднем Урале вблизи г. Верхняя Тура пробурена сверхглубокая скважина СГ-4. Этот район исследован более детально как методом отраженных волн, так и с помощью глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) по профилям: Верхнетуринский, Красноуральский, Нижняя Тура – Орск, Уральский, Рубин-1, Рубин-2, Гранит, Среднеуральский [Druzhinin et al., 1981, 1985; Sokolov, 1996; Kostiuchenko et al., 1998; Kashubin, 2002; Rylkov et al., 2013]. При построении комплексных геолого-геофизических разрезов литосферы вдоль этих профилей использовались в основном двумерные методы интерпретации гравитационных и магнитных полей. Несмотря на большой объем проведенных исследований, многие вопросы глубинного строения остаются дискуссионными и нуждаются в дальнейших исследованиях.

Развитие геофизических методов моделирования источников гравитационных и магнитных полей для больших массивов данных позволяет перейти от изучения глубинного строения литосферы вдоль профилей ГСЗ к объемным моделям. В данной работе на основе новых компьютерных технологий проведена интерпретация магнитного поля, построены объемные источники аномалий и получены новые результаты изучения глубинного строения земной коры Среднего Урала для площади 800×500 км в пределах географических координат от 56 до 60° с.ш. и от 54 до 66° в.д. (рис. 1). Район исследования охватывает складчатую область Урала и прилегающие структуры Восточно-Европейской платформы (ВЕП) и Западно-Сибирской плиты (ЗСП). На первом этапе проведено изучение структурных особенностей аномального магнитного поля, выделены аномалии от различных слоев земной коры. Такая процедура позволяет определить, на какой глубине находятся источники аномалий, анализировать распределение источников, а следовательно, появляется возможность установить связь объектов в верхней коре с глубинными блоками. Затем, на втором этапе, по разделенным аномалиям решается обратная задача магнитометрии, в результате определяются поверхности магнитных источников в различных слоях земной коры.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Изучение структурных особенностей аномального магнитного поля проведено с использованием региональной базы данных, основанной на наземных и аэромагнитных съемках масштаба 1:200000 [Chursin et al., 2008]. При создании цифровой карты для более точного учета вековой вариации была проведена специальная аэромагнитная съемка по протяженным профилям и в качестве поля относимости использована модель главного геомагнитного поля IGRF-2000. Матрица аэромагнитных данных оцифрована через 250 м. На Среднем Урале региональная база данных охватывает территорию на листах О-40 и О-41в масштабе карт 1:1000000.

Базы данных аномального магнитного поля литосферы представлены в основном аномалиями модуля магнитной индукции ΔТ_а, для которых, как известно, нельзя использовать гармонические функции, поскольку они не удовлетворяют уравнению Лапласа. В связи с этим для корректного применения методов решения обратных задач магнитометрии необходимо провести преобразование и определить вертикальную составляющую магнитных аномалий Z. Также для упрощения решения обратных задач магнитометрии требуется значения Z «привести к полюсу», т. е. вычислить данные при вертикальной намагниченности источников. Для этой цели был разработан метод аппроксимации аномалий модуля магнитной индукции полями сингулярных источников [Martyshko et al., 2016]. Аппроксимация аномалий модуля индукции решается методами нелинейного программирования и сводится к минимизации функционала между исходными данными и аномальными полями от набора модельных источников. Метод позволяет выполнять аппроксимацию магнитных аномалий для больших массивов данных, не делая никаких предположений о направлении намагниченности источников аномалий в отличие от метода, предложенного в работе [Baranov, 1957] и реализованного в спектральной форме [Bhattacharyya, 1965].

В качестве модельных источников выбран набор однородно намагниченных стержней. Такой класс источников в аспекте параметризации задачи является оптимальным, по сравнению с классом точечных источников или диполей. Каждый модельный источник описывается только семью параметрами: координатами концов и линейной намагниченностью. Изменение длины стержня позволяет выполнять аппроксимации аномалии как от изометричных шарообразных, так и от протяженных объектов. Направления намагниченности стержней задавались либо вдоль источника [Muravyev et al., 2016], либо по современному геомагнитному полю [Martyshko et al., 2021a]. Для вычислений на сетках большой размерности использовано программное обеспечение, реализующее параллельные вычисления. Полученные в результате аппроксимации параметры сингулярных источников позволяют с помощью решения прямой задачи магнитометрии рассчитать прямоугольные компоненты магнитных аномалий (X, Y, Z), а также выполнить процедуру «приведения к полюсу».

