Лаборатория морских геомагнитных исследований

«Результаты исследований пространственно-временной структуры МПЗ на акватории Мирового океана»
Исследование МПЗ на поверхности морей и океанов в СПбФ ИЗМИРАН берет начало с 50-х годов прошлого столетия, когда в ЛО ИЗМИРАН (так тогда назывался Институт) была передана научно-исследовательская немагнитная шхуна «Заря». Шхуна была специально спроектирована и построена для проведения магнитных измерений на водных просторах. Все научные работы по данной тематике проводились Отделом морских геомагнитных исследований (ОМГИ), на базе которого в 2008 г. сформирована современная Лаборатория морских геомагнитных исследований (ЛМГИ).

Исследование главного магнитного поля и его вековых вариаций.

Фактическую основу исследований ГМПЗ и его вариаций составили векторные измерения магнитного поля Земли, выполненные на НИС «Заря». Измерения четырех компонент геомагнитного поля — модуля вектора напряженности (T), горизонтальной (H) и вертикальной (Z) составляющих, магнитного склонения (D) — проводились непрерывно во время движения шхуны [1]. Измерения обеспечивались современным для того времени магнитометрическим и навигационным оборудованием: феррозондовыми, ядерно-прецезионными и квантовыми магнитометрами. Для измерения компонент магнитного поля магнитометрические приборы устанавливались на гироскопические системы стабилизации.

Результаты измерений нашли свое применение, как в научных, так и прикладных исследованиях:

значения магнитного склонения позволили повысить точность морских карт склонения МПЗ, необходимых мореплавателям в аварийных ситуациях, даже для судов, оснащенных самыми совершенными средствами навигации и связи.
обширный объем данных был использован учеными-магнитологами при построении новой аналитической модели магнитного поля Земли. Впервые были выявлены районы с аномалиями геомагнитного поля в различных местах Мирового океана и изучена их структура.
разработана оригинальная методика определения векового хода на специальных морских пунктах и заложена сеть таких пунктов в восточной части Атлантики и в Балтийском море. Впервые были построены карты вековых изменений (векового хода) магнитного поля, необходимые при исследовании природы земного магнетизма.
данные магнитных съемок “Зари” использованы в научных работах по геоисторическому и палеомагнитному анализу, для проведения геолого-геофизической интерпретации при изучении строения океанического дна и в других прикладных задачах.

Изложение этих работ содержится в нескольких монографиях [1,2], материалах международных ассамблей по геомагнетизму и аэрономии, в большом количестве публикаций в научных журналах.
Всего в течение 35 лет «Заря» совершила 38 рейсов, пройдя с измерениями компонент геомагнитного поля 490 тысяч морских миль (рис.1).

Рис.1 Схема океанических маршрутов НИС «Заря»

Кроме исследований пространственной структуры геомагнитного поля в океанах, немагнитная шхуна “Заря” выполняла компонентные измерения в Норвежском, Средиземном, Северном и Балтийском морях. Причем на акватории двух последних была выполнена систематическая магнитная съемка, допускающая построение подробных цифровых карт.

Большая часть времени экспедиционных работ шхуны «Заря» выпала на период, когда основным методом записи измерений был аналоговый метод, с представлением измеренной информации на бумажной ленте самописцев. Практически все океанические измерения хранились в таком виде. Только в 1986 г. на борту был установлен компьютерный комплекс для записи измеренной информации на магнитные носители в цифровом виде.

В соответствии с требованиями современных информационных технологий для целей более надежного хранения, обеспечения доступа и удобства использования в СПбФ ИЗМИРАН была проведена большая работа по переводу результатов измерений из аналогового вида в цифровой. Цифровой формат данных позволил организовать их хранение в виде базы данных.

С помощью СУБД Microsoft Access была создана электронная база данных БД «Заря», в которую вошли все цифровые данные шхуны «Заря». Программная часть базы данных и экранный интерфейс предоставляют пользователю основной набор действий, необходимых для работы с базой. Сюда входит выборка данных, пополнение базы новыми данными, редактирование данных, удаление ненужных данных. Объем выборки данных задается такими параметрами, как район измерений, время измерений (год, номер рейса), номер профиля, прямоугольная область в координатах широты и долготы [3,4,5]. Главная панель экранного интерфейса показана на рис 2.

Рис.2 Главная панель БД «Заря».

В настоящее время в БД «Заря» находится в среднем около 712 000 измерений по каждой из компонент геомагнитного поля (D,H,Z,T), 2498 маршрутных профилей с общей длиной порядка 550 000 км (297 000 морских миль).

