Способ выделения составляющих индукции аномального магнитного поля земли

Изобретение относится к области геомагнетизма и может быть использовано для выделения индукции аномального магнитного поля Земли (МПЗ). Согласно изобретению на высотах 20-40 км на борту стратосферного аэростата в процессе его дрейфа векторным и первым скалярным магнитометрами измеряют вертикальную, горизонтальную компоненты и модуль вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ) и получают профили 1, 2, 3 измеренных значений, соответственно. Из величин профилей 1, 2, 3 вычитают соответствующие значения составляющих индукции нормального МПЗ, синтезированные по модели, и получают профили 4, 5, 6. Измерения выполняют и вторым скалярным магнитометром, отстоящим от первого на 6 км по вертикали, при этом получают профиль 7, из которого аналогично получают профиль 8 модуля индукции аномального МПЗ. Как разность значений профилей 3 и 8 получают профиль 9, характеризующий величину магнитных аномалий. Далее определяют места по трассе дрейфа, в которых отсутствуют значимые магнитные аномалии. Полученные данные позволяют уточнить значения вертикальной, горизонтальной компонент и модуля индукции аномального МПЗ. Благодаря этому решается задача определения внутреннего строения Земли по магнитному полю.

 

Изобретение относится к области геомагнетизма, в частности к методам выделения индукции аномального магнитного поля Земли (МПЗ), и предназначено для решения проблемы внутреннего строения Земли по магнитному полю.

Известен способ выделения составляющих (компонент) индукции аномального МПЗ (магнитных аномалий), основанный на использовании модели индукции нормального МПЗ [1]. Существуют глобальные аналитические модели индукции нормального МПЗ, построенные по спутниковым магнитным данным, которые могут быть использованы для выделения магнитных аномалий. Оценку погрешности такой модели, от качества которой зависит достоверность выделяемых с ее использованием составляющих индукции аномального МПЗ, осуществляют путем сравнения синтезированных по модели данных с данными магнитных обсерваторий. Однако в применяемых для этого данных магнитных обсерваторий присутствуют плохо контролируемые поля коровых магнитных аномалий, которые являются помехой для оценки. Причем на уровне поверхности Земли величины этих магнитных аномалий весьма интенсивны и составляют в среднем по всей поверхности Земли 200 нТл.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, основанный на использовании данных векторных магнитных съемок на стратосферных аэростатах [2] с оценкой погрешности полученных результатов путем сравнения с индукцией МПЗ, пересчитываемой с наземного уровня по нормальному магнитному полю, заданного моделью. Способ заключается в измерениях вертикальной, горизонтальной составляющих и модуля вектора индукции МПЗ с помощью векторного и скалярного магнитометров, установленных на борту стратосферного аэростата, дрейфующего на высотах 20-40 км, с последующим анализом компонент индукции полного и аномального МПЗ.

Недостаток известных способов [1, 2] заключается в том, что способы, в случае протяженных маршрутов профильных магнитных съемок, не позволяют надежно выделить магнитные аномалии ввиду отсутствия достаточно качественных моделей индукции нормального МПЗ, обладающих точностью до единиц нанотесла, в том числе и современных глобальных аналитических моделей индукции нормального МПЗ, построенных по высокоточным спутниковым магнитным съемкам.

Решаемая техническая задача - повышение достоверности выделения составляющих индукции аномального МПЗ. Поставленная задача решается путем введения поправок при выделении составляющих индукции аномального МПЗ. Поправками служат ординаты первоначально полученного профиля компонент индукции аномального МПЗ, выделенных из измеренных значений с использованием нормального МПЗ, синтезированного по модели, которые определяются в интервалах на профиле, где отсутствуют магнитные аномалии значимых величин.

Для решения поставленной задачи на борту стратосферного аэростата в процессе его дрейфа на высотах 20-40 км измеряют вертикальную и горизонтальную компоненты индукции МПЗ векторным магнитометром, а также модуль вектора индукции МПЗ первым скалярным магнитометром, получая профили 1, 2, 3 измеренных значений соответственно. На борту ИСЗ измеряют векторные компоненты индукции МПЗ, по которым строят глобальную аналитическую модель индукции нормального МПЗ. Вычитая из геомагнитных измерений на аэростате соответствующие синтезированные модельные компоненты индукции нормального МПЗ, получают профили 4, 5, 6 компонент аномального МПЗ.