Проведенные расчеты для Уральского региона и сопоставление карт аномалий модуля магнитной индукции ΔТ_а и вычисленной вертикальной компоненты Z показывают, что аномалии Z смещены к северо-северо-востоку относительно аномалий модуля ΔТ_а, и расстояние между эпицентрами достигает 15–20 км [Muravyev et al., 2016; Martyshko et al., 2021a].

3. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАССИВОВ И СЛОЕВ ЛИТОСФЕРЫ

Петрофизические исследования пород уральских массивов показали, что граниты, гранодиориты имеют низкие магнитные свойства, а магнитная восприимчивость образцов основного и ультраосновного состава (диориты, базальты, амфиболиты, габбро, серпентиниты, пироксениты) высокая и может достигать 25000∙10^-⁵ ед. СИ, однако средние значения не превышают 6000∙10^-⁵ ед. СИ [Petrophysical Methods…, 1988]. Анализ результатов измерения магнитных свойств в сверхглубокой скважине СГ-4 показал, что наиболее магнитными являются диориты, диабазы, диоритовые порфириты, плагиоклазовые базальты, магнитная восприимчивость которых составляет 1000∙10^-⁵–5500∙10^-⁵ ед. СИ [Igolkina, 2002]. Для образцов с высокой магнитной восприимчивостью значение фактора Кенигсбергера (отношение остаточной и индукционной составляющих намагниченности), как правило, меньше 1, поэтому можно полагать, что интегральная намагниченность не превышает 2–3 А/м.

На Урале базит-ультрабазитовые массивы преимущественно сосредоточены в линейно вытянутых поясах и приурочены к глубинным разломам, протягивающимся на сотни и даже тысячи километров. Для определения границ массивов и углов падения разломов широко использовались различные методы интерпретации магнитных аномалий, в основном в двумерном варианте. Тела, связанные с глубинными разломами, как правило, имеют крутые углы падения, некоторые из таких тел по геофизическим данным прослеживаются на большие глубины. Ряд гипербазитовых массивов имеет небольшие углы падения и плоскую форму, что, по-видимому, является следствием их надвиговой природы и оторванности этих массивов от корневых блоков. Результаты моделирования источников магнитных аномалий вдоль профилей двумерными методами дали возможность оценить интегральную намагниченность базит-ультрабазитовых массивов в 2–3 А/м [Fedorova, Rublev, 2019].

При построении магнитной модели литосферы необходимо иметь не только оценки намагниченности горных пород, но также значения средней намагниченности слоев коры и расположение нижней границы магнитоактивного слоя. Главные носители намагниченности в земной коре – минералы титаномагнетитового ряда, и прежде всего магнетит, который теряет ферромагнитную намагниченность при температуре Кюри 580 °С. Породы осадочного слоя содержат незначительное количество магнитных минералов и не создают заметных магнитных аномалий. В верхнем кристаллическом слое земной коры выделяются блоки, имеющие значительную намагниченность, однако средняя намагниченность гранитного слоя низкая, ее значение, оцененное по петрофизическим исследованиям на щитах, не превышает 0.3 А/м [Krutikhovskaya et al., 1982]. На Урале по результатам магнитного каротажа, проведенного в верхних 5 км в Уральской СГ-4, среднее значение магнитной восприимчивости составляет 60∙10^-⁵ ед. Си [Main Results…, 2000].

Для пород базальтового слоя характерны высокие значения намагниченности – 2–6 А/м, и по результатам моделирования северного сегмента Уральского региона величина средней намагниченности этого слоя составляет 3 А/м [Fedorova et al., 2017b], но источники региональных магнитных аномалий Среднего Урала имеют более высокую намагниченность – 5–7 А/м [Fedorova, 2005; Martyshko et al., 2021b]. Магнитовариационные исследования на ряде региональных магнитных аномалий, в том числе на Манчажской аномалии, которая находится в пределах изучаемого региона в южной части ВЕП, показали, что в нижней коре преобладает индукционная намагниченность [Fedorova, 2005; Orlyuk et al., 2014]. Изучение структуры аномального магнитного поля Уральской складчатой системы и взаимосвязи между длинноволновыми магнитными аномалиями и сейсмическими границами, а также мощностью консолидированной коры выявили прямую связь только с кровлей базальтового слоя [Fedorova et al., 2017a]. Аномалии, которые могли бы соответствовать резкому изменению рельефа границы Мохо, выделить не удалось. Скорее всего, это связано с тем, что нижняя часть базальтового слоя и переходная зона между корой и мантией имеют низкую намагниченность – возможное следствие коллизионной переработки в процессе орогенеза либо разогрева выше температуры Кюри магнитных минералов. По результатам моделирования вдоль геотраверса Гранит намагниченность пород земной коры в прогибе границы Мохо под Уралом не превышает 0.5 А/м [Fedorova, 2001].