Аномальное магнитное поле и геоисторическое направление исследований.

Исследования АМП проводились на основе данных модульных систематических съемок, выполненных при участии сотрудников лаборатории на судах других ведомств.
С начала 80-ых годов помимо компонентных измерений, выполняемых на «Заре», начался этап систематических исследований Мирового океана, в ходе которых шло накопление данных измерений модуля полного вектора. Этот этап связан в первую очередь с именем проф. А.М. Карасика, который возглавлял тогда лабораторию, а вся его основная творческая активность была сосредоточена на исследовании аномального магнитного поля Северного Ледовитого, Индийского и Атлантического океанов и различных аспектах его приложения, а также на исследованиях в области тектоники литосферных плит.

Современный этап исследований АМП Мирового океана, совпал с бурным развитием компьютерных технологий. Основу этого этапа составляют создание банков геофизических данных, использование систем управления базами данных и геоинформационных систем. В настоящее время для всего Мирового океана, происходит широкомасштабная систематизация и аккумулирование данных в рамках национальных и интернациональных проектов компиляции геофизических данных. Такая работа по переводу в цифровой вид оригинальных данных систематических съемок в Индийском океане и Атлантическом океанах была начата в 1991 г. в Лаборатории Морских Геомагнитных исследований СПбФ ИЗМИРАН.

К концу 2000 г. была создана сводная база геофизических данных по С-З части Индийского океана, в которую после стандартных процедур, включающих редактирование, корректировку, устранение выбросов, внесение поправок, анализ точек пересечений, приведение к нормальному уровню с использованием международной аналитической модели IGRF [Langel, 1991], для последующего картографического представления, были загружены все цифровые магнитометрические и батиметрические данные.

Эти данные позволили рассчитать магнитометрические и батиметрические гриды с шагом 2х2 км для района с координатами 10 гр ю.ш.; 50 гр. в.д. – 25 гр. с.ш.; 75 гр. в.д. Для регионального тектонического анализа структуры дна и для заполнения районов, не охваченных съемками, были использованы данные спутниковой альтиметрии [Sandwell, Smith, 1992]. По этим данным был составлен комплект карт, включающий карту рельефа дна, карту графиков и карту изолиний аномального магнитного поля (рис. 3, 4). Вся совокупность данных легла в основу изучения эволюции хр. Карлсберг на древнем и современном этапе, — предмете наших исследований в последнее десятилетие [Меркурьев, Сочеванова, 1993, 1996; Mercouriev, Sochevanova, 1995; Merkouriev, DeMets, 2006].

Рис.3 Карта рельефа дна и оси линейных магнитных аномалий на хребте Карлсберг по данным систематических исследований.

Рис.4 Карта изолиний аномального магнитного поля на хребте Карлсберг по данным систематических исследований.

Пунктирной линией показаны следы псевдоразломов, образовавшихся в результате продвижения рифта на этапе перестройки от древней к современной конфигурации центров спрединга.

Рис.5 Теневые карты рельефа дна и АМП в северной Атлантике и оси линейных магнитных аномалий. Толстые пунктирные линии показывают положение оригинальных систематических съемок, выполненных российскими судами. Точечные линии показывают магнитные изохроны. На врезке показано положение профилей.

В результате детального анализа оригинальных магнитометрических данных в Северо-Западной части Индийского океана и Северной Атлантики впервые были построены кинематические модели вращения Индийской/Сомалийской и Сев.Американской/Евразийской плит за последние 20 млн. лет с дискретностью 1 млн.лет. Впервые обнаружено резкое изменение положения полюсов вращения на исследуемых границах плит и скорости спрединга, которые ранее считались постоянными. Показано, что эти изменения связаны с изменением тектонического и геодинамического режимов в указанных регионах. [Merkouriev, S., and C. DeMets, 2006; Merkouriev, S., and C. DeMets, 2008; S. A. Merkur’ev, C. DeMets, and N. I. Gurevich, 2009].