В отличие от известного [2], в предлагаемом решении вдоль трассы полета стратосферного аэростата находят интервалы, где отсутствуют магнитные аномалии значимых величин, для чего дополнительно к имеющемуся на борту первому скалярному магнитометру размещают второй скалярный магнитометр, отстоящий от первого на 6 км по вертикали, которым выполняют измерения одновременно с первым скалярным магнитометром, и получают профиль 7 измеренных значений, из величин которого вычитают значения модуля индукции нормального МПЗ, синтезированные по модели, и получают профиль 8 модуля индукции аномального МПЗ. Далее как разность значений профилей 3 и 8, найденных соответственно для каждой пары одновременных измерений первым и вторым магнитометрами, получают профиль 9, характеризующий уровень магнитных аномалий, и определяют на нем места, в которых отсутствуют магнитные аномалии, критерием чего служат отклонения ординат профиля 9 не более чем на 1,5 нТл в интервалах, протяженностью не менее чем 100 км. Затем полученные интервалы переносят на профили 4, 5, 6, тем самым, отмечая места на каждом профиле, в которых отсутствуют значимые магнитные аномалии и поэтому измеренные значения индукции МПЗ должны быть равны значениям индукции нормального МПЗ для этих мест. Определяют ординаты в каждом найденном интервале этих профилей, которые являются погрешностями глобальной аналитической модели индукции нормального МПЗ, затем строят профили 10, 11, 12 путем аппроксимации математической зависимостью значений ординат в найденных интервалах на каждом профиле, которые представляют погрешности модели вдоль трассы дрейфа аэростата. Значения ординат профилей 10, 11, 12 дополнительно вычитают соответственно из величин компонент индукции МПЗ, представленной профилями 4, 5, 6, и получают профили 13, 14, 15 уточненных значений вертикальной, горизонтальной компонент и модуля индукции аномального МПЗ.

В основу технической реализации предлагаемого способа может быть взят прототип [2], но в этом случае дополнительно необходимо определить интервалы, в пределах которых отсутствуют магнитные аномалии. Для поиска этих интервалов дополнительно к имеющемуся первому вводится второй скалярный магнитометр, удаленный от первого на расстояние 6 км по вертикали, которым, одновременно с первым, выполняют измерения модуля индукции МПЗ, далее получают разности данных первого и второго магнитометров с синтезированными по модели значениями модуля индукции нормального МПЗ, и полученные значения, приходящиеся на один и тот же момент времени, вычитают друг из друга. Таким образом находят профиль, характеризующий величину магнитных аномалий и не содержащий погрешностей модели индукции нормального МПЗ, используемой для выделения модуля индукции аномального МПЗ. На этом профиле находят интервалы, в которых отсутствуют значимые магнитные аномалии, удовлетворяющие оговоренным выше критериям. Эти интервалы переносят на профили компонент индукции аномального МПЗ и по величине ординат профилей в этих интервалах определяют погрешности аналитических моделей для найденных мест околоземного пространства. При этом магнитные поля магнитосферных, ионосферных и индукционных источников должны быть пренебрежимо малы или учтены по известным методикам. После чего необходимо найденные погрешности моделей дополнительно исключить из значений, полученных путем вычитания из измерений величин индукции нормального МПЗ, синтезированных по модели, тем самым определяют уточненные составляющие индукции аномального МПЗ. Предложенный способ также может быть применен для определения поправки к любой современной глобальной аналитической модели нормального (главного) МПЗ, например IGRF последней генерации, с последующей корректировкой выделенных магнитных аномалий на величину найденной поправки.

Оценка эффективности предложенного способа выполнялась на основе данных, экспериментально полученных в натурном полете стратосферного аэростата со скалярными магнитометрами на борту. В этом эксперименте использовались два магнитометра, отстоящих друг от друга на расстояние 6 км по вертикали. Действие магнитных источников на магнитометры создает их дифференциальный сигнал заметной величины в сфере, радиус которой примерно равен 10-кратному размеру расстояния между магнитометрами, вне которой этот сигнал не достигает значимых величин. Следовательно, при расстоянии между магнитометрами, равным 6 км, в дифференциальном сигнале можно уверенно обнаружить сигналы источников, удаленных до 60 км от места наблюдения, а более удаленных - нет. В этом случае на высоте съемки 30 км значимые величины дифференциального сигнала магнитометров создаются источниками, заключенными в пределах найденной сферы, лежащие в толще всей вертикальной мощности земной коры вплоть до ее подошвы, а дифференциальный сигнал от магнитосферных, ионосферных источников и полей, создаваемых различными геофизическими процессами, источники которых удалены свыше этого расстояния, воспринимаются как шумы малого порядка. Таким образом, можно сепарировать поля по удаленности их источников от точки наблюдения и полностью выделить аномальное МПЗ, создаваемое множеством всех значимо действующих на измерители источников, расположенных на всех глубинах земной коры. Исключение составляет главное МПЗ в силу мощности его источника, расположенного в ядре Земли. Но в дифференциальном сигнале магнитометров, разнесенных на расстояние 6 км по вертикали, изменение нормального МПЗ на этом расстоянии надежно определяется его аналитической моделью, т.к. систематическая погрешность модели на таком малом расстоянии практически идентична и взаимно вычитается при получении дифференциального сигнала магнитометров. Следовательно, возможно строгое выделение в дифференциальном сигнале магнитометров аномальной компоненты, что позволяет выполнить поиск участков вдоль трассы полета аэростата, в которых нет значимых магнитных аномалий. В проведении оценок использовались аналитические модели IGRF-2005 и IGRF-2010 индукции нормального МПЗ, приведенные к эпохе, соответствующей моменту съемок. Вдоль трассы полета стратосферного аэростата от Камчатки до Поволжья в профиле дифференциального сигнала зафиксированы интервалы с магнитными аномалиями и без них. Отметим, что величины магнитных аномалий на высотах полетов аэростатов примерно в 3-4 раза меньше, чем на уровне поверхности Земли, что является положительным фактором при оценке погрешности глобальной аналитической модели нормального МПЗ, являющейся поправкой при выделении магнитных аномалий. Что касается изменения величины магнитных аномалий вдоль земного радиуса, то измерения в натурных экспериментах, выполненных в стратосфере на высоте 30 км, дали, в среднем, их величину 15 нТл на базе 6 км. Это показывает, что участок на профиле можно считать не аномальным, если величины разности аномальных магнитных полей на базе 6 км не превышают 1,5 нТл (~10% от средних значений). Протяженность интервала с отсутствием магнитных аномалий должна быть не менее 100 км. Это необходимо соблюдать по той причине, что диаметр круга на поверхности Земли, заключающего источники аномального МПЗ, значимо влияющие на магнитное поле в точке измерения, примерно равен утроенной высоте съемки. Особенно ярко выраженные интервалы, не содержащие магнитных аномалий, расположены над районами Охотского моря. Это подтверждает тот факт, что акватория Мирового океана во многом свободна от магнитных аномалий. Причем акватория занимает большую часть поверхности земного шара, что указывает на эффективность применения предложенного способа в целом по земной поверхности. На экспериментальном материале показана эффективность способа оценки определения составляющих индукции МПЗ путем нахождения и введения поправок за погрешности аналитических моделей индукции МПЗ, используемых для выделения компонент индукции аномального МПЗ. По данным эксперимента поправки для найденных мест могут составлять 100 нТл и более.

Так как разрешающая способность глобальных аналитических моделей индукции МПЗ составляет свыше 1000 км (определяются развитием модели до n=m=13), предложенный способ практически пригоден для оценок погрешностей аналитических моделей для территории всего земного шара путем проведения оценок погрешностей в достаточно редких выборочных местах. Эти возможности, по-видимому, будут широко реализованы при использовании разработанных в самое последнее время стратосферных аэростатов сверхдавления, которые могут дрейфовать на высоте 35 км непрерывно в течение 100 дней и выполнять геофизические исследования по всему земному шару.

Литература

1. Хмелевский В.К. Геофизика. М.: Книжный дом Университет. 2009, 320 с.

2. Цветков Ю.П. К возможности измерения элементов магнитного поля Земли на борту дрейфующих аэростатов. // Геомагнетизм и аэрономия, 1974, том 14, №4, с.721-724.

Способ выделения составляющих индукции аномального магнитного поля Земли (МПЗ), заключающийся в измерениях вертикальной, горизонтальной компонент и модуля вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ) на высотах 20-40 км на борту стратосферного аэростата в процессе дрейфа векторным и первым скалярным магнитометрами и получении профилей 1, 2, 3 измеренных значений соответственно, а на борту ИСЗ выполняют векторные измерения индукции МПЗ, по которым строят глобальную аналитическую модель индукции нормального МПЗ, далее из величин профилей 1, 2, 3 вычитают соответствующие значения составляющих индукции нормального МПЗ, синтезированного по модели, и получают профили 4, 5, 6 компонент индукции аномального МПЗ, отличающийся тем, что по трассе полета стратосферного аэростата находят интервалы, где отсутствуют магнитные аномалии значимых величин, для чего дополнительно к имеющемуся на борту первому скалярному магнитометру размещают второй скалярный магнитометр, отстоящий от первого на 6 км по вертикали, и выполняют одновременно с первым измерения вторым скалярным магнитометром и получают профиль 7 измеренных значений, из величин которого вычитают значения модуля индукции нормального МПЗ, синтезированные по модели, и получают профиль 8 модуля индукции аномального МПЗ; далее, как разность значений профилей 3 и 8, найденная соответственно для каждой пары одновременных измерений первым и вторым магнитометрами, получают профиль 9, характеризующий величину магнитных аномалий, и определяют на нем места, в которых отсутствуют значимые магнитные аномалии, критерием чего служат отклонения ординат профиля 9 не более чем на 1,5 нТл в интервалах, протяженностью не менее чем 100 км, затем полученные интервалы переносят на профили 4, 5, 6, тем самым отмечая места на каждом профиле, в которых значения индукции МПЗ строго совпадают со значениями индукции нормального МПЗ для этих мест, определяют ординаты в каждом найденном интервале этих профилей, которые соответствуют погрешности модели, строят далее профили 10, 11, 12 путем аппроксимации математической зависимостью значений ординат в найденных интервалах на каждом профиле, которые представляют погрешности глобальной аналитической модели индукции нормального МПЗ вдоль трассы дрейфа аэростата, после чего значения ординат профилей 10, 11, 12 дополнительно вычитают соответственно из величин компонент индукции аномального МПЗ, представленной профилями 4, 5, 6 и получают профили 13, 14, 15 уточненных значений вертикальной, горизонтальной компонент и модуля индукции аномального МПЗ.