Исследования ксенолитов мантийных пород показали, что верхняя мантия имеет низкие магнитные свойства (магнитная восприимчивость образцов порядка 10^-⁴–10^-³ ед. Си) [Pechersky, 1994; Pechersky et al., 2006], поэтому нижним ограничением магнитоактивного слоя литосферы может быть граница Мохо или глубина в нижней коре, где температура превышает 580 °С. Геотермические исследования в глубоких и сверхглубоких скважинах установили принципиально новый результат изменения с глубиной температурного градиента как основного показателя термодинамического режима недр. Температура растет значительно быстрее, чем считалось ранее по результатам измерений в неглубоких скважинах. В относительно холодной коре древней Восточно-Европейской платформы на глубине 12 км температура достигла 220 °С вместо ожидаемых 120–130 °С [Orlov, Laverov, 1998]. В Уральской скважине СГ-4 на глубине 5 км зафиксирована температура 90 °С. По результатам измерений на молодых плитах температурные градиенты значительно выше, чем на ВЕП, и на глубине 7 км в Тимано-Печорской СГ-5, Тюменской СГ-6 и Ен-Яхинской СГ-7 температура достигает 160, 200 и 210 °С соответственно [Main Results…, 2000; Mazur, 1996]. В связи с этим можно предположить, что земные недра разогреты до температуры 580 °С на глубине 30–40 км, и, следовательно, подошва магнитоактивного слоя расположена значительно выше границы Мохо.

4. МЕТОДИКА ВЫДЕЛЕНИЯ АНОМАЛИЙ ОТ ИСТОЧНИКОВ В РАЗЛИЧНЫХ СЛОЯХ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Аномальное магнитное поле имеет интегральный характер и содержит составляющие от всех источников, расположенных в литосфере. Для выделения аномалий от источников в различных слоях земной коры была использована методика, основанная на повысотных пересчетах [Martyshko et al., 2014, 2021a]. Как правило, на открытых территориях наибольший вклад в аномальное магнитное поле вносят аномалии от приповерхностных массивов, поскольку интенсивность аномалий значительно снижается при удалении от локальных источников. Как известно, с увеличением расстояния R от намагниченного тела напряженность магнитного поля затухает по закону – 1/R³, поэтому если источники вблизи поверхности создают магнитные аномалии 200–1000 нТл, то на высоте 5 км интенсивность аномалий будет меньше 1–8 нТл, т.е. по величине становится сравнима с погрешностью наблюдений.

Задача выделения эффекта от локальных источников, расположенных в горизонтальном слое от земной поверхности до некоторой глубины H, решалась в несколько этапов. На первом этапе наблюденное магнитное поле с помощью численного метода пересчитывалось вверх на высоту H. Для того чтобы окончательно избавиться от влияния источников в верхнем слое, пересчитанное вверх поле аналитически продолжалось вниз на глубину H. Поскольку пересчет поля вниз относится к классу некорректно поставленных задач, при вычислениях использовался метод с применением регуляризации. На следующем этапе поле вновь пересчитывалось вверх на уровень дневной поверхности h=0. Полученное трансформированное поле можно рассматривать как поле от источников, расположенных ниже границы H. После вычисления разности наблюденного и трансформированного полей получаем аномалии от локальных источников, расположенных в верхнем слое. Таким образом, с помощью вычислений для разных значений высоты H можно получить аномалии от источников, расположенных в различных горизонтальных слоях.

При изучении крупных территорий приходится задавать большие массивы данных, что приводит к значительным затратам времени при вычислениях на однопроцессорных компьютерах. Использование параллельных алгоритмов для многопроцессорных вычислительных систем значительно сокращает время расчетов. Создана новая компьютерная технология, основанная на параллельных вычислениях. Описание математического аппарата и алгоритмов параллельных вычислений на суперкомпьютере Уран приведено в статьях [Martyshko et al., 2014, 2016]. Алгоритм реализован также на графических процессорах NVidia и AMD [Martyshko et al., 2021a].

Для решения обратной задачи магнитометрии и вычисления поверхности источников магнитных аномалий применен модифицированный метод локальных поправок [Martyshko et al., 2021b]. Этот метод позволяет определить геометрию поверхности раздела между двумя слоями при заданных значениях однородной вертикальной намагниченности в слоях и средней глубине до второго слоя. Разработан итерационный способ нахождения границы, базирующийся на предположении о том, что наибольшее влияние на изменение значения поля в некоторой точке оказывает изменение ближайшей к данной точке части поверхности. На каждом шаге итерации уменьшается разность между заданными и приближенными значениями поля в данном узле (лишь за счет изменения значения искомой функции в этом же узле). Предложенный метод не использует нелинейную минимизацию, что позволяет значительно сократить время вычислений и оперативно решать объемные задачи [Fedorova, Rublev, 2019; Martyshko et al., 2021b].

5. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ

В пределах Уральской складчатой системы кристаллические породы выведены на земную поверхность, магнитное поле имеет сильно изрезанный характер и над базит-ультрабазитовыми массивами интенсивность магнитных аномалий достигает 4000–6000 нТл (рис. 2, а). Аномалии на восточном склоне Урала и Западной Сибири простираются преимущественно в меридиональном направлении север – юг. Над прилегающей областью Восточно-Европейской платформы и Предуральским краевым прогибом фундамент покрыт мощным осадочным чехлом 4–6 км, и в магнитном поле отчетливо выделяются протяженные региональные аномалии, интенсивность которых не превышает 1500 нТл. Отметим, что региональные аномалии на ВЕП простираются в различных направлениях, а ряд из них имеют широтное направление, и восточные фланги этих аномалий прослеживаются не только под Уральским краевым прогибом, но и под западным склоном Уральского орогена.

При моделировании распределения намагниченности в земной коре авторы выделили три слоя: приповерхностный (до глубины 5 км), верхний, или гранитный, и нижний, или базальтовый. Понятие «гранитный слой» и «базальтовый слой» имеют условный характер и ранее были введены при геофизических исследованиях для разделения земной коры на верхний и нижний слои кристаллической коры, различающиеся по физическим свойствам. Средняя глубина до базальтового слоя по сейсмическим данным составляет 20 км [Druzhinin et al., 1985, 2003]. Выполнены расчеты трансформированных полей (пересчитанных вверх и вниз) для уровней 5, 20, 50 км, и построены карты разделенных магнитных аномалий от источников в трех слоях земной коры (рис. 2).

Для выделенных от каждого слоя аномалий выполнено решение обратной задачи магнитометрии и определена геометрия кровли намагниченных источников в каждом слое (рис. 3). В приповерхностном слое от 0 до 5 км на платформах модель намагниченных источников позволила под слоем осадочного чехла локализовать массивы, как правило, состоящие из базитов и ультрабазитов, намагниченность которых составляет 2–4 А/м, а положение верхних кромок источников дает возможность уточнить глубину до кристаллического фундамента (рис. 3, а). В пределах Уральской складчатой системы наблюдается резкий контраст в распределении магнитных массивов между палеоконтинентальным и палеоостроводужным сектором. В Западной и Центральной Уральских зонах присутствуют лишь немногочисленные источники, а к востоку от главного Уральского разлома в Тагильско-Магнитогорской и Восточно-Уральской зонах наблюдается огромное количество намагниченных массивов, часть из которых маркируют многочисленные глубинные разломы. В данной работе положение глубинных разломов и их названия приведены в соответствии с данными геологических карт О-40 и О-41 третьего поколения [State Geological Map…, 2011, 2015]. Намагниченные источники присутствуют не только в пределах Уральских гор, но и под осадками Западно-Сибирского бассейна. Плотность намагниченных источников значительно снижается в районах крупных гранитных массивов на восточном склоне Урала, на рис. 3, а, эти области выделяются светлыми пятнами.

На рис. 3, б, приведены намагниченные источники в верхнем или гранитном слое от 5 до 15 км. Здесь источники в основном образуют линейные пояса. Отметим практически равномерное распределение этих источников по всей территории за исключением юго-западного участка. В пределах Восточно-Европейской платформы протяженность поясов небольшая: от 20 до 100 км, а направления их простирания варьируются от широтного до меридионального. По-видимому, они образовались в результате тектономагматической активности в докембрии и являются аналогами архейских зеленокаменных поясов.

На Урале и в Западной Сибири пояса имеют протяженность от 50 до 300 км. На западном склоне Урала пояса уральского направления (север – юг) появляются к востоку от центральной части Центрально-Уральской зоны на глубине 10–12 км. Западнее резко меняется направление простирания поясов на субширотное, что свидетельствует о принадлежности этих источников фундаменту Восточно-Европейской платформы. В пределах Предуральского краевого прогиба глубина до верхних кромок источников составляет 5–8 км, а в Западно-Уральской и восточной части Центрально-Уральской зоны происходит погружение до 12–14 км. Расположение этих источников позволяет надежно определить глубину до фундамента древней платформы под уралидами. На восточном склоне Урала и в Тагильской зоне верхние кромки поясов расположены значительно выше – на глубине 5 км.