Рис.6 Сопоставление дифференциальных скоростей спрединга для Инд.-Сом., Сев.Амер-Евр. и Сев.Амер.-Нуб. плит, полученные по кинематическим моделям высокого разрешения обнаружено резкое, (~30%), изменение скорости и направления спрединга, которое произошло 7-9 млн. лет назад

Дипольная модель источников ГМПЗ и ее использование для исследования процессов, протекающих на границе ядро-мантия

Для исследования глубинных процессов, определяющих пространственную структуру ГМПЗ и его вековые вариации, нами построена модель его источников, представляющая собой набор диполей с непрерывно изменяющимися параметрами в интервале 1900-2010 гг. В силу нелинейности задачи определения параметров источников ГМПЗ по распределению компонент на поверхности Земли потребовалась разработка нового метода. В основу метода нами был положен принцип последовательного разделения вкладов отдельных источников. В качестве исходных данных использовано пространственно-временное распределение компонент главного поля, вычисленное по коэффициентам сферического гармонического анализа DGRF [16-18,20].

В результате наиболее мощные источники были получены в толще жидкого ядра. Шесть из них определяют известные Мировые аномалии. Магнитные моменты двух следующих лишь на полпорядка меньше, но описываемые ими аномалии ранее отмечались лишь в отдельные эпохи. Эти 8 источников представлены на рис.7 в виде векторов, ориентация которых совпадает с ориентацией векторов магнитных моментов соответствующих диполей [19].

Пространственная структура Z — компоненты суммы восьми источников (без учета главного диполя) в сравнении с вычисленной по модели IGRF (без трех первых коэффициентов) представлена на рис.8. Вычисленная разность позволила выделить следующие по величине аномалии и дополнить модель источниками следующего порядка малости по величине магнитного момента. Диполи, определяющие региональные аномалии ГМПЗ, получены приуроченными к границе ядро-мантия [21,22].

Рис. 7 Взаимное расположение и пучки векторов магнитных моментов наиболее мощных источников.

Рис. 8. Сравнение пространственной структуры недипольной части главного геомагнитного поля (DGRF модель) и поля модели без главного диполя на эпоху 1970. а) Z – компонента поля модели; б) Z – компонента недипольной части IGRF; изолинии проведены через 4000 нТл.

Параметры всех источников изменяются во времени непрерывно, что позволяет исследовать степень влияния диполей разного уровня на пространственную структуру векового хода ГМПЗ. Так изменение параметров двух источников 2-го порядка малости определяло формирование и распад двух фокусов векового хода: Каспийского и Европейского (рис.9) [23-24].

Рисунок 9. Вклад источников разного уровня в Z компоненту векового хода.
IGRF — вычисленное по коэффициентам IGRF, модель — вычисленное по модели: а — только самые мощные источники , б — с учетом источников второго порядка малости; изолинии проведены через 100 нТл.

Модель позволяет проводить сравнение изменения параметров отдельных источников с другими геофизическими процессами. Так сравнительный квазигармонический анализ изменения дипольной составляющей ГМПЗ и флуктуаций скорости вращения Земли показал, что наблюдаемый сдвиг по фазе отдельных гармоник может быть связан с влиянием проводящей мантии. Амплитудно-фазовые характеристики мантии, как фильтра, получены в рамках однослойной модели [25].

Представляет интерес локализация источников 2-3-его порядка малости относительно неоднородностей структуры коры и мантии. Рис.10 демонстрирует взаимное расположение проекций местоположения источников на поверхности Земли и глобальных тектонических разломов и горячих точек. В большинстве случаев наблюдается приуроченность источников к особым точкам строения коры и мантии, что позволяет рассчитывать на возможность использования модели для исследования причинно-следственных связей процессов, происходящих в разных оболочках Земли и векового хода ГМПЗ.

Рисунок 10. Локализация источников, приуроченных к границе ядро-мантия, относительно горячих точек и глобальных тектонических разломов. Местоположение источников на эпоху 1995 года показано зелеными ромбами, горячие точки – красными кругами.

Участие в международных проектах, грантах и экспедиционная деятельность:
Проекты при участии НИС «Заря»:

Международный геофизический год 1957-1958 гг.
Мировая магнитная съемка 1957-1967 гг.
Международный год Спокойного Солнца 1964 г.
Международный проект “Верхняя мантия” 1965-1967 гг.
Международный геодинамический проект 1975-1977 гг.
Проект в рамках международного сотрудничества социалистических стран “Планетарные геофизические исследования” 1971-1984 гг.
Международный проект “Балтика-Магнит” 1982-1991 гг.
Международный проект «Eastern Europe Magnetic Project. Baltic Sea»
Международный проект «Atlas of the Magnetic Maps of the Baltic Sea»

Гранты:

Грант РФФИ 96-05-64756-а «Структура и эволюция медленно-спрединговых хребтов на примере северо-западной части Индийского океана и Северной Атлантики»
Грант РФФИ 98-05-64556-а «Структура магнитных аномалий и их высших производных, как индикатор геолого-тектонической эволюции океанической коры в Северной Атлантике»
Грант РФФИ 06-05-64297-а «Роль Исландской горячей точки в эволюции хребта Рейкьянес»
Грант РФФИ 01-05-65481-а «Геофизические характеристики литосферы и тектоника Амеразийского бассейна, Северный Ледовитый океан»
Грант NSF (Award Abstract #0926274) “Closing the global plate circuit: High resolution reconstructions of African plate motion from 0 to 20 Ma”
Грант INTAS — 01- 0142 » Spatial Structure of the Geomagnetic Field and its Global and Regional Variability in the 20th Century»
Грант РФФИ 05-05-64181 «Динамическая модель источников главного магнитного поля как отражение гидродинамических процессов в ядре Земли и на границе ядро-мантия»
Грант Президента России для молодых кандидатов наук » Динамическая модель источников главного магнитного поля Земли»

Экспедиционные исследования и другие проекты:

Индийский океан (Исследование АМП северо-западной части Индийского океана 1980-1988 гг.)
Атлантический океан (Исследование АМП Срединно-Атлантического Хребта и прилегающих котловин между 68° с.ш. и 23° с.ш (от острова Ян-Майен до зоны разломов «Атлантис») 1985-1991)
Магнитометрические исследования южной части моря Лаптевых на борту ОИС «Мезень» 1990 г.
Проект по компиляции АМП в Северной Атлантике (AGC, 1995)
‘MAGOFOND-1’ магнитометрические исследования, R/V «Marion Dufresne», 1997 г.
‘TRIATNORD’ магнитометрические исследования Срединно-Атлантического хребта к северу от Азорских островов, R/V «Atalante», 1998 г.
‘SUDACORES’ магнитометрические исследования Срединно-Атлантического хребта к югу от Азорских островов, R/V «Atalante», 1998 г.
‘MAGOFOND-2’ магнитометрические исследования Центрально-Индийского хребта с помощью буксируемых поверхностных и придонных магнитометров, R/V «Marion Dufresne», 1998 г.
‘ENSENSHEBA’ магнитометрические исследования Хребта Шеба в Аденском заливе, R/V «Marion Dufresne», 2000 г.
Компиляция магнитометрических данных в Аравийском море и Бенгальском заливе, полученных на ОИС «Мезень» в рамках программы «Indian Continental Shelf Programme», выполняемой “LARGE” и NCAOR (2002-2004 гг.)
«Разработка метода увеличения длительности прогноза векового хода геомагнитного поля в Центральной Европе» грант польского правительства № 8Т12Э01221.

В Секторе работает 8 сотрудников, из них 5 кандидат физико-математических наук.

Сотрудники:

Меркурьев Сергей Александрович, зав. лабораторией, к.ф.-м.н.
Демина Ирина Михайловна, в.н.с., к.ф.-м.н.
Иванов Сергей Алексеевич, с.н.с., к.ф.-м.н.
Фарафонова Юлия Германовна, с.н.с., к.ф.-м.н.
Королева Татьяна Юрьевна, н.с., к.ф.-м.н.
Боярских Василий Георгиевич, вед. инж.
Лизунова Маргарита Михайловна, вед. инж.
Солдатов Вадим Алексеевич, вед. инж.

Литература (Опубликованные работы):

Иванов М.М. Магнитная съемка океанов. М.: Наука, 1966. 183 с.
Морские геомагнитные исследования на НИС «Заря» // Сб. под ред. В.И. Почтарева, М., Наука, 1986, 184 с.
Sas-Uhrynowski A., Welker E., Demina I., Kasyanenko L. Atlas of the magnetic maps of the Baltic Sea// Warsaw, IGiK, 1998
Sas-Uhrynowsky A., Welker E., Demina I., Kasyanenko L.,Vector magnetic survey on the Baltic sea by schooner «Zarya». IGiK Monographic series N1 Warsaw 2001 108 pp.
Kasyanenko L.G., Uhrynowski A. Determination of secular changes of the geomagnetic field over seas and oceans. “Proceedings of the Institute of Geodesy and Cartography”, Warsaw, v.42, N91, 1995, 94 p.
Баткова Л.А., Боярских В.Г., Демина И.М. Комплексная база данных геомагнитного поля по результатам съемок на немагнитной шхуне «Заря» // Геомагнетизм и аэрономия, 2007, т. 47, с. 571-576.
Меркурьев С.А., Сочеванова Н.А. Северо-западая часть Индийского океана. «Магнитное поле океана», М.,Наука, 1993, 134 — 156, 297с.
Y.Kopytenko, S.Mercuriev, N.Sochevanova. Magnetic Anomalies of the Arctic and North Atlantic Oceans and adjacent Land Areas, Release of Data and Associated Products, April 1996.
Меркурьев С.А., Сочеванова Н.А. Аномальное магнитное поле и эволюция коры медленно-спрединговых хребтов. Сб. «Природа магнитных аномалий и строение океанической коры», М.,”ВНИРО”, 1996, гл.3, 283 с. (с. 133-169)
Mercouriev, N.Sochevanova. Anomalous Magnetic Field of the World Ocean. Ed. A.Gorodnitsky (Chapter 3. Mid-Oceanic Ridges and Deep Oceanic Basins: AMF Structure. The Spreading Features of The NorthWestern Indian Ocean in Late Cenozoic). CRC Press, 1995, London Tokyo, USA, pp.88-107.
Mercuriev S., Ph.Patriat, N.Sochevanova. Evolution de la dorsale de Carlsberg: evidence pour une phase d’expansion tres lent entre 40 et 25 Ma (A18 a A7), 1996, Oceanologica Acta, vol.19, N.1, pp.1-13.
Merkouriev, S., and C. DeMets (2006), Constraints on Indian plate motion since 20 Ma from dense Russian magnetic data: Implications for Indian plate dynamics, Geochem. Geophys. Geosyst., 7, Q02002, doi:10.1029/2005GC001079;
Merkouriev, S., and C. DeMets, A high resolution model for Eurasia-North America plate kinematics since 20 Ma» Geophys. Journal International. 2008, v.173, pp.1064-1083;
S. A. Merkur’ev, C. DeMets, and N. I. Gurevich. Geodynamic Evolution of Crust Accretion at the Axis of the Reykjanes Ridge, Atlantic Ocean. Geotectonics, 2009, Vol. 43, No. 3, pp. 194-207
Меркурьев С.А., Сочеванова Н.А. Хребет Карлсберг на древнем и современном этапе раскрытия // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2008. №1. Вып. 11. С. 98-109.
Касьяненко Л.Г., Демина И.М., Сас-Ухрыновский A. Морфология и динамика недипольной части векторного геомагнитного поля в 20-м веке. // Геомагнетизм и аэрономия. 2000 г. Т.40, № 4, с 111-118
Касьяненко Л.Г., Демина И.М., Сас-Ухрыновский А. Представление главного магнитного поля Земли системой оптимальных по ориентации и местоположению диполей.// Геомагнетизм и Аэрономия. Т. 42. № 6. С. 838-844. 2002.
Демина И.М., Фарафонова Ю.Г. Дипольная модель главного магнитного поля Земли в ХХ веке.// Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. № 4. с 1-6. 2004.
Демина И.М., Фарафонова Ю.Г., Сас-Ухрыновский А., Велкер Е. Мировые аномалии главного магнитного поля Земли и динамическая модель их источников.// Геомагнетизм и Аэрономия. т.46 № 1. С. 1-11. 2006.
Demina I.M., Kasyanenko L.G. Uhrynowski A. On vector representation of secular variation of the geomagnetic field. “Prace Institutu Geodezji i Kartografii”, Warzawa, t.45, N96, 1998, pp.73-106.
И.М. Демина, Л.В. Никитина, Ю. Г. Фарафонова. Движение Северного магнитного полюса в рамках динамической модели источников главного магнитного поля Земли. Геомагнетизм и Аэрономия,2007,т47,№2,с.279-289
Sas-Uhrynowski A., Welker E, Farafonova Yu. Demina I., Dipolowy model zmian wiekowy pola magnetycznego Ziemi. Proceedings of the Institute of Geodesy and Cartography 2004, Waszawa p. 85-108.
Демина И. М., Никитина Л. В., Фарафонова Ю. Г. Вековые вариации главного магнитного поля земли в рамках динамической модели его источников Геомагнетизм и Аэрономия 2008, т.48, №4, с. 567-575
Демина И.М., Королева Т.Ю., Фарафонова Ю.Г. Аномалии векового хода главного геомагнитного поля в рамках иерархической дипольной модели. Геомагнетизм и Аэрономия 2008, т.48, №6 с.849-858
И.М. Демина, П.Б. Баталов, Т.Ю. Королева. Синхронность изменений главного геомагнитного поля и флуктуаций скорости вращения Земли. Геомагнетизм и аэрономия, 2013, том 53, № 2, с. 260–270