Физика Земли

Презентация лекций по курсу
«Физика Земли»
Автор – профессор Н.Е. Фоменко
Лекция 1. Введение. Предмет Физики Земли.
Иерархия объектов в природе
Физика Земли основана на крупных обобщениях в свете
современных представлениях геологии и физики о
пространстве, времени и развитии материи. Это обобщение
приводит к выработке общей физической и физико-химической
теории строения и процессов внутри Земли. На предмет
физики Земли существует две точки зрения: одна
космогоническая, сформулированная в 1944 г. О.Ю. Шмидтом
и вторая - геофизическая, предложенная в 1953 г. В.А.
Магницким [1953]. Анализ этих «традиционных» подходов в
совокупности с полученными в последние годы новыми
данными, позволяет выделить суть проблемы – ее «вихревую»
составляющую.
Вопросы, изучаемые физикой Земли, давно привлекали внимание
исследователей. На рубеже XV и XVI веков Леонардо да Винчи была
предложена гипотеза, сходная с гипотезой изостазии. Вопрос о фигуре
Земли, как фигуре равновесия вращающейся жидкой массы, был
впервые рассмотрен Ньютоном. Знамениты исследования Клеро и
известного русского математика А.М. Ляпунова в конце XIX - начале
XX веков.
В XVIII в. русский ученый М.В.Ломоносов разработал научные
основы геологии и наметил удивительные по глубине подходы к
решению вопросов о развитии Земли и о силах, действующих в недрах
земного шара, в частности, о природе землетрясений.
В начале XIX в. Эли де Бомон, исходя из космогонической
гипотезы Канта-Лапласа, выдвинул гипотезу о постепенном
остывании и сжатии Земли. Исследования влияния радиоактивного
тепла на термический режим Земли были сделаны В.Г. Хлопиным.
Математическая сторона вопроса А.Н. Тихоновым. Глубокие
соображения по этому вопросу были высказаны В.И. Вернадским.
Физика Земли тесно связана с геологией, для которой она должна
дать совместно с геохимией физико-химическую основу для выработки
правильной концепции геологического развития Земли, на которую
могла бы опираться геологическая практика. Следует отметить тесную
связь физики Земли и с космогонией, от которой она берет данные об
исходном состоянии Земли. Но и само познание закономерностей
строения и развития
Земли помогает успешному решению
космогонических проблем.
В настоящее время физика Земли подошла к той стадии развития,
на которой встает вопрос о крупных обобщениях и об интерпретации в
свете новых данных о современных представлениях геологии и физики
о пространстве, времени и развитии материи. Это обобщение должно
привести к выработке общей физической и физико-химической теории
строения и процессов внутри Земли.
«Иерархия» - это лестница объектов, качественно отличающихся
или
характеризующихся
степенью
сложности.
Различают
следующую иерархию объектов: элементарные частицы – ядра –
атомы – молекулы – макротела (кристаллы, жидкости, газы,
плазма) – планеты – звезды – галактики – Вселенная.
Мир элементарных частиц – это электроны, протоны, нейтроны и
др. Согласно современным представлениям вещество состоит из
кварков и лептонов. Они исследуются в физике элементарных частиц
с помощью Большого адронного коллайдера (ускорителя), который
позволяет исследовать терадиапазон энергий (до 1 ТэВ = 1012 эВ) и,
как следствие, исследовать свойства пространства вплоть до
нанонанометра (= 10-18 м)
Ядра - связанные системы протонов и нейтронов. «Радиусы
ядер» изменяются от 210-15 м (ядро гелия) до 710-15 м (ядро
урана). Ядро имеет «форму» вытянутого или сплюснутого
эллипсоида (или еще более сложную).
Атомы и молекулы. Ядра имеют положительный
электрический заряд и окружены роем отрицательно
заряженных электронов. Такое электрически нейтральное
образование называют атомом. Атом есть наименьшая
структурная единица химических элементов. Не всякие атомы
способны соединяться друг с другом. Связь возможна в том
случае, если совместный «верхний этаж» целиком заполнен
электронами. Такое образование называют молекулой.
Молекула есть наименьшая структурная единица сложного
химического соединения. Число возможных комбинаций
атомов, определяющих число химических соединений,
составляет около 106.
Макротела - собирание при определенных условиях
однотипных атомов или молекул в огромные совокупности –
вещество. Простое вещество является атомарным, сложное –
молекулярным.
При достаточно низких температурах все тела являются
кристаллическими. В кристаллах взаимное расположение атомов
тела является правильным.
Тела могут сильно отличаться в отношении механических,
тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств.
При значительном повышении температуры происходит
фазовый переход кристалл – жидкость (плавление). В жидком
состоянии атомы уже не являются строго локализованными, т. е.
связанными с какими-то определенными положениями в теле.
Тепловое движение в жидкости носит довольно сложный
характер.
Планеты - макротела астрономического масштаба. Вещество
планет не отличается от земных условий и в его составе не
обнаружено никаких новых химических элементов по сравнения с
элементами на земле.
Внутреннее строение планет изучать особенно сложно. Даже о
своем «собственном доме» – планете Земля – человек знает
недостаточно. По оценкам, при среднем радиусе Земли RЗ = 6374 км,
массе МЗ = 5,977·1027 г, средней плотности = 5,517 г/см3, внутреннее
давление в центральных областях земного шара имеет порядок 107
атм (1012 Па). Какие изменения испытывает вещество при таких
давлениях?
Одной из планет-гигантов солнечной системы является Юпитер,
масса которого составляет МЮ = 318·МЗ. Он почти в 10 раз
превосходит Землю по размерам и находится, по-видимому, в
жидком состоянии. Его вещество богато водородом, и наверняка
центральные области планеты состоят из металлического водорода.
Экзопланеты - планеты, расположенные вблизи другой звезды. Их
обнаружили астрономы в 1995 году с помощью сверхточного
спектрометра. Через десять лет за это достижение была вручена
«Нобелевская премия Востока» - награда сэра Ран Ран Шоу (Run Run
Shaw).
За последние десятилетие обследовали около 3000 звезд и возле 155
из них нашли планеты. Всего сейчас известно более 200 экзопланет.
Близ некоторых звезд найдено по две, три и даже четыре планеты.
Каждый год астрономы открывают около 20 экзопланет. Большинство
(около 90%) обнаруженных экзопланет являются гигантскими газовыми
шарами, подобными Юпитеру, с типичной массой около 100 масс
Земли.
Среди экзопланет различают пять разновидностей. Наиболее
распространенными являются 54 «водных гиганта». Их температура
должна быть такой же, как на Земле. Естественно ожидать, что они
окутаны облаками водяного пара или ледяных кристаллов.
Следующими по распространенности идут 42 «горячих Юпитера».
Они находятся совсем близко от своих звезд (в 10 раз ближе, чем
Земля от Солнца), и поэтому их температура – от + 700 до + 12000С.
Немного прохладнее на 37 экзопланетах, названных «теплыми
Юпитерами», температура которых от + 200 до + 6000С. В еще более
прохладных областях планетных систем расположены 19
«сернокислых гигантов». Предполагается, что они окутаны облачным
покрывалом из капелек серной кислоты – такими, как на Венере. Еще
дальше в самых холодных областях находятся 13 «двойников
Юпитера», которые по температуре аналогичны настоящему Юпитеру
(от – 100 до – 2000С на внешней поверхности облачного слоя) и,
наверное, выглядят примерно так же – с голубовато-белыми и
бежевыми полосами облачности, в которые вкраплены белые и
оранжевые пятна крупных вихрей.
В последние годы найдено полтора десятка экзопланет по массе
сравнимых с «малыми гигантами» Солнечной системы – Ураном и
Нептуном: от 6 до 20 масс Земли. К этому же типу отнесены и две
«суперземли» - массивные планеты земного типа, не имеющие столь
плотной и толстой атмосферы, как у планет-гигантов.
Самая «тяжелая» из экзопланет в 11 раз массивнее Юпитера, а
наибольшая по размеру имеет диаметр в 1,3 раза больше, чем у
Юпитера. Над некоторыми из экзопланет сияют сразу два и даже три
«солнца» - эти планеты вращаются вокруг звезд, входящих в систему
из двух или трех светил, расположенных близко друг к другу.
«Холодная суперземля» - пока наименьшая из экзопланет. Ее открыли
в 2005.
Звезды. Галактики. Вселенная. Центральные области Солнца, при
его радиусе RC = 7·108 м, массе около МС  3·1033 г, характеризуются
температурой порядка 107К и давлением около 1011 атм. В этих
условиях вещество является полностью ионизованной плазмой: голые
ядра и свободные электроны. При этом становятся возможными
термоядерные реакции, окончательным итогом которых является
слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия. Эта ядерная
реакция служит источником энергии звезд.
Существует и другая точка зрения , сущность которой в том, что по
мере потери энергии звезды уплотняются. Свободные электроны
начинают, как бы вдавливаться в ядра. Происходит захват электронов
протонами с превращением последних в нейтроны, при этом
одновременно испускается нейтрино. В результате такой реакции
уменьшается заряд ядра (при неизменной его массе), что, вообще
говоря, приводит к уменьшению энергии связи ядра. В конце концов,
ядра, содержащие слишком много нейтронов, станут неустойчивыми и
распадутся. Вещество звезды будет представлять собой сверхплотный
нейтронный газ.
Нейтронные звезды имеют массу, сравнимую с массой Солнца, а
размеры - в 105 раз меньше. Плотность нейтронной звезды сравнима с
плотностью ядерного вещества, т. е. 1017 кг/м3. Масса 1 см3 вещества
такой звезды составляет сотни миллионов тонн!
Галактики – это звездные системы. Число звезд в них порядка 109 –
1012. Если масса звезды порядка 1030 кг (как у нашего Солнца), то масса
Галактики порядка 1041 кг.
Известная нам часть Вселенной содержит таких галактик порядка
1011. Общее число протонов и нейтронов в известной нам части
Вселенной порядка 1080.
Астрономические данные показывают, что галактики во Вселенной
стремительно «разбегаются» друг от друга. Расширение Вселенной
позволяет предположить, что когда-то в прошлом она занимала весьма
малый объем. Это, в свою очередь, означает, что «дозвездное вещество»
было сверхплотным и чрезвычайно горячим (температура порядка
1013К). При таких температурах вещество может состоять в основном из
излучения – фотонов и нейтрино.
Четыре вида фундаментальных взаимодействий
В природе существуют качественно различные системы объектов.
Так, ядра есть связанные системы протонов и нейтронов; атомы –
связанные ядра и электроны; макротела – совокупность атомов или
молекул; солнечная система – «связка» планет и массивной звезды.
Наличие связанных систем объектов говорит о том, что должно
существовать нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы
«разрушить» систему частично или полностью, нужно затратить
энергию. Взаимное влияние частей системы характеризуется энергией
взаимодействия, или просто взаимодействием.
В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия
каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу
основных фундаментальных взаимодействий: гравитационному,,
электромагнитному, сильному и слабому.
Гравитационные взаимодействия - действие сил тяготения,
которыми обусловлено существование солнечной системы и
звездных систем (галактик).
Электромагнитные взаимодействия
взаимодействия,
обусловловливающие связи в атомах, молекулах и обычных
макротелах.
Сильные (ядерные) взаимодействия - взаимодействия,
которые гораздо интенсивнее электромагнитных, обусловленных
наличием
в ядрах одинаковых заряженных протонов и
нейтральных частиц, ибо иначе ядро не могло бы образоваться.
Эти взаимодействия проявляются лишь в пределах ядра.
Слабые взаимодействия
взаимодействия, которые
возникают под влиянием «внутренних причин»: нестабильные
свободные частицы за те или иные характерные времена
(медленные распады с характерным временем 10-10 – 10-6 с)
превращаются в другие частицы (распадаются).
Поля и вещество. Вся совокупность элементарных частиц с их
взаимодействиями проявляет себя макроскопически в форме вещества
и поля. Поле в отличие от вещества обладает особыми свойствами.
Например, физическая реальность электромагнитного поля видна хотя
бы из того, что существуют радиоволны. Они имеют конечную
скорость распространения. Источником электромагнитного поля
являются движущиеся заряженные частицы. Взаимодействие зарядов
происходит по схеме: частица – поле – частица. В некоторых условиях
поле может «оторваться» от своих источников и свободно
распространяться в пространстве. Такое поле носит волновой характер.
Пространственная и временная шкалы в природе. Пространство
и время являются той своеобразной «ареной», на которой
разыгрываются события. Например, связанные системы протонов и
нейтронов (ядра) характеризуются пространственной областью
порядка 10-15 м. Для электронов в атоме характерна
пространственная область движения с размерами порядка 10-10
м.
Вселенная, Галактика, Солнечная система, планеты.
Среднее расстояние Земли от Солнца равно 149,6106 км = 1 а.е.
(астрономическая единица), а средняя скорость ее движения по орбите 29,8 км/с.
Солнце с его планетной системой находится во внешней части
Галактики – дискообразного скопления звезд и межзвездных пыли и
газа, видимых нами как Млечный путь. Солнце удалено от центра
Галактики на 27 тыс. световых лет (1 световой год = 1013 км) и
вращается вокруг него со скоростью 230 – 250 км/с. Полный оборот – 1
галактический год, продолжается около 220 млн лет (рис. 1). Наша
Галактика образует только малую часть Вселенной. Существует
множество других галактик, которые, как показывают наблюдения,
удалены от нас на расстояния до 13,7 млрд световых лет – размер
видимой части Вселенной или Метагалактики. Дошедший до нас свет
от самых удаленных галактик начал свой путь раньше, чем начала
образовываться солнечная система!
Положение Солнца (кружок с точкой) в нашей Галактике
Мелкие точки – звезды,
крупные – звездные
скопления.
Распространенность изотопов урана, тория и продуктов их
распада в космосе дает основание предполагать, что Галактика
образовалась, по крайней мере, за 5 млрд лет до формирования
солнечной системы.
Звезды, подобные Солнцу, формируются в Галактике из
газопылевых межзвездных облаков. Межзвездное вещество состоит,
в основном, из водорода и частично из гелия, существующих со
времени образования Галактики, и частично из гелия и более
тяжелых элементов, синтезированных в ходе ядерных процессов
внутри звезд или же при более интенсивных процессах типа взрывов
сверхновых. Сжатие под действием сил взаимного притяжения
сначала создает скопление протозвезд, которые позднее сами
уплотняются и становятся молодыми звездами. Освобождающаяся
при этом гравитационная энергия нагревает звезду, и звезда
начинает излучать и светиться. В конечном счете, внутренняя
температура становится достаточно высокой для начала
термоядерных реакций, звезда перестает сжиматься и занимает свое
место на «главной последовательности».
Достаточно распространенной в настоящее время является
«холодная» модель образования планет солнечной системы О.Ю.
Шмидта, предложенная им в 1944 г. В основе гипотезы заложены
представления о слипании под действием сил гравитации холодных
частиц – планетезималей – планетных зародышей.
В последние два десятилетия была разработана в известном
смысле противоположная «горячая модель» образования Земли в
основе которой заложены представления о первоначально разогретой
до 3·104К материи.
В солнечной системе наблюдается единообразное вращение
и распределение момента количества движения. Все планеты,
за исключением Плутона, обращаются по почти круговым
орбитам, плоскости их орбит почти совпадают, и планеты
обращаются вокруг Солнца в том же направлении, в каком
вращается само Солнце
Большая часть спутников движется по орбитам в экваториальных
плоскостях своих планет и в направлении вращения планет. Правда,
известны исключения, происхождение которых можно объяснить либо
захватом, либо приливным трением. Средние расстояния планет от
Солнца приблизительно подчиняются модифицированному закону
Тициуса – Боде (рисунок на след. слайде):
Rn = R0mn ,
где R0 – примерно равен половине радиуса орбиты Меркурия,
Rn - радиус n-ой (считая от Солнца) планеты,
m = 1,89.
Считается, что установленная зависимость может определяться
процессами самоорганизации, протекающими (протекавшими) в
солнечной системе.
Схема взаимного расположения окружающих Солнце
планетной системы (планеты земной группы, Юпитер,
Сатурн, Уран, Нептун)
Видно особое положение Плутона, периодически вторгающегося в
планетную систему из кометного облака Орта
Стадии, через которые, возможно, прошла
солнечная система
Вращающееся Солнце сжималось, и поэтому его угловая скорость
постепенно увеличивалась и вращающийся газопылевой диск
вытягивался в экваториальной плоскости. Возможно, околосолнечное
облако образовалось после того, как вещество было выброшено с
солнечного экватора, когда центробежная сила превысила силы
тяготения (как впервые предположил Лаплас). По мере охлаждения
околосолнечное облако конденсировалось в пылинки и более крупные
частицы, двигавшиеся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца в его
поле тяготения. Частицы с близкими орбитами сталкивались и
слипались, постепенно вырастая до размеров достаточно
крупных тел. Когда тела достигли размеров 1 км и больше,
процесс столкновений и слипания усилился за счет тяготения. В
конечном счете, образовались тела с размерами планет, их
спутников и астероидов.
Процесс образования солнечной системы в основном закончился
около 4500 млн лет назад, и с тех пор общая структура системы не
претерпела существенных изменений. За это время могли произойти
захваты планетами спутников (например, Луна могла быть захвачена
Землей), а скорость вращения планет, особенно Меркурия, Венеры и
Земли, могла замедлиться под воздействием приливного трения.
Астрономическими
исследованиями выяснилось,
что
в
большинстве своём экзопланетные системы совершенно не похожи на
нашу Солнечную систему. В них планеты-гиганты типа Юпитера
оккупируют «зону жизни», представляющую собой область вокруг
звезды, где температурные условия на планете позволяют
существовать жидкой воде – главному условию развития жизни
земного типа. Но на самих газовых гигантах-«юпитерах» жизнь
развиться не может (у них даже нет твердой поверхности), а
маленькие планеты земного типа эти гиганты из «зоны жизни»
выталкивают.
Модель холодной Земли
По гипотезе О.Ю.Шмидта Земля образовывалась путем «склеивания»
холодных частиц (планетезималей) в течение 100 млн лет, иначе
тепло, выделяемое при этом процессе, не будет успевать отводиться за
счет радиационного охлаждения.
Модель включает два сценария образования Земли:
1)сначала образовалось железное ядро, а затем на него стали «падать»
силикаты, формируя мантию;
2) Земля была «склеена» из силикатов и железа, потом произошла
дифференциация, и выделилось жидкое ядро, центральная часть
которого кристаллизовалась (?).
В каждом из сценариев, внешнее ядро Земли железное,
расплавленное. Оно захватывает (вмораживает) силовую линию
магнитного поля из окружающего Землю космоса и за счет эффекта
гидромагнитного динамо происходит усиление и преобразование этого
«затравочного» поля в геомагнитное. Тепловой поток, по модели,
обязан наличию радиоактивных элементов и т.п.
Модель горячей Земли
Гипотеза состоит в том, что Солнце, планеты и их спутники
образовались в едином достаточно быстром (порядка 1 млн лет)
самоорганизующемся процессе самогравитации протосолнечного
«облака», случившемся 4.5 млрд лет назад. Этот процесс во времени и
пространстве можно условно разделить на две составляющие:
1)формирование в протосолнечном «облаке» сгустков вещества, из
которого впоследствии сформировались планеты;
2) бифуркации (раздвоения), произошедшей в области пояса
Астероидов в тот момент, когда Солнце ещё полностью не
сформировалось и его радиус был в 7 раз больше современного.
Бифуркация разделила вещество протосолнечного «облака» на две
части: из одной сформировались планеты гиганты, вторая «пошла» на
формирование Солнца и планет земного типа. Особенности
внутреннего строения и эволюция планет и спутников определялись
одним параметром – величиной их массы М. Температура Т вещества
планеты в момент их образования была пропорциональна: Т  M2/3.
Лекция 2. Введение в геофизику.
Геофизические поля
Геофизика – учение о физических явлениях на Земле.
Предмет геофизики – изучение оболочек Земли, к
которым относятся:



Литосфера, представленная твердыми
геологическими образованиями (магматические,
метаморфические и осадочные породы);
Гидросфера – воды океанов, морей, рек, озер и
других поверхностных источников и подземные
воды;
Атмосфера – воздушная оболочка.
Методика и техника изучения физических полей
составляет геофизические методы и технологии.
Существуют геофизические методы исследований,
предназначенных для наблюдений в атмосфере, на
земной поверхности, в скважинах и шахтах, на
поверхности и в глубине водоёмов.
Созданы
разделы
геофизики,
связанные
с
промышленной деятельностью человека: разведка и
добыча полезных ископаемых, освоение морей,
климатология и пр.
Геофизика зародилась и развивалась в 19 и 20
столетиях на базе физики, геологии и астрономии. Она
тесно связана с геодезией, геохимией, а в части методов
и
технологий
геофизических
наблюдений
с
радиотехникой – радиоэлектроникой. Для проведения
расчётов и решения теоретических задач необходимы
знания
математического
математическую физику.
аппарата,
включая
Физика Земли изучает твёрдую оболочку в целом, её
внутреннее строение и развитие.
Разведочная геофизика имеет своей основной целью
поиски и разведку полезных ископаемых и решение
инженерно-геологических,
археологических,
экологических и др. задач.
Гидросфера и атмосфера изучаются в основном
методами общей геофизики.
Связь геофизики с другими
науками
Связь общей геофизики с науками
изучающими гидросферу и атмосферу
Физические поля изучаемые в
геофизике:

гравитационное поле;

магнитное поле;

электроволновое (электромагнитное) поле;

сейсмоволновое (поле упругих колебаний
или сейсмоакустическое);

тепловое поле;

радиационное поле.
Физическое поле – это материальная среда, где
взаимодействие элементарных частиц, обусловлено тем
или иным физическим явлением или их совокупностью.
Например,
радиоактивный
распад,
приводящий
к
существованию радиационного и частично теплового
полей,
или
магнитных
взаимодействие
тел,
приводящих
гравитационных
к
гравитационных и магнитных полей.
и
возникновению
Основная особенность физических полей – это их
деформация
под
действием
тех
или
иных
материальных объектов, в частности геологических
тел.
Физические поля применительно к геофизике
называют
геофизическими
полями.
Они
характеризуются
параметрами
(физическими
величинами).
Последние
определяются
инструментально, т. е. с помощью приборов.
Этих параметров в основном два: потенциал (U) и
напряжённость (E).
Потенциал поля – выражается в его концентрации
в той или иной точке изучаемой среды, т. е. это
энергия, обусловленная работой по перенесению
точечного источника из бесконечности, где поле равно
0 в заданную точку среды.
Напряжённость поля – первая производная его
потенциала, т. е. градиент нарастания или наоборот
разрежения физического явления.
E = - grad U ,
где Е – напряжённость, а U – потенциал
геофизического поля.
Материальные объекты, взаимодействие которых
приводит к существованию геофизических полей,
характеризуются
физическими
физическими
свойствами).
показателями
Это
(или
плотность,
электропроводность, магнитная восприимчивость и др.
Физические свойства выражаются в их способности
создавать геофизические поля.
Плотность
(δ)
-
показатель,
характеризующий
соотношение массы и занимаемой ею объема. Единица
измерения
г/см3
или
кг/м3.
Используется
в
гравиметрии.
Магнитная восприимчивость (κ) – показатель,
характеризующий способность природных объектов
намагничиваться под действием магнитного поля.
Единица измерения 10-5 ед. СИ. Используется в
магнитометрии.
Удельная электропроводность (σэ) – показатель,
характеризующий способность природных объектов
проводить электрический ток. Единица измерения
Сим/м. Используется в электрометрии.
Скорость распространения упругих волн
(V) –
показатель, характеризующий способность природных
объектов
передавать
упругие
деформации
под
действием механических воздействий (напряжений).
Единица
измерения
сейсмометрии.
м/сек.
Используется
в
Естественная радиоактивность (Jγ) – показатель,
характеризующий способность природных объектов
излучать α, β и γ-частицы, приводящие к
радиоактивному распаду. Единица измерения Беккерель
(Бк) – 1 распад в сек. Используется в радиометрии.
Теплопроводность(λ) - показатель, характеризующий
способность природных объектов проводить тепло, т. е.
направленный процесс распространения теплоты от
более нагретых к менее нагретым объектам и
приводящий к выравниванию температуры среды.
Единица измерения Вт/м*К. Используется в геотермии.
По происхождению геофизические поля разделяются на
естественные и искусственные. Естественные поля
существуют, не зависимо от человеческой деятельности, а
искусственные
возбуждаются
по
заданию
экспериментатора.
В общей геофизике в основном изучаются естественные
поля. В разведочной геофизике, относящейся к
геологической разведке, а также инженерной геофизике,
геофизике ландшафта, экологической геофизике наряду с
естественными в большей мере изучаются искусственные
(наведенные) поля.
Методы общей и разведочной геофизики основаны на
единых геофизических полях, но разнятся вследствие
разных задач и предмета исследований.
Науки геофизического цикла (разделы) общей и
разведочной геофизики в зависимости от
используемых геофизических полей
Геофизическое
поле
Раздел общей геофизики
Раздел разведочной
(прикладной) геофизики
1. Гравитационное
Гравиметрия
Гравиразведка
2. Магнитное
Магнитометрия
Магниторазведка
3. Электроволновое
Электрометрия
Электроразведка
4. Сейсмоволновое
Сейсмометрия
Сейсморазведка
5. Тепловое
Теплометрия
Термическая разведка
6. Радиационное
Радиометрия
Ядерная разведка
Лекция 3. Общие сведения о Земле.
По форме Земля является геоидом, т. е.
поверхностью,
совпадающей
с
невозмущённой
поверхностью Мирового океана и продолжающейся
под континентом. Геоид определяет фигуру Земли, но
существенно отличается от физической поверхности
Земли. Геоид соответствует поверхности равных
значений силы тяжести.
Средний радиус Земли 6371 км. Средняя плотность
5,51 г/см3.
Земля обладает магнетизмом, с которым связаны
электрические поля.
О
происхождении
космогонические
Земли
представления.
существуют
Есть
гипотезы
образования планет из раскалённой газово-пылевой
туманности, а также гипотезы образования этих же
планет, в том числе Солнца из мелкораздробленного
космического вещества.
Время
образования
радиологическими
и
Земли
изотопными
определяется
методами
и
оценивается в 4,55 – 4,61 млрд. лет. С помощью этих
методов
создана
в
абсолютных
геохронологическая шкала.
летоисчислениях
Наиболее распространён для определения возраста
геологических образований калий-аргоновый метод.
В основу положен закон радиоактивного распада:
,
где Nt – количество не распавшихся атомов ядер
неустойчивых (радиоактивных) элементов, N0 –
количество атомов ядер в момент образования
природного объекта, t – время распада,
λ - постоянная распада, которая для каждого
изотопа имеет своё численное значение.
В практике используется и величина Т1/2 –период
полураспада:
По современным представлениям внутреннее строение
Земли обобщённо можно представить последовательной
схемой трёх геосфер: 1) земная кора h = 5-75 км.; 2) мантия
h ≈ 3000 км.;
3) ядро h ≈ 3300 км.
Земная кора – твёрдая оболочка, которая по составу
на материках и океанах разделяется на материковую и
океаническую. В первой три слоя: осадочный,
гранитный, базальтовый. Во второй два слоя:
осадочный и базальтовый.
К настоящему времени наиболее прогрессивным
методом
изучения
внутреннего
строения
Земли
является сейсмометрия. Основа метода – изучение
распространения через недра Земли сейсмических
волн специальными приборами – сейсмографами.
Изучаются
поперечные
волны
-
V s)
объёмные (продольные
и
поверхностные
вертикально-поляризуемые
колебания
горизонтально-поляризуемые колебания).
и
-
V p,
(Релея
–
Лява
–
Vp- волны сжатия – растяжения, распространяются в
любой среде и выражаются формулой:
,
где kcж. – коэффициент сжатия, μсдв. - модуль сдвига,
δ- плотность.
Vs – волны сдвига, распространяются только в
твёрдой среде, поэтому их формула:
Классическая модель внутреннего строения
Земли носит название Джеффриса-Гутенберга.
Она построена на основе изучения изменения с
глубиной (по радиусу) показателей Vp и Vs.
В настоящее время эта модель уточнена
академиком Ю.М. Пущаровским
анализа
современных
на основе
сейсмотомографических
карт. Выделены в земном шаре как глобальные,
так и промежуточные границы.
Глобальные и промежуточные границы в
земном шаре





кремнистые породы
δ=2,9–3,3 г/см3
ультраосновные и
полиморфные δ=3,5–4,3 г/см3
плотные окислы (MgO, SiO)
δ=5,5–10 г/см3
жидкие металлы (Fe, Ni, Si)
δ=10–12 г/см3
твёрдые металлы
δ=13–14 г/см3
Графики распространения Vp ,Vs и δ ,
отражающие глобальные границы внутри Земли
Промежуточные границы: 1) поверхность Конрада,
которая разделяет гранитный и базальтовый слои на
материковой коре; 2) слой астеносферы мощностью
200-300 км в верхней мантии, где вещество находится
в частично расплавленном состоянии; 3) инверсные
зоны в верхней и средней мантии, границы которых
прослеживаются на глубинах 100, 220, 300, 710, 1050,
1200 и 2000 км .
В
целом
фигура
Земли
аппроксимируется
сфероидом или трёхосным эллипсоидом. Это первым
понял Ньютон, применяя закон всемирного тяготения
для условия вращения Земли. Следовательно, для
такого эллипсоида вращения справедлива формула
сжатия Земли :
,
где а - экваториальный радиус, в – полярный радиус, .
Согласно выводам Ньютона Земля сплющена у
полюсов и растянута в экваториальной зоне. В то
же время,
фигура Земли не может быть
достаточно точно аппроксимирована 3-х осным
сфероидом
(эллипсоидом),
т.
к.
уровенная
поверхность испытывает местные возмущения под
действием
неоднородностей,
притяжения
а
также
топографического рельефа местности.
физических
в
силу
Истинную форму уровенной поверхности Земли
называют геоидом, т. е. поверхностью невозмущённой
воды океанов, трансформированную на сушу, по
уровню воды в условно сооруженных каналах, дно
которых ниже поверхности океана. .
Разность величин экваториального и полярного
радиусов Земли невелика и составляет 25,5 км. На этом
фоне средняя высота материков (≈1 км) и средняя
глубина океанов (≈4 км) являются величинами второго
порядка малости. Отсюда важный вывод, что Земля
находится в гидростатическом равновесии и состоит из
концентрических слоёв, в которых плотность одинакова.
Упругость
твёрдых
оболочек
Земли
вполне
достаточна для того, чтобы медленно деформироваться
под воздействием центробежных сил вращения и
тяжести, т.к. если бы она была действительно жидкой.
Слоистость же – результат первоначально «холодной»
эволюции земного шара.
Лекция 4. Краткая теория гравитационного поля
и его изучение в гравиметрии и гравиразведке
Гравитационное поле Земли – это
материальная среда взаимодействия
механических (физических) масс,
определяемая общим механическим
состоянием фигуры Земли.
Закон всемирного тяготения Ньютона:
m1 * m2
F f
2
r
1
Показатели гравитационного поля
Если положить в формуле (1) m1=1 и m2 =M и принять M
за массу Земли, то ускорение силы тяжести на
поверхности Земли будет:
,
где
g
–
векторная
величина,
являющаяся
равнодействием сил притяжения (F), центробежной
силы (Р) и небесных тел.
В гравиметрии ускорение силы тяжести сокращённо
называется «силой тяжести»:
gсреднее = 9,81 м/с2, gполюс = 9,83 м/с2, gэкватор = 9,78
м/с2.
g h в атмосфере:
где h – высота, R – радиус Земли.
g внутри Земли изменяется по сложной
закономерности от 9,82 м/с2 у поверхности и до 10,68
м/с2 в основании нижней мантии на глубине 2900 км.
g в ядре уменьшается на глубине 6000 м до 1,26 м/с2,
и в центре Земли до 0.
Для определения абсолютных значений g используют
маятниковый метод и метод свободного падения тел.
Для маятника:
где Т- период колебания маятника, l – длина маятника.
В гравиметрии и гравиразведке в основном
используются относительные измерения ускорения силы
тяжести. Определяется приращения g по отношению к
какому-либо значению. Используются маятниковые
приборы и гравиметры.
Изостазия
Казалось бы, гравитационные аномалии на суше
должны быть положительными и иметь более высокую
напряжённость, чем в океанах. Однако гравитационные
измерения на дневной поверхности и со спутников не
подтверждают этого. Карта высот геоида показывает,
что уклонения g от нормального поля не связаны с
океанами
и
континентами.
Следовательно,
континентальные
области
изостатически
скомпенсированы: материки плавают в подкоровом
субстрате подобно гигантским айсбергам в полярных
морях.
Концепция изостазии состоит в том, что лёгкая
земная кора уравновешена на более тяжёлой мантии,
притом, что верхний слой жёсткий, и нижний
пластичный. Первый получил название литосфера, а
второй астеносфера. Однако верхняя мантия не
является жидкостью, т.к. через неё проходят
поперечные волны. В то же время по масштабу
времени (Т) астеносфера ведёт себя на малых Т (часы,
дни) как упругое тело, а на больших Т (десятки тысяч
лет) как жидкость. Таким образом, вязкость вещества
астеносферы оценивается 1020 Па*с (паскаль секунда).
Модель изостазии
Гипотезы изостазии предусматривают:
1) упругую деформацию земной коры, которая
показана на схеме;
2) блоковое строение Земли и погружение этих
блоков в нижележащий субстрат мантии на
различную глубину.
Следуя математическому языку, вытекает вывод:
существование изостатического равновесия земной
коры является достаточным, но отнюдь необходимым
условием для закономерной связи аномалий g и
мощности коры. Тем не менее, для региональных
территорий эта связь существует.
Если выполнить гравитационные измерения через
океан, то выступы океанической коры будут
характеризоваться гравитационными минимумами,
впадины – максимумами. Введение изостатической
поправки показывает, что территория (регион) в целом
изостатически уравновешена.
Распределение гравитационного поля над
поверхностью океана
Из рисунка следует, что интенсивность гравитационного поля в
2,5-3,0 раза больше в тех местах, где тоньше океаническая кора,
т.е. в этих участках в большей мере проявляется дефект
плотности нижележащего мантийного субстрата, в частности
слоя поверхности Мохо.
.
Таким
образом,
региональных
существует
прямая
гравитационных
мощностью
земной
коры.
составляют
второй
уровень
связь
аномалий
Эти
с
исследования
детальности
в
гравиметрии.
Третий
уровень
детальности
связан
съёмками
непосредственно
с
гравиметрическими
(наблюдениями)
с
целью
изучения
локальных
геологических объектов, в частности месторождений
полезных ископаемых.
Структура поля по результатам гравиразведочных
съёмок
редукции
разная. Все измерения приводятся к
Буге
(разность
наблюденных
и
теоретических полей) и предусматривают поправки
за: 1) «свободный воздух», 2) промежуточный слой,
3) рельеф.
В общей и структурной геологии результаты
гравиметрических наблюдений применяются для
изучения
тектонического
районирования
геосинклинальных и платформенных областей.
В геосинклинальных областях к поднятиям
приурочены отрицательные аномалии g, а к впадинам
– положительные. Такая закономерность связывается с
историей развития земной коры вследствие инверсии
геотектонических условий (перераспределение зон
поднятия и опускания). В местах поднятий ранее был и
сохранился изгиб границы Мохо.
На платформенных областях аномалии g связаны
в
основном
с
вещественно-петрографическим
составом пород. Минимальными значениями g
характеризуются зоны крупных разломов, из «лёгких»
пород «граниты-рапакиви».
Вариации силы тяжести
В общей структуре гравитационного поля Земли
происходят периодические изменения силы тяжести.
Они вызываются приближением Луны и Солнца и
зависят от внутреннего строения Земли.
Наиболее заметным перемещением частиц геосфер в
горизонтальном
приливы.
направлении
являются
морские
Вариации силы тяжести
Согласно приведенной схеме, под влиянием сил
притяжения в большей мере Луны и в меньшей
Солнца воды Мирового океана сгоняются к точкам Z и
N (прилив), а в это время в точках А и В уровень воды
Мирового океана понижается (отлив). Сферический
слой Земли испытывает периодические колебания и,
соответственно, ускорение силы тяжести. Во время
колебаний этот слой принимает форму эллипсоида.
Вследствие суточного вращения Земли происходят
приливы (отливы) с периодом 24 часа («солнечные
сутки») и 24 часа 50 мин. («лунные сутки»). Поэтому
наблюдается два прилива и два отлива.
Под
действием
приливообразующих
сил
поверхность земной коры непрерывно пульсирует: два
раза в сутки поднимается и опускается.
Изучение приливов и отливов в твёрдом теле Земли
позволяет получить сведение о её плотности и
внутреннем строении.
Лекция 5. Краткая теория геомагнитного
поля и его изучение в магнитометрии и
магниторазведке
Магнитное поле – это материальная
среда взаимодействия электрически
заряженных частиц, движение которых
обусловлено этими электрическими
зарядами и спин-орбиталыми
моментами носителей магнетизма
(электронов, протонов и др.)
Основные параметры магнитного поля: потенциал,
напряжённость
и магнитная индукция . Связь
напряжённости магнитного поля с магнитной
индукцией
определяется
через
магнитную
проницаемость
природных объектов.
В
этом
уравнении
показатель
магнитной
проницаемости
характеризует
способность
природных объектов к намагничению. И таким
образом, все природные, т.е. материальные объекты
намагничены в той или иной степени. При μ > 1 они
называются парамагнетиками, а при μ < 1 –
диамагнетиками.
Намагничение
природных
объектов,
а
также
возникновение и существование магнитного поля
происходит вследствие действия электрических токов
(вихревых токов).
Солнце и планеты солнечной системы и других
галактик являются намагниченными объектами, а,
следовательно, гигантскими магнитами. Вокруг них
формируется магнитное поле.
Теория происхождения магнитного поля Земли в
настоящее время еще полностью не разработана,
существуют гипотезы.
Существуют представления, что во внешнем ядре
Земли,
состоящем из расплавленного
металла
железо-никелево состава, имеет место циркуляция
термотоков. Возникает эффект гидромагнитного
динамо и регенерационный процесс длится до тех
пор, пока рассеивание энергии, вследствие вязкости
ядра
и
его
электрического
сопротивленя,
не
компенсируется добавочной энергией вихревых
токов и другими причинами.
В режиме реального времени магнитное поле Земли
можно считать постоянным полем, называемым
геомагнитным полем. Это поле в первом приближении
можно представить как поле намагниченного шара.
- полный вектор напряженности, а
и
его
вертикальная и горизонтальная составляющие. Вместе с
углами J (магнитное наклонение) и D (магнитное
склонение) векторы , ,
называют элементами
геомагнитного поля.
Математическое
выражение составляющих
геомагнитного поля
 M
T  3 1 3 sin 2 
r
 2M
Z  3 * sin 
r
 M
H  3 * cos 
r
2
T  Z H
2
tgI 
Z
H
Магнитное поле Земли с высотой убывает обратно
пропорционально кубу расстояния. Взаимодействие
магнитного поля с солнечным ветром имеет сложный
характер: с солнечной стороны силовые линии имеют
форму полусферы, а с противоположной стороны
(ночь) изолинии вытянуты в виде «хвоста»,
называемого геомагнитным шлейфом. В магнитосфере
установлены
зоны
повышенной
космической
радиации, являющиеся своеобразным мостом между
полюсами
Земли,
по
которому
мгновенно
распространяются
любые
электромагнитные
возмущения.
Форма деформации магнитосферы
Суммарное магнитное поле Земли разделяется на:
 постоянное;
 переменное.
Постоянное поле вызвано внутренними источниками
магнетизма и его называют геомагнитным полем
Земли. Но абсолютно постоянным это поле назвать
нельзя,
поскольку
оно
обусловлено
«вековыми»
вариациями. Последние характеризуют медленные
изменения геомагнитного поля. Изменения происходят
по закону синуса-конуса. Осредненная кривая имеет
период 8000 лет.
Вариации геомагнитного поля
Процесс изменения среднегодовых значений
элементов земного магнетизма, называется вековым
ходом Главная его особенность – различная
продолжительность периодов Т. Изменения кривой 2го порядка могут происходить в диапазоне Т от 360 до
2700 лет, а кривой 3-го порядка в диапазоне Т от 11 до
80 лет.
Различная
продолжительность
периодов
объясняется,
по-видимому,
отсутствием
сбалансированности
движущихся
частиц
гидромагнитного
динамо
и
различной
их
электропроводностью.
Геомагнитное поле Земли в суммарном магнитном
поле является основным, его вклад более 90%. Как и у
любого магнита имеются полюса. Силовые линии
«выходят» из северного магнитного полюса (N) и
«входят» в южный магнитный полюс (S).
Полюс N находится в южном полушарии, а полюс S
в северном, но в обиходе их называют по аналогии с
географическими полюсами. Со временем магнитные
полюса меняют свое направление, наблюдается их
«плавание».
Интересным и до сих пор не разгаданным
явлением
является
инверсия
(«перескок»)
полюсов. Длительность примерно 5 – 10 тыс.
лет. С этими эпохами совпадают существенные
геологические,
биологические
климатические
изменения
на
и
планете.
Регулярности в инверсиях не обнаружено.
Частота «прыгает» от длительных к частым
периодам.
Изменение магнитного поля в историческом
прошлом
оценивается
палеомагнитным
методом. Суть его в так называемом «эффекте
замораживания»:
магнитные
составляющие
горных пород и других природных объектов в
момент их образования ориентируются вдоль
магнитных силовых линий.
Магнитные
и
географические полюсы
по
топографическим
координатам
не
совпадают. Магнитная
ось наклонена к оси
вращения Земли на 11,50.
На примере поведения животных прогнозируется
связь магнитного поля Земли с биополем.
В
магнитном
поле
различают
региональные
и
разновидности
последних
магниторазведки
месторождений
локальные
с
целью
полезных
–
материковые,
аномалии.
предмет
поисков
и
Две
изучения
разведки
ископаемых.
В
подавляющем большинстве случаев интенсивность
магнитных аномалий не превышает 10% главного
магнитного поля Земли.
Переменное поле – вызвано внешними
источниками магнетизма за счет индукции от
вихревых токов космического происхождения.
В этот поток магнитное поле Земли (когда
его солнечный ветер «достигает») проникнуть
не может. Единственными «щелями» являются
воронки
сложным
у
полюсов,
образом
поверхности Земли.
где
вихревые
концентрируются
токи
по
Переменное поле накладывается на постоянные и
вызывает различные вариации суммарного поля во
времени. Вариации носят квазипериодический и
непериодический характер.
Вариации (возмущения) происходят постоянно.
Дней без вариаций не бывает. Наблюдения за
изменениями
геомагнитного
поля
производят
с
помощью специальных приборов. Это обычные
микровольтметры с непрерывной цифровой или
магнитной записью.
К квазипериодическим колебаниям относят
годовые, солнечно-суточные, лунно-суточные и
короткопериодные.
Под годовыми вариациями понимают изменения
среднемесячных значений напряженности магнитного
поля Земли (до нескольких сотых долей А/м).
Солнечно-суточные вариации имеют период (Т)
равный 24 часам. Токи солнечного излучения и
инициируются ветрами, дующими от экватора к
полюсам. Обозначаются магнитные вариации буквой
греческого алфавита - δ.
Суточный ход составляющих
геомагнитного поля
Солнечно-суточные вариации (Sd) зависят от времени
года и географической широты. Амплитуды летом в 3-4
раза больше чем зимой. Sd влияют на положение
магнитных полюсов Земли, которые в течение суток
смещаются примерно на 100 км.
Лунно-суточные вариации (L) имеют полусуточный
характер (Т = 12 ч. 25 мин. 14 сек.). Кривые
характеризуются
двумя
максимумами
и
двумя
минимумами.. Амплитуды колебаний составляют 10-15%
от Sd.
Короткопериодные вариации (КПК) имеют период Т 0,1
– 102 сек. Это магнитные пульсации в виде затухающих
синусоид. Наиболее частый период Т = 60–180 с. КПК
индуцируют в земной коре токи, получившие название
магнито-теллурических.
К
непериодическим
колебаниям
относят
магнитные бури. Характерная их особенность –
внезапность появления притом, что все элементы
земного магнетизма претерпевают очень быстрые и
непрерывные изменения. Амплитуды Н и Z , бывают
очень большие 2 – 4 до 16 А/м. В годы максимальной
солнечной активности наблюдается до 30 – 50 бурь в
год. Природа бурь до конца не ясна. Известно, что
магнитные бури оказывают влияние на состояние
здоровья.
Изменения элементов земного магнетизма
под влиянием магнитных бурь
(непериодические колебания)
Наземная полевая магнитная съемка проводится с
помощью пешеходных магнитометров весом 5-6 кг. На
каждой точке измеряются или абсолютные значения
полного вектора геомагнитного поля (Т)
Аэромагнитная съемка проводится по системе
профилей при непрерывной записи Т или Т на
каждом профиле (маршруте). Направления профилей
выбираются вкрест предполагаемого простирания
структур
или
тектонических
нарушений.
Гидромагнитная съемка в океанах, морях и на озерах
ведется как на специальных судах. Датчик поля
буксируется на кабеле длиной свыше 100 м в
специальной немагнитной гондоле либо вблизи дна,
либо на некоторой глубине. Профили (галсы)
привязываются по штурманским картам. Съемки
бывают профильными, реже площадными. В
результате строятся графики, карты графиков и
карты Т или Т.
Лекция 6. Электромагнитные поля Земли
и их изучение в электрометрии и
электроразведке
Электромагнитное поле – это сумма
электрического и магнитного полей, приводящих
к существованию в природных объектах
электромагнитных волн.


С электрической частью поля связывают поля
циркуляции токов (направленное движение
электронов токов) проводимости.
С электромагнитной частью поля (переменно
магнитного поля) связывают поля преобладания
токов смещения.
Электропроводимость
показатели
удельной
(электропроводности)
среды
оценивается
электрической
и
через
проводимости
диэлектрической
проницаемости:
σэ - удельная электропроводность, ед. изм. – Сим/м
ε - диэлектрическая проницаемость, ед. изм. – отн.
ед.
Основные параметры электромагнитного поля напряженность электрического и магнитного полей, а
также
- электрическая и магнитная индукция.
Параметры электромагнитного поля связаны
с
материальными
электрическими
показателями, то есть с электрическими
свойствами
σэ
и
ε,
следующими
соотношениями:

 



D   * E ; B   * H ;    э * E
Электромагнитные поля Земли – это поля
преимущественно естественного происхождения: 1)
магнито-теллурическое поле (за счет вариаций КПК),
2) поле грозовой активностии (вследствие грозовых
разрядов), 3) электродинамические поля (за счет
геодинамических процессов).
Отдельной группой полей следует считать
электромагнитные поля техногенного происхождения:
1) поля дальних-ближних радиостанций, 2) поля телеи радиокоммуникаций, линий ЛЭП, 3) поля
переизлучений от всевозможных трубопроводов и т.д.
Помимо перечисленных естественных переменных
электромагнитных полей, в верхней части литосферы
возникают естественные постоянные электрические
поля
вследствие
электрохимических
и
электрофизических процессов в результате которых
на границах разделов геологических (природных)
сред
возникают
Различают
поля
двойные
электрические
слои.
окислительно-восстановительной
(электрохимической),
фильтрационной
адсорбционно-диффузионной активности.
и
• Поля электрохимической активности возникают при
контакте металлических руд или металлизированных
технических объектов с вмещающими породами при
активном воздействии природных вод.
• Поля фильтрационной активности обусловлены
движением подземных вод (возникают потенциалы
течения). Эти поля наиболее интенсивно проявляются на
склонах гор и оврагов, на берегах и в руслах рек.
• Поля диффузионные образуются над контактом двух
природных растворов с различной минерализацией,
например, соленых и пресных подземных вод. Процесс
связи с диффузией ионов из раствора с большей
концентрацией перемещаются в раствор с меньшей
концентрацией.
Знак
диффузионного
потенциала
зависит
от
соотношения чисел переноса катионов и анионов. В
случае раствора NaCl справедлива формула:
2
E g   11,6 lg
1
где ρ1,ρ2 - УЭС контактируемых растворов.
Атмосферное
электричество
электростатическое поле Земли
виде
гигантского
или
представляется в
конденсатора,
проводящими
обкладками которого являются земная поверхность и
слой
ионосферы.
При
этом,
ионосфера
имеет
положительный заряд, а литосфера совместно с
гидросферой – отрицательный. Разность потенциалов
между ионосферой и поверхностью Земли составляет
300 кВ.
В
атмосферном
электричестве
движение
положительных зарядов вниз и встречное движение
отрицательных
зарядов
вверх
проводит
к
возникновению тока проводимости (I = 2,9*10-20 А/м2).
У поверхности Земли разность потенциалов ΔU = 100
В/м, а во время гроз 40 000 В/м.
В нормальных условиях соотношение ионов
(аэроионов) положительных и отрицательных знаков
составляет 1,14, т.е. q = n+/n- = 1,14. При этом, в этих
нормальных условиях n = (n+)+(n-) = 1000–1400, а
в экологически осложненных районах n = 1100–3500 в
1 см.
Насыщение воздуха ионами происходит вследствие
распада радиоактивных элементов, находящихся в
воде,
почве
и
горных
породах.
Возникающее
радиоактивное излучение вместе с космическим
излучением
приводит
к
ионизации
воздуха
в
приземном слое атмосферы. Ионизация радия (222Ra) в
почвенном слое примерно на 3 порядка выше, чем в
приземном слое атмосферы и это приводит к
увеличению проводимости почвенного воздуха по
отношению к атмосферному в соотношении 30:1.
Электростатическое поле Земли больше в средних широтах
и убывает с высотой по закону, близкому к экспоненциальному.
Как и в магнитном и гравитационном полях, в поле
атмосферного электричества имеют место синхронные
суточные и годовые вариации поля.
Типичный ход электрического поля Е
с высотой в зонах «хорошей» погоды
а – в чистой атмосфере
б – над континентами
Основными
генераторами
атмосферного
электричества являются облака и осадки. Как правило,
облака заряжены положительно в верхней части и
отрицательно в нижней, притом что на кромке
существует двойной электрический слой и в сторону
лито- и гидросферы «направлен» слой положительных
зарядов.
Глобальная
электрическая
цепь
заряжается
грозами.
Электрическое
поле
Земли
«уравновешивается» процессами в зонах «хорошей» и
«плохой» погоды.
Генераторы 2-го порядка – извержения вулканов и
пылевые бури, снежные метели, промышленные
выбросы.
Схема глобальной электрической цепи,
заряжаемой грозами
.
Магнитотеллурическое поле
Сигналы КПК (короткопериодные колебания) имеют период
Т = 1-100 сек и более. Их можно наблюдать во времени в виде
иррегулярных колебаний параметров поля
и
.
Отношение Ех к Ну имеют название импеданса Z и зависит от
удельного электрического сопротивления слоев горных пород, то
есть
Чем больше Т, тем меньше частота и тем глубже поле
проникает в Землю. На этом основан метод МТЗ (магнитотеллурическое зондирование). С помощью этого метода
удалось
установить
изменение
ρ
в
нормальном
геоэлектрическом разрезе в интервале глубин от 30 до 300 км.
Особенности глубинных геоэлектрических разрезов
обусловлены увеличением с глубиной температуры и
давления. В некоторых геосинклинальных областях
обнаруживаются 1-2 контрастных проводящих слоя.
Один из примеров – изучение по импедансу Z
геологического разреза Приазовской части Украинского
щита в диапазоне периодов Т = 10 – 1600 с. Это
соответствует
глубинам,
превышающим
залегания поверхности Мохоровичича.
глубину
Геологический разрез Приазовской
части Украинского щита
Рассмотрение
разреза
Приазовской
части
Украинского щита показывает, что разрез земной
коры
и
верхней
чередующихся
вертикальных
значительно
значительны
мантии
по
блоков.
больше
по
разбит
на
серию
электропроводимости
Размеры
по
этих
вертикали
горизонтали.
Эти
блоков
и
менее
данные
подтверждают блоковое строение земной коры.
Проблема горизонтальной расслоённости земной
коры и верхней мантии по электрическим свойствам (в
отличие от вертикальной зональности) значительно
сложнее,
чем
в
сейсмометрии.
По
данным
электрометрии методами МТЗ, ЧЗ, ВЭЗ определяется
только одна субгоризонтальная граница – поверхность
кристаллического
фундамента.
Все
остальные
границы, включая астеносферу – гипотетичны.
Электромагнитное поле грозовых разрядов - поле
сложного
взаимодействия
метеорологических
и
электрических процессов, приводящих к грозовым
разрядам (молниям). Количество молний за 1 сек на
земном шаре более 100. Молния – это мощный
электрический диполь. Сигналы, улавливаемые на
расстоянии, называются атмосфериками и состоят из
серии
высокочастотных
колебаний
с
преимущественной частотой в диапазоне 0,5–1 кГц и
6-8 кГц.
Радиоволновое поле Земли
К
наведенным
электромагнитным
шумам
относятся электромагнитные поля дальних и в
некоторой
мере
ближних
радиостанций.
Эти
станции работают круглосуточно и их поле на
удалении, как и для поля грозовой активности
можно
представить
в
виде
плоской
волны,
распространяющиеся вдоль поверхности Земли.
Преимущественная частота поля 10–20 кГц. Глубина
проникновения вихревых токов в высокоомных
толщах достигает несколько десятков метров.
К
естественным
электромагнитным
шумам
относятся электромагнитные поля электромагнитной
эмиссии
от
геофизических
процессов
(землетрясений, оползней, обвалов, метеоритных
ударов).
Эти
поля
носят
название
ЕИЭМПЗ
(естественное импульсное электромагнитное поле
Земли). Они особенно интенсивно проявляется в
зонах тектонических разломов, карстовых зонах,
областях
пород
с
сейсмоэлектрическими свойствами.
повышенными
Лекция 7. Краткая теория
сейсмоволнового поля и его изучение в
сейсмометрии и сейсморазведке
Сейсмоволновое поле – это материальная среда
упругого взаимодействия природных объектов от
микро- (соударение элементарных частиц) до
макроуровней (соударение метеоритов с Землей).
Механическое
взаимодействие
природных
объектов обусловливает существование упругих
напряжений. В результате последних происходят
деформации и, как следствие, смещение частиц
среды в направлении действия силы F.
Если в природном объекте частицы жестко связаны
между собой, то смещение одной частицы вызывает
смещение другой (принцип домино). Происходит
распространение упругой деформации с некоторой
скоростью.
В общем случае сейсмоволновое поле описывается
дифференциальным уравнением 2-го порядка:
, где
U – звуковой потенциал сейсмоволнового поля;
t – время;
V – скорость распространения продольной волны в
породе;
х – координата смещения частиц.
Волновое уравнение составлено на основе:
1) 2-го закона Ньютона:
F = a * m,
где F – сила действующая на массу m с
ускорением:
2) закона Гука: Px = E*ex, где Px –
приложенное напряжение, ex – деформация,
E – модуль упругости (модуль Юнга).
E = δ*V2, где δ – плотность.
Деформации, возникающие в природных
средах под действием механических напряжений,
вызывают различные по своей природе волны:
продольные (Р) и поперечные (S).
Р–волны – волны растяжения–сжатия.
S–волны – волны сдвига (колебания в плоскости,
перпендикулярной
к
направлению
распространения волны).
На свободной поверхности возникает особый
вид колебаний, называемый поверхностными
волнами (волны Релея и Лява).
Продольные (Р) и поперечные (S) волны
Волны Рэлея и Лява
При
изучении
распространения
сейсмических волн пользуются принципами
лучевого
приближения.
Гюйгенсом
и
Он
заключается
обоснован
в
том,
что
траектории лучей всюду перпендикулярны к
фронту волны. Следовательно, в однородной
среде эти лучи представляют собой прямые
линии,
а
искривлены.
в
неоднородной
среде
будут
Принцип Гюйгенса для нахождения плоского
волнового
фронта
в
однородной
(а)
и
неоднородной (б) средах
На основе принципов лучевого приближения
(геометрической сейсмики) можно получать графики
зависимости времени прихода волн t от расстояния х,
отсчитываемого от пункта возбуждения волн. Такие
графики называются годографами. Их строят для
основных групп волн, отличающихся по способу
распространения в среде. Это волны: 1) отраженные
(отразившиеся от границ между слоями с различной
акустической жесткостью), 2) преломлённые или
головные (образовавшиеся на границах между
низкоскоростным слоем сверху и высокоскоростным
слоем снизу), 3) рефрагированные (возникающие в
средах, где происходит увеличение скорости с
глубиной).
Годографы волн
Волны: 1 – отраженная, 2 – преломлённая, 3 – рефрагированная
Землетрясения и сейсмология. Акустика океана.
Сейсмоволновое поле Земли в отличие от
гравитационного,
магнитного,
теплового,
являющимися преимущественно стационарными,
относится к динамическим переменным полям,
причём полям неравномерно-пульсирующим. По
своей природе это поле близко к переменным
электромагнитным полям Земли. Поэтому правильно
говорить о пульсирующих сейсмоакустических полях.
Последние в сейсмометрии, как и в электрометрии,
разделяются на естественные, включая шумовые, и
искусственные.
Из естественных сейсмоволновых полей
наиболее частыми и значимыми являются
упругие поля землетрясений.
Под землетрясением понимают процесс, при
котором выделяется энергия в виде упругих
колебаний. Область локализации максимальной
энергии упругих колебаний называется очагом
землетрясения или его гипоцентром. Он
обозначается буквой G, а радиальная проекция
этого гипоцентра на поверхность Земли есть
эпицентр А.
Схема распространения упругих волн от очага
землетрясения (а) и направления смещений вблизи
очага (б)
От G расходятся продольные и поперечные волны, а от А
поверхностные волны Лява и Релея.
Зоны
землетрясений
распределены
по
земному шару неравномерно и приурочены к
активным региональным разломам или связаны
с резкой сменой физических показателей земной
коры и мантии. На таких границах образуются
объемные (отраженные и преломленные) и
обменные
(переход
продольной
поперечную и наоборот) волны.
волны
в
Различные по энергии землетрясения
оцениваются по показателю, называемому
магнитудой М.
, где
а и а0 – амплитуды колебаний: а – в точке
наблюдения, а0 – стандартная (отклонение в 1
мк на 100 км), Δ - эпицентральное расстояние.
После каждого землетрясения образуются
упругие волны с частотами f = 0,01 – 10 Гц.
Дальность распространения зависит от h,
интенсивности землетрясения, поглощающих
свойств среды.
Различают землетрясения:
а) Неглубокие. h
30-70 км. Причина
образование связана с разрядкой напряжений в
результате деформаций земной коры.
б) Промежуточные. h 70-300 км. Причина
образования, по всей видимости, связана с
перенапряжениями при перемещении блоков
земной коры.
в) Глубокие. h
300-700 км.. Причина
образования
связана
с
неустойчивым
состоянием вещества в астеносфере и
дифференциацией вещества в мантии Земли.
«Спусковым механизмом» практически для
всех
групп
землетрясений
является
пульсационная
активность
Солнца
(в
частности,
замечена
22-х
летняя
периодичность).
Количество землетрясений в год около 800
тыс. При сильных землетрясениях возникают
собственные колебания Земли, которая подобно
колоколу
излучает
сверхинфрачастотные
колебания с частотой менее 0,001 Гц. Поэтому
поле упругих (сейсмических) колебаний
существует в Земле практически постоянно.
При изучении сейсмоволнового поля Земли
главная задача состоит в прогнозировании
катастрофических землетрясений в сейсмоопасных
зонах. Важен также сейсмический мониторинг в
зонах, где возникают местные землетрясения.
Возбуждаемые землетрясениями поверхностные
волны играют большую роль в изучении
литосферы и верхней мантии Земли. Эти волны
характеризуются большими периодами колебаний
(от 30 до 300 с). Их скорости меньше скоростей
объемных поперечных волн, амплитуды колебаний
уменьшаются с глубиной по экспоненциальному
закону.
К шумовым полям относят две категории полей:
1) Поля деформационных процессов при извержении
вулканов, возникновении горных ударов в шахтах и
карьерах, а также обвалов, оползнеобрушений в горной
местности и по берегам водоемов и рек. Это шумовые
поля преимущественно звукового диапазона частот (10
Гц–10 кГц).
2) Поля деформаций земной коры вследствие
технологической деятельности. К ним относятся
участки разработки нефтегазовых, угольных и рудных
месторождений, а также территории мощных
вибрационных сооружений (ГЭС, ТЭЦ и др.). Более
мелкий порядок – это поля от вибраций на железных и
шоссейных дорогах, заводах и др. промышленных
объектах крупных городов.
Особое
значение
для
изучения
сейсмоволнового поля Земли имеют её
собственные колебания. Последние, как уже
выше подчеркивалось, возникают вследствие
землетрясений большой магнитуды.
Возбуждаемые колебания делят на два класса:
Крутильные – сдвиговые колебания, где
вектор смещения перпендикулярен к радиусу
Земли.
Сфероидальные – объемные пульсации, где
вектор смещения изменяется по радиусу в
различных азимутальных направлениях.
Крутильные колебания обозначаются буквой
Т. Они связаны только с твердой оболочкой
Земли.
Сфероидальные колебания обозначаются
буквой S. Они связаны с распределением зон
сжатия и расширения Земли и захватывают
весь объем планеты.
Совершенствование приборов и развитие
математического
аппарата
позволяