GRZEGORZ BOJDYS, TERESA GRABOWSKA, ANNA WOJAS, BOGUSŁAW SUCHOŃ, JÓZEF MARCHEWKA, ZDZISŁAWA MEDOŃ. Streszczenie

Transkrypt

1 GRZEGORZ BOJDYS, TERESA GRABOWSKA, ANNA WOJAS, BOGUSŁAW SUCHOŃ, JÓZEF MARCHEWKA, ZDZISŁAWA MEDOŃ Względne zmiany wiekowe pola magnetycznego Ziemi ( ) wzdłuż profilu Zgorzelec-Wiżajny Streszczenie Pomiary pola magnetycznego Ziemi wzdłuż profilu Zgorzelec Wiżajny (Z-W) są nieprzerwanie wykonywane od 1966 roku do dziś. Profil pomiarowy, o kierunku SW-NE, przecina główne jednostki geotektoniczne Europy - platformę paleozoiczną (PLZ) i kraton wschodnioeuropejski (EEC) oraz rozciągającą się między nimi strefę szwu transeuropejskiego (TESZ). Pomiary całkowitego pola magnetycznego Ziemi wzdłuż profilu Z-W wykonywane są magnetometrem protonowym ENVI firmy Scintrex (Kanada). Celem pracy jest przedstawienie wyników analiz względnych zmian wiekowych całkowitego pola magnetycznego Ziemi wzdłuż profilu Z W. Zmiany wiekowe pola magnetycznego są wywołane procesami zachodzącymi w zewnętrznym jądrze Ziemi i pozwalają zaobserwować dynamikę ziemskiego pola magnetycznego. Wyniki pomiarów pola magnetycznego zostały zestawione z budową geologiczną Polski. W ostatnich latach zaobserwowano przyspieszenie wzrostu ziemskiego pola magnetycznego w obrębie kratonu wschodnioeuropejskiego (EEC). Pomiary ujawniły również większą dynamikę zmian pola na tym obszarze w porównaniu z platformą paleozoiczną (PLZ) i strefą szwu transeuropejskiego (TESZ), co skłoniło do modyfikacji dotychczasowej metodyki badań. Słowa kluczowe względne zmiany wiekowe, pole magnetyczne Ziemi, PLZ, TESZ, EEC, profil Zgorzelec-Wiżajny 1. Wstęp Pole magnetyczne Ziemi ulega ciągłym zmianom, a widmo tych zmian zawarte jest w bardzo szerokim przedziale częstotliwości. Zmiany wiekowe (secular variation) ziemskiego pola magnetycznego obejmujące dłuższe okresy zmian pola są pochodzenia wewnętrznego. Przyjmuje się, że są one związane przede wszystkim z procesami zachodzącymi w jądrze zewnętrznym Ziemi oraz w skorupie i górnym płaszczu Ziemi. Zmiany wiekowe deklinacji magnetycznej po raz pierwszy zostały zaobserwowane w Anglii przez H. Gellibranda już w 1634 r. Zmiany deklinacji zauważył również polski astronom J. Heweliusz na podstawie pomiarów dokonanych w latach w obserwatorium astronomicznym w Gdańsku. Systematyczne pomiary deklinacji D, składowej poziomej H i pionowej Z pola magnetycznego na ziemiach polskich wykonywano od roku W 1930 r. na Zjeździe Unii Geodezyjno-Geofizycznej w Sztokholmie S. Kalinowski przedstawił pierwszą mapę zmian wiekowych ziemskiego pola magnetycznego w obszarze Polski. Pionierskie opracowania pomiarów pola magnetycznego Ziemi (w okresie ), autorstwa E. Stenza i T. Olczaka, zostały opublikowane w 1936 r. W latach 60-tych pomiarami pola magnetycznego (D, H, T) w 20 punktach na obszarze Polski zajmowali się: A. Uhrynowski, A. Żółtowski, W. Krzemiński oraz E. Welker (Instytut Geodezji i Kartografii, Warszawa). Przedstawione w pracy badania względnych zmian wiekowych pola magnetycznego Ziemi stanowią omówienie 40-letnich ( ) pomiarów pola magnetycznego, zapoczątkowanych w 1965 r. przez S. Małoszewskiego i wykonywanych w odstępach rocznych do chwili obecnej. Małoszewski zwrócił uwagę na istnienie związku pomiędzy zmianami wiekowymi pola magnetycznego Ziemi a budową geologiczną Polski (Małoszewski, 1965). Zaprojektowane przez niego pomiary obejmowały początkowo 167 punktów na profilu przecinającym: paleozoiczną platformę środkowej i zachodniej Europy (PLZ), strefę szwu transeuropejskiego (TESZ) oraz prekambryjski wschodnioeuropejski kraton (EEC). Początek profilu pomiarowego, o kierunku SW-NE, Katedra Geofizyki, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków , al. Mickiewicza 30 bojdys@geol.agh.edupl,.tgrabow@geol.agh.edu.pl, Anna.Wojas@agh.edu.pl

2 wyznaczył w miejscowości Zgorzelec, a ostatni punkt pomiarowy został zlokalizowany we wsi Wiżajny, odległej w prostej linii o ok. 635km od Zgorzelca. Badania zmian pola magnetycznego Ziemi wykonuje się zazwyczaj w oparciu o względne zmiany wiekowe δ( T n,t ), które są obliczane na podstawie względnych wartości pola magnetycznego Ziemi T n,t i wyrażane w nt/rok. Względne wartości pola magnetycznego T n,t są zdefiniowane jako różnica wartości T pomierzonych w określonym czasie w dowolnym miejscu (T n,t ) i w punkcie bazowym (T b,t ): T n,t = T n,t - T b,t (1) Przyczyny względnych zmian wiekowych pola magnetycznego Ziemi są złożone. Zmiany te mogą zachodzić w wyniku zmian namagnesowania indukcyjnego skał pod wpływem zmieniającego się pola magnetycznego, którego dynamika wiąże się m.in. z procesami zachodzącymi w skorupie i górnym płaszczu Ziemi. Prezentowana praca stanowi podsumowanie dotychczasowych badań lokalnych względnych zmian wiekowych pola magnetycznego Ziemi wzdłuż profilu Zgorzelec-Wiżajny ( ). Rezultaty tych badań zostały przedstawione w licznych pracach naukowych (Małoszewski, Jankowski 1997, Bojdys et al. 2001, Grabowska, Bojdys, 2004, Bojdys et al. 2006, Bojdys, Grabowska 2007). 2. Obszar badań Profil pomiarowy Zgorzelec-Wiżajny, o długości prawie 700 km, rozciąga się od południowo-zachodniej do północno-wschodniej granicy Polski przecinając trzy główne jednostki geotektoniczne Europy. Pierwsza część profilu (południowo-zachodnia) zlokalizowana jest na platformie paleozoicznej środkowej i zachodniej Europy (PLZ), zawierającej strefę fałdowań waryscyjskich. Profil przecina strefę szwu transeuropejskiego (TESZ) ze strefą Teisseyre a Tornquista (TTZ), a następnie prekambryjski kraton wschodnioeuropejski (EEC). Podział Polski na dwie regionalne jednostki geotektoniczne widoczny jest na mapie anomalii magnetycznych Polski (Karaczun et al. 1978). Według T. Grabowskiej i G. Bojdysa (2004) źródła anomalii magnetycznych występują w kompleksie krystalicznym podłoża. W obszarze fałdowań waryscyjskich (PLZ) obserwuje się spokojny obraz anomalii magnetycznych. Skorupa krystaliczna ma tutaj grubość ok. 25 km, a źródła niewielkich anomalii magnetycznych występujące na głębokości ok. 5 km, zlokalizowane są w górnej części krystalicznego podłoża (Grabowska, Bojdys, 2004) Strefa szwu transeuropejskiego (TESZ) na mapie anomalii magnetycznych charakteryzuje się obecnością rozległej depresji magnetycznej, która od północnego-wschodu graniczy ze strefą regionalnego gradientu uznawaną za południowo-zachodnią granicę kratonu. Kompleks podłoża krystalicznego o miąższości 15 km usytuowany jest na głębokości 18 km. Źródeł anomalii magnetycznych w tym obszarze poszukuje się w dolnej części krystalicznego kompleksu (Grabowska, Bojdys 2004). W obrębie kratonu wschodnioeuropejskiego występuje bardzo zróżnicowany obraz anomalii magnetycznych (Karaczun et al. 1978). Związany jest on ze stosunkowo płytkim (0.4 do 6.5 km) występowaniem kompleksu krystalicznego (o grubości powyżej 40 km) i zróżnicowaniem własności magnetycznych jego górnej i środkowej części. 3. Pomiary pola magnetycznego Pomiary (serie pomiarowe) modułu całkowitego wektora indukcji pola magnetycznego Ziemi (T) na profilu Zgorzelec-Wiżajny rozpoczęto w 1966 r. (S. Małoszewski). Wykonywano je przez długi okres czasu ( ) w 31 punktach na profilu, zwanych punktami wiekowymi. Współrzędne geograficzne punktów wyznaczone były na podstawie map topograficznych w skali 1: letni okres pomiarów został podsumowany w pracy S. Małoszewskiego i J. Jankowskiego On secular variations of the geomagnetic field along a profile across the Teisseyre-Tornquist Zone (1997). W efekcie postępującej urbanizacji liczba punktów wiekowych zmniejszyła się, a niektóre punkty ze względu na zakłócenia pola musiały zostać przesunięte.

3 W 2001 r. w celu uściślenia położenia punktów pomiarowych wyznaczono ich współrzędne geograficzne przy użyciu odbiornika GPS z dokładnością 20 m. Pomiary pola magnetycznego Ziemi na profilu Zgorzelec-Wiżajny obecnie wykonywane są w 27 punktach wiekowych przez zespół pracowników Katedry Geofizyki Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH w Krakowie. Czas trwania serii pomiarowych z 1-minutową repetycją wynosi 60 minut. Tak długi czas pomiarów pozwala uzyskać dokładną i wiarygodną wartość modułu całkowitego pola magnetycznego Ziemi. Pomiary pola magnetycznego przeprowadzane są przy użyciu magnetometrów protonowych. Do 2003 r. korzystano z magnetometrów PMP-6 i PMP-7 produkcji polskiej, natomiast w następnych latach, do chwili obecnej pomiary przeprowadzane są przy użyciu magnetometru protonowego ENVI System kanadyjskiej firmy Scintrex. Zarówno magnetometry PMP-6, PMP-7, jak i magnetometr ENVI System posiadają czułość 0,1 nt. 4. Metodyka prowadzonych badań Metodyka obliczeń lokalnych względnych zmian wiekowych pola magnetycznego Ziemi na profilu Zgorzelec- Wiżajny pozostała niezmieniona od początku wykonywania pomiarów. Wszystkie pomierzone wartości pola magnetycznego w n punktach wiekowych T pom,n zostają odniesione do wartości pola magnetycznego pomierzonych w Obserwatorium Geofizycznym w Belsku T Belsk, które przyjęto jako punkt bazowy. W ten sposób względne wartości pola magnetycznego pozbawione są wpływu dobowych zmian ziemskiego pola magnetycznego. Na każdym punkcie n prowadzone są 60-cio minutowe serie pomiarowe. Względna wartość pola magnetycznego T n,t (n - punkt pomiarowy, t - rok) odpowiada wartości T n,τ, będącej średnią z serii pomiarów i obliczanej według wzoru: 1 60 (2) Tn, τ = T pom,n, ( τ + τ ) T Belsk, τ 60 1 gdzie: τ - moment pomiaru wyrażony w czasie GMT (Greenwich Mean Time), τ - poprawka czasowa związana z różnicą długości geograficznej między punktem pomiarowym a Belskiem. 5. Interpretacja Względne wartości pola magnetycznego T n,t w latach zostały przedstawione na wykresach dla każdego punktu pomiarowego, a następnie aproksymowane liniami prostymi o równaniu: n ( t) bn t an W = + (3) Nachylenie linii pokazywało charakter zmian w czasie względnych wartości pola magnetycznego w poszczególnych punktach profilu w odniesieniu do Belska. Przy opracowywaniu wyników pomiarów ostatniego pięcioletniego cyklu badań ( ) pojawiły się wątpliwości, czy poprawne jest aproksymowanie wszystkich pomiarów ( ) jedną linią prostą. Postanowiono zmiany wiekowe pola magnetycznego Ziemi przedstawiać w krótszych, odpowiednio dobranych przedziałach czasowych. W tym celu wykonano analizę dynamiki wzrostu bezwzględnych wartości pola magnetycznego Ziemi, pomierzonych w Obserwatorium Geofizycznym w Belsku, oraz wyznaczono gradienty absolutnego pola magnetycznego. Na podstawie obserwacji okres pomiarowy został podzielony na trzy przedziały czasowe: , i W przedziałach tych wykonano aproksymacje liniami prostymi względnych wartości pola magnetycznego T n,t w poszczególnych punktach wiekowych (Fig. 1).