В пределах Восточно-Европейской платформы и западного склона Урала региональным аномалиям соответствуют подъемы кровли нижнего намагниченного слоя коры до 15 км (рис. 3, в). Нижнюю границу этого слоя авторы статьи ограничили горизонтальной плоскостью на глубине 40 км. Такая глубина близка к среднему значению мощности коры в прилегающих частях Восточно-Европейской платформы и Западно-Сибирской плиты, а также соответствует оценке максимальной глубины изотермической поверхности Кюри магнетита для территории России, приведенной в публикации [Moiseenko, Smyslov, 1986]. Резкое погружение поверхности до 30–35 км происходит в зоне Главного Уральского разлома, и это позволяет уверенно определить восточную границу докембрийской платформы в нижней коре. Восточнее наблюдается еще несколько узких зон погружения, протягивающихся в меридиональном направлении. Возможно, они маркируют глубинные границы различных террейнов, образующих палеоостроводужный сектор. Наиболее широкое погружение кровли нижнего слоя происходит к западу от Тюменско-Чудиновского разлома и, вероятно, является глубинным разделом между Уральской складчатой системой и Западно-Сибирской плитой. Кроме того, на восточном фланге ВЕП выделены две депрессии субширотного простирания, по-видимому разграничивающие разные блоки, из которых была образована древняя платформа.

6. СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ С СЕЙСМИЧЕСКИМИ ИССЛЕДОВАНИЯМИ

Результаты моделирования авторы статьи сопоставили с сейсмическим разрезом по геотраверсу Гранит [Kashubin, 2002]. Поскольку метод ГСЗ позволяет выделять только крупные неоднородности, на сейсмическую модель скоростей продольных волн добавлена лишь модель кровли намагниченного нижнего слоя (рис. 4). Можно констатировать, что наблюдается неплохое соответствие между скоростной границей 6.6 км/с и положением выступов и прогибов поверхности намагниченного слоя. Совпадение в нижнем слое коры зон пониженных скоростей и магнитных свойств соответствует зонам разуплотнения вследствие интенсивной трещиноватости или даже тектонических разрывов. Построенная магнитная модель позволяет проследить эти глубинные зоны в пределах всего Среднеуральского региона.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное моделирование источников магнитных аномалий в трех слоях земной коры позволяет уточнить положение намагниченных массивов, в основном состоящих из базит-ультрабазитовых пород, некоторые из которых имеют крутые углы падения и приурочены к глубинным разломам; проследить их связь с базит-ультрабазитовыми поясами в гранитном слое и корневыми блоками в нижнем базальтовом слое земной коры. При сопоставлении источников в верхнем и нижнем слое коры можно заметить, что на платформе многие пояса имеют глубинные корни и расположены над выступами базальтового слоя. На Урале большинство массивов не имеет глубинных корней.

В верхнем слое земной коры в пределах ВЕП и Предуральского краевого прогиба ряд источников простираются в широтном направлении и погружаются на востоке до 12–14 км под уральские структуры. Их расположение под уралидами в Западно-Уральской и Центрально-Уральской зонах позволяет надежно определить глубину до фундамента древней платформы. Построенные поверхности источников региональных аномалий в пределах ВЕП и западного склона Урала делают возможным уверенное определение расположения восточной границы докембрийской платформы в нижнем слое земной коры.

Выделенные протяженные зоны погружения кровли нижнего намагниченного слоя, вероятно, маркируют границы различных террейнов, образующих палеоостроводужный сектор Уральской складчатой системы. Совпадение в нижнем слое земной коры этих зон и блоков пониженных скоростей вдоль геотраверса Гранит соответствует зонам разуплотнения, интенсивной трещиноватости или даже тектонических разрывов. Наиболее широкое погружение кровли нижнего слоя происходит к западу от Тюменско-Чудиновского разлома и, возможно, является восточным глубинным разделом между Уральской складчатой системой и Западно-Сибирской плитой.

8. ЗАЯВЛЕННЫЙ ВКЛАД АВТОРОВ / CONTRIBUTION OF THE AUTHORS

Все авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку рукописи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

All authors made an equivalent contribution to this article, read and approved the final manuscript.

9. РАСКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ / DISCLOSURE

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с этой рукописью.

The authors declare that they have no conflicts of interest relevant to this manuscript.