Magnetotellurikus litoszférakutatás

Magnetotellurikus litoszférakutatás Ádám A., Novák A., Szarka L., Wesztergom V. MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Geodéziai és Geofizikai Intézet Sopron

1. Bevezetés Az 1960-as évek óta számos magnetotellurikus (MT) mélyszondázást végeztünk a KárpátPannon régióban (KPB), amely két különböző affinitású mikrolemezből áll (ALCAPA) és TISZA (1. ábra). E mérések kimutatták, hogy az elektromos vezetőképesség eloszlása a földkéregben és a felső köpenyben szoros kapcsolatban van ezek szerkezetével, és a bennük lejátszódó fizikai és geodinamikai folyamatokkal (2. ábra). 1. ábra: Mikrolemezek a Kárpát-Pannon régióban (Schmidth S.M., Fügenschuh B., 2003) 2. ábra: Jólvezető zónák a földkéregben és a felső köpenyben a KPB-ben és környezetében (Ádám, 1980)

2. Magnetotellurikus frekvenciaszondázás A földmágneses tér széles spektrumú változásai (H(ω)) és az általuk az altalajban indukált elektromos (tellurikus) tér (E(ω)) kapcsolatát leíró Maxwell-egyenletekből a tér frekvenciája (illetve periódusa) függvényében levezethető az altalajban az elektromos vezetőképesség eloszlása. Elsődleges paraméter a komplex impedancia (Z), azaz leegyszerűsítve a két tér hányadosa (Z = E/H), amelyből két paraméter számítható a periódus (T) függvényében: a látszólagos fajlagos ellenállás:ρ= 1 2π Z xy 2, ϖ= ϖμ T az impedancia fázisa:φ= arg Z xy Ezeket a periódus vagy a frekvencia függvényében ábrázoljuk, mint szondázási görbéket, és invertálásukkal kapjuk a fajlagos ellenállás eloszlását az altalajban (3. ábra) 3. ábra: Egy kétréteges modell (jólvezető üledék nagyellenállású aljzaton) MT szondázási görbéi és a számított rétegmodell

3. A fajlagos elektromos ellenállás 4. ábra: Az ásványok és kőzetek fajlagos ellenállása (Ωm-ben) 5. ábra: A gránit fajlagos ellenállásának változása a hőmérséklet és a folyadéktartalom függvényében 6. ábra: A földkérget alkotó kőzetek fajlagos ellenállásának különbsége a hőmérséklet függvényében Az ábrák alapján megállapítható, hogy a legnagyobb elektromos anomáliákat a pórustérfogatban lévő folyadék, a grafit, az ércek és a kőzetolvadék okozhatja.

4. Az asztenoszféra indikációi (Eaton et al., 2009 alapján) 7. ábra: Különböző változások a litoszféra alján, azaz az asztenoszférában Eaton et al. (2009) tanulmánya alapján Az ábrákból egyértelműen megállapítható, hogy leghatározottabb indikációt a felső köpeny kőzeteinek részleges olvadása az elektromos ellenállásban okozza, ezért az MTSZ egyik legalkalmasabb mélykutatási módszer az asztenoszféra indikálására, amint arra Ádám (1963) és Fournier et al. (1963) Eaton et al. (2009) megállapítása szerint elsőként rámutatott.

5a. A Pannon-medence (PB) asztenoszférája A magnetotellurikus szondázások a PB asztenoszféráját a medence belsejében mintegy 60 km mélyen jelzik (Ádám, 1963), amely a PB szélei felé növekszik. Ezek az értékek jól korrelálnak a PB magas hőáramával (11. ábra, ld. következő dia), valamint megerősítést nyertek a szeizmikus mérések (9. ábra), továbbá szeizmológiai és xenolithok vizsgálatai alapján. 8. ábra: A Nagycenk melletti obszervatóriumban mért magnetotellurikus szondázási görbék (Ádám et al., 1981) 9. ábra: Szeizmikus sebességfüggvény Posgay (1975) nagyalföldi mérései alapján

5b. A Pannon-medence (PB) asztenoszférája A magnetotellurikus szondázások a PB asztenoszféráját a medence belsejében mintegy 60 km mélyen jelzik (Ádám, 1963), amely a PB szélei felé növekszik. Ezek az értékek jól korrelálnak a PB magas hőáramával (11. ábra), valamint megerősítést nyertek az előző dián bemutatott szeizmikus mérések (9. ábra), továbbá szeizmológiai és xenolithok vizsgálatai alapján. 10. ábra: A jólvezető asztenoszféra mélységtérképe a PB térségében (Ádám és Wesztergom, 2001) 11. ábra: Empirikus összefüggés az asztenoszféra mélysége és a regionális hőáram között (Ádám, 1978) 12. ábra: Európában végzett magnetotellurikus asztenoszféra meghatározások Korja (2007) alapján

6. Extenziós mélymedencék asztenoszférája A PB extenziós jellege különösen a keskeny riftekben pl. a Békési árokban nyilvánul meg, ahol a jólvezető asztenoszféra megemelkedik (15. ábra) összhangban a szeizmikus mérésekkel (16. ábra). Ez jelentős magnetotellurikus anizotrópiát is okoz a teljes medencében. 13. ábra: Isopach térkép a PB keleti részéről 14. ábra: az MT pontokkal a Pannon A kontinentális extenziós tektonika keskeny Geotraverz (PGT-1) mentén rift modellje Buck W. R. (1991) szerint 15. ábra: 16. ábra: A PGT-1 MT szelvény 2D OCCAM PGT-1 szeizmikus profil Posgay et al. inverziós eredményei (Ádám et al., 1996) (1995) alapján 17. ábra: PGT-1 egyik pontjában szélsőérték MT görbék az anizotrópia szemléltetésére (Ádám és Bielik, 1998)

7. Lemezszegélyek A mikrolemezek határai mentén lévő mélytörésekben jólvezető kéreganomáliák jelentkeznek, így a Periadriai-Balaton vonal és a Közép-magyarországi vonal mentén. Ezt szemléltetik különböző formában az alábbi ábrák: a a 19. ábra: A jólvezető mélységértékei a Balaton-vonal mentén (Varga, 1979) b c 18. ábra: MT mérési helyek Kilényi és Šefara (1991) medencelajzat térképének DNY részén b TCA BL MHL c BL MHL 20. ábra: A CEL-07 mélyszeimikus szelvény mentén végzett MT szondázások inverziója alapján kimutatott jólvezető szerkezetek (Ádám, Novák, Szarka, 2005). BL: Balaton-vonal; MHL: Középmagyarországi vonal 21. ábra: Nagyatád térségében végzett MT szondázásokból számított ρmax /ρmin arány alapján kimutatott tektonikai vonalak (Novák, 2009)

A földkéreg vezetőképesség-anomáliái a Pannon-medencében 8. Dunántúli Vezetőképesség Anomália (TCA) ÉNY-Dunántúlon a paleozoikum mélységében (> 5km) a magnetotellurikus mélyszondázások nagy kiterjedésű vezetőképesség-anomáliát jeleztek. A horizontális vezetőképesség (conductance) helyenként eléri a 10.000 S-et. Feltehetően nyírási zónarendszerben grafit és folyadék okozza a vezetőképesség növekedését, befolyásolva a földrengés-tevékenységet és annak csillapítását is (Zsíros, 1985). A jólvezető mélysége korrelációt mutat a földrengések kipattanási helyével (Glover és Ádám, 2008). 22. ábra: Az MT nagy fázisértékei által körülhatárolt jólvezető anomália (Ádám, 2001) 24. ábra: Jólvezető dyke-ok ÉK-DNY-i nyírási zónák mentén rendeződve (közepük nagy pontokkal jelölve) RRI inverzió alapján (Ádám, 2001) 23. ábra: Rideg nagyellenállású test képlékeny jólvezető törések között az MT szelvényben (Ádám, 2001) 25. ábra: Összefüggés a földrengések és a jólvezető képződmények mélységi eloszlása között (Glover és Ádám, 2008)

A földkéreg vezetőképesség-anomáliái a Pannon-medencében 9. Dehidratáció a földkéregben: rideg és képlékeny átmenet Feltételezik, hogy a földkéregben a rideg és képlékeny feszültség átmenetét a dehidratációból származó folyadék okozza, amely elektromos vezetőképesség formájában jelentkezik a terület hőáramától függő mélységben. Ezt szemléltetik az alábbi ábrák: 28. ábra: Elképzelés a dehidratáció és a földrengések kapcsolatáról a hőmérséklet függvényében 26. ábra: Empirikus összefüggés a kéregbeni jólvezető réteg mélysége és a regionális hőáram között (Ádám, 1987). A PB adatai T-De szelvény mentén az OKGT által mért MT adataiból származnak (Ádám, Landy and Nagy, 1989) CA CA 27. ábra: A földrengések fókuszmélységének eloszlása a Kárpát-Pannon medencében 1-65 km között (Zsíros, 2000) 29. ábra: Feszültség-eloszlás a PB litoszférájában (Horváth és Cloetingh, 1996)

10. Az elektromos vezetőképesség-modellek információsés energiaátviteli rendszerbiztonsági alkalmazása Nagy napkitöréseket követő geomágneses viharok során a földben indukált elektromos tér olyan nagy lehet, hogy veszélyeztetheti vezetékes információs és energiaátviteli rendszerek működését. A kis elektromos ellenállású vezetékes rendszerek földelési pontjai között fellépő potenciálkülönbség hatására ezekben a rendszerekben geomágnesesen indukált áramok keletkezhetnek és súlyos károkat okozhatnak. Az indukált áramok számításához és a velük járó kockázat elemzéséhez szükség van a felszín alatti térrész geoelektromos modelljére. Az európai litoszféralemez nemrégiben Sopronban elkészült modellje az EUropean RHO Model ( EURHOM). 30. ábra: Az EURHOM modell alapján készült összegzett elektromos vezetőképességtérkép a felszíntől számított 80 km-es mélységig (Ádám et al., 2012) Az 50 200 km mélységtartományban változó litoszféraasztenoszféra határfelületen a fajlagos ellenállás 1 Ωm-re vagy az alá csökken (Ádám és Wesztergom 2001). A geomágneses ULF tartományban ez olyan jelentős abszorpciót jelent, ami a nagyobb mélységben feltételezett elektromos ellenállásváltozásokat a modellben érdektelenné teszi. A litoszférán belül a modell legalább az üledéket és a kristályos aljzatot különít el, így az egyes cellákat minimum háromréteges, 1D-s szerkezet tölti ki. Az EURHOM cellái láthatók a modell alapján számított összegzett elektromos vezetőképesség térképen (30. ábra). A modell digitális formában az alábbi helyről letölthető: http://real.mtak.hu/2957

11. Irodalom Ádám A., 1963: Study of the electrical conductivity of the Earth s crust and upper mantle. Methodology and results (in Hungarian) Dissertation, Sopron, pp. 111+XLV Ádám A., 1978: Geothermal effects in the formation of electrically conducting zones and temperature distribution in the Earth, Phys. Earth Planet Int. 17, pp. 21-25. Ádám A., 1980: The change of electrical structure between an orogenic and an acient tectonic area Carpathians and Russian Platform. J. Geomagn. Geod. 32, 1-46. Ádám A., Verő J., Cz. Miletits J., Holló L., Walner A., 1981: The Geophysical Observatory near Nagycenk I. Electromagnetic measurements and processing of data. Acta Geod. Geopy. Mont. Acad. Sci. Hung., 16 (2-4), pp. 333-351. Ádám A, 1987: Are there two types of conductivity anomaly (CA) caused by fluid in the crust. Phys. Earth Planet Int. 45, 209-215. Ádám A., Landy K., Nagy Z., 1989: New evidence for distribution of the electric conductivity in the Earth s crust and upper mantle in the Pannonian Basin as a hotspot. Tectonophysics 164, 361-368. Ádám A., Szarka L., Prácser E., Varga G., 1996: Mantle plumes or EM distribution in the Pannonian Basin? (Inversion of the deep magnetotelluric (MT) soundings along the Pannonian Geotraverse). Geophysical Transactions 40(1-2), 45-78. Ádám A., Beilik M., 1998: The crustal and uppermantle geophysical signature of narrow continental rifts in the Pannonian Basin. Geophys. J. Int. 134, 157-171. Ádám A., 2001: Relation of the graphite and fluid bearing conducting dikes to the tectonics and seismicity (Review on the Trasdanubian crustal conductivity anomaly). Earth Planet Space 53, 903-918. Ádám A., Wesztergom V., 2001: An attempt to map the depth of the electrical asthenosphere by deep magnetotelluric measurements in the Pannonian Basin (Hungary). Acta Geod. Hung. 44(2-3), 167-192. Ádám A., Novák A., Szarka L., 2005: Tectonic weak zones determined by magnetotellurics along CEL-07 deep seismic profile. Acta Geod. Geoph. Hung. 40(3-4), 413-430. Adám A., Prácser E., Wesztergom V., 2012: Estimation of the electric resistivity distribution (EURHOM) in the European lithosphere in the frame of the EURISGIC WP2 project, Acta Geod. Geoph. Hung., 47(4), pp. 377-387, doi: 10.1556/AGeod.47.2012.4.1. Ádám A., Lemperger I., Novák A., Prácser E., Szarka L. Wesztergom,V., 2012) Geoelectric Litosphere Model of the Continental Europe. Project Report. http://real.mtak.hu/2957/ Buck W.R., 1991: Modes of continental lithospehre extension. J. Geophys. Res. 96, 20161-20187. Eaton D. W., Darbyshire F., Evans R. L., Grütterd H., Jones A. G., Yuan X.,2009: The elusive lithosphere asthenosphere boundary (LAB) beneath cratons. Lithos, 109, 1 22. Horváth F., Cloething S., 1996: Stress induced late stage subsidence anomaly in the Pannonian Basin. Tectonophysics 266, 287-300. Glover P.W.J., Ádám A., 2008: Correlation between crustal high conductivity zones and seismic activity and the role of carbon during sheer deformation. J. of Geoph, Research., 113, B 12210, doi: 10.1029/2008JB005804. Kilényi E., Šefara J., eds. 1989: Geophys Transactions, 36, 1-2 (Enclosure). Korja T., 2007: How is the European lithosphere imaged by magnetotellurics? Surveys in Geophysics, 28. pp. 239-272. Novák A., Elektromágneses geofizikai leképezés tenzor-invariánsokkal: a felszínközelt4l a dunántúli mélyszerkezetig., 187 oldal, 2010, PhD disszertáció, NYME Posgay K., 1975: Mit Reflexionsmessungen bestimmte Horizonte und Geschwindigkeitverteilung in der Erdkruste und im Erdmantle. Geophys. Trans. 23, 13-18. Posgay et al., 1995: Asthenospheric structure beneath a Neogene basin in SE Hungary. Tectonophysics 252, 467-484. Varga G., 1979: Study of geological basin profiles I. Report of telluric and MT measurements in 1979. In MAELGI Jelentés Manuscript in Hungarian, pp. 10. Zsíros T., 2000: Seismicity and earthquake risk of the Carphatian Basin. Hungarian earthquake cataloge (456-1995). Seismologocal Department of the GGRI, Budapest, pp. 495.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Számos eredményünket a valamikori OKGT és ELGI munkatársaival szoros együttműködésben értük el. Ezért őket köszönet illeti.