4 Fig. 1. Wykresy zmian w czasie względnych wartości T n,t pola magnetycznego w kolejnych punktach profilu Z-W: 1 - zmiany w czasie T n,t, T n - średnia wartość T n,t, w okresie od dla każdego z punktów, 2 - liniowe aproksymacje zmian T n,t w przedziałach czasowych: , , (Bojdys i in. 2006) Fig. 1. Plots of changes in time of the relative geomagnetic field values T n,t in individual sites of the Z-W profile: 1 - changes in time T n,t, T n - mean values T n,t, in the period for individual points, 2 -

5 linear approximation of the T n,t, changes in selected time intervals: , , (redrawn from Bojdys et al. 2006) Następnie przyjmując (Bojdys et al., 2001), że współczynniki b n są miarą względnych zmian pola magnetycznego δ( T n,t ) skonstruowano wykresy ilustrujące względne zmiany pola wzdłuż profilu Zgorzelec- Wiżajny w wydzielonych przedziałach czasowych (Fig. 2 a-c). Na koniec wykresy współczynnika b n przybliżono wielomianami 6 0 uwydatniając zachowanie się wzdłuż profilu względnych zmian pola magnetycznego Ziemi. Fig. 2. Względne zmiany czasowe pola magnetycznego Ziemi wzdłuż profilu Z-W: a - względne zmiany czasowe pola magnetycznego w nt/rok bn = δ ( T n ) w okresie , b - względne zmiany czasowe pola magnetycznego w nt/rok bn = δ ( T n ) w okresie , c - względne zmiany czasowe pola magnetycznego w nt/rok bn = δ ( T n ) w okresie ; 1 - względne zmiany czasowe w nt/rok, 2 - krzywa 6. stopnia aproksymująca względne zmiany czasowe, 3 granice jednostek geologicznych: PLZ platforma paleozoiczna centralnej i zachodniej Europy, TESZ strefa szwu transeuropejskiego, EEC prekambryjski kraton wschodnioeuropejski (Bojdys i in. 2006) Fig. 2. Relative temporal variations of the geomagnetic field along Z-W profile: a - relative time changes of the b = δ approximated by the polynomial of 6 o through the years , b geomagnetic field in nt/year ( ) n T n

6 - relative time changes in nt/year bn ( T n ) 1992, c -relative time changes in nt/year b ( ) = δ approximated by the polynomial of 6 o through the years n = δ T n approximated by the polynomial of 6 o through the years ; 1 - curves of the relative changes in time, 2 - curves 6 o that approximate relative changes in time, 3 limits of geological units: PLZ Paleozoic Platform of Central and Western Europe, TESZ Transeuropean Suture Zone, EEC Precambrian East European Craton (redrawn from Bojdys et al. 2006) 6. Dyskusja Prezentacja względnych zmian wiekowych pola magnetycznego w wydzielonych przedziałach czasowych ( , i ) pozwala prześledzić zmiany pola w 40-letnim okresie pomiarów oraz umożliwia dokładniejsze zapoznanie się z charakterem tych zmian w obrębie głównych jednostek geologicznych Polski (Fig. 2). Względne zmiany wiekowe dobrze przedstawiają wielomiany 6 0 aproksymujące względne zmiany w czasie pola magnetycznego na profilu Zgorzelec-Wiżajny. Pokazują one zróżnicowany charakter tych zmian w czasie i przestrzeni. W obrębie obszaru fałdowań waryscyjskich (południowo-zachodnia część profilu) w latach obserwuje się dodatnie wartości względnych zmian pola magnetycznego (Fig. 2). Świadczy to o szybszym wzroście absolutnych wartości pola magnetycznego na platformie paleozoicznej w porównaniu ze wzrostem pola magnetycznego w Belsku. Największy wzrost pola w tym obszarze przypada na okres (do +2 nt/rok). Szybszy wzrost pola objął wówczas platformę paleozoiczną, strefę szwu transeuropejskiego oraz skłon kratonu. Wolniejsze zmiany pola magnetycznego w przedziale czasu były obserwowane jedynie w kompleksie mazurskim platformy prekambryjskiej. W latach szybszy wzrost względnych zmian pola magnetycznego nastąpił tylko w obszarze monokliny przedsudeckiej. W pozostałej części profilu zaobserwowano spowolnienie wzrostu pola magnetycznego w odniesieniu do Belska. Najwolniejsze zmiany pola dotyczyły starej platformy (zwłaszcza kompleksu mazurskiego i gałęzi warmińskiej) i sięgały nawet do -3 nt/rok. W ostatnim okresie obserwacji ( ) w obszarze platformy paleozoicznej i strefy szwu transeuropejskiego względne zmiany pola magnetycznego spadają do zera (Fig. 2c), co oznacza w zestawieniu z przedziałem czasowym (Fig. 2a) spowolnienie wzrostu pola magnetycznego w tych rejonach. Natomiast w obszarze platformy wschodnioeuropejskiej ujawnił się szybszy wzrost pola magnetycznego w porównaniu do pola rejestrowanego w Belsku. Dynamiczne zmiany czasowe pola magnetycznego obserwuje się w obszarze platformy wschodnioeuropejskiej. W pierwszym okresie pomiarów ( ) miało miejsce niewielkie spowolnienie pola magnetycznego w obszarze kompleksu mazurskiego. W latach w obrębie starej platformy i jej skłonu zaobserwowano duże spowolnienie wzrostu pola (do -3 nt/rok). Natomiast w ostatnim przedziale czasu ( ) względne zmiany pola wykazują tendencję przeciwną (Fig. 2c). Występuje szybszy wzrost pola magnetycznego (do +3 nt/rok) w porównaniu z polem rejestrowanym w Belsku (Fig. 2a). Zjawisko to ujawniło się po raz pierwszy w badaniach pola magnetycznego na profilu Zgorzelec-Wiżajny. Nie wiadomo dokładnie, jakie są jego przyczyny. Biorąc pod uwagę wzrost pola magnetycznego w ostatnich latach i budowę geologiczną, wzrost dynamiki zmian pola magnetycznego na platformie wschodnioeuropejskiej może być związany jest z namagnesowaniem się skał podłoża krystalicznego, które w tym rejonie wykazują silne własności magnetyczne. 7. Podsumowanie Badania pola magnetycznego wzdłuż profilu Zgorzelec-Wiżajny upoważniają do sformułowania następujących wniosków: 1. Względne zmiany wiekowe pola magnetycznego Ziemi są zróżnicowane w czasie i przestrzeni. 2. Największa dynamika względnych zmian pola magnetycznego obserwowana jest w obszarze prekambryjskiej platformy wschodnio-europejskiej. 3. Najsłabszymi zmianami pola charakteryzuje się środkowa część profilu w obrębie strefy szwu transeuropejskiego TESZ, a w szczególności w głębokim basenie polskim. 4. W obszarze fałdowań waryscyjskich występuje słaba dynamika względnych zmian pola magnetycznego.

7 5. W latach w obszarze kratonu wschodnioeuropejskiego (północno-wschodnia część profilu) wzrost względnych zmian pola magnetycznego był wolniejszy w porównaniu do pozostałych części profilu. Szczególne spowolnienie wzrostu pola magnetycznego (średnio 2 nt/rok) nastąpiło w przedziale czasowym W ostatnim pięcioleciu badań ( ) na platformie wschodnioeuropejskiej obserwuje się szybszy wzrost (o ok nt/rok) w porównaniu z polem magnetycznym obserwowanym w Belsku i pozostałych częściach profilu. 7. W celu lepszego rozpoznania charakteru względnych zmian wiekowych pola magnetycznego badania zaczęto przeprowadzać w określonych, odpowiednio dobranych przedziałach czasowych. Artykuł stanowi krótki opis dotychczasowych badań nad względnymi zmianami wiekowymi pola magnetycznego Ziemi obserwowanymi wzdłuż profilu Zgorzelec-Wiżajny. Badania prowadzone były w ramach działalności statutowej Katedry Geofizyki WGGiOŚ AGH , umowa nr , finansowana z funduszów KBN, a następnie z funduszów Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Dokładne omówienie wyników badań nad względnymi zmianami wiekowymi pola magnetycznego Ziemi można znaleźć w pracach zamieszczonych w spisie literatury (1-4, 6-7). LITERATURA 1. Bojdys G., Grabowska T., Szybiński M., Zmiany wiekowe pola magnetycznego Ziemi wzdłuż profilu Zgorzelec-Wiżajny. Geologia, t. 27, Zeszyt 2-4, Bojdys G., Grabowska T., Marchewka J., Suchoń B., 2006 Analiza względnych zmian wiekowych pola magnetycznego Ziemi ( ) wzdłuż profilu Zgorzelec-Wiżajny, Kwartalnik AGH, Geologia 32, 4, Bojdys G., Grabowska T., 2007 Space-time analysis of the relative local secular variations of the geomagnetic field ( ) along the Zgorzelec-Wiżajny profile, Acta Geophysica, vol. 55, no. 2, pp Grabowska T., Bojdys G., Analysis of geomagnetic field along seismic profile P4 of the International Project POLONAISE 97. Tectonophysics 383, Karaczun K., Karaczun M., Bilińska M., Uhrynowski A., 1978 Magnetic map of Poland; anomalies of vertical component Z of the geomagnetic field, 1:500, 000, Wyd. PIG, Warszawa. 6. Małoszewski S., O zmianach wiekowych natężenia ziemskiego pola magnetycznego na ziemiach polskich oraz o ich zależności od współrzędnych geograficznych i budowy geologicznej. Zeszyty Naukowe AGH, Rozprawy 44, Kraków. 7. Małoszewski S., Jankowski J., On secular variations of the geomagnetic field along a profile across the Teisseyre-Tornquist Zone. Acta Geophysica Polonica, vol. XLV, No. 1, GRZEGORZ BOJDYS, TERESA GRABOWSKA, ANNA WOJAS, BOGUSŁAW SUCHOŃ, JÓZEF MARCHEWKA, ZDZISŁAWA MEDOŃ The Relative Secular Variations of the Geomagnetic Field ( ) along the Zgorzelec Wiżajny Profile Abstract The measurements of the Earth s magnetic field along the Zgorzelec-Wiżajny (Z-W) profile are incessantly conducted since 1966 up to now. The measuring profile, which has the SW-NE direction, crosses the main European geotectonic units - Paleozoic Platform (PLZ), East European Craton (EEC) and also the Transeuropean Suture Zone (TESZ) between them. The measurements of total geomagnetic field along the Z-W profile are performed by means of ENVI proton magnetometer produced by Scintrex Company (Canada). The aim of the paper is to show the analyses results on relative secular variations of geomagnetic field along the Z-W profile. Secular variations of geomagnetic field are caused by processes occurring in the Earth s outer core and let to observe the dynamics of the geomagnetic field. The measurements results of the magnetic field were set against geological structure of Poland. In the last few years a faster increase of the magnetic field was observed at the East European Craton (EEC). The measurements were also disclosed the larger changes dynamics of the field on this area in comparison with the Paleozoic Platform (PLZ) and the Transeuropean Suture Zone (TESZ). It caused the modification of the present studies method. Key words relative secular variations, geomagnetic field, PLZ, TESZ, EEC, Zgorzelec-Wiżajny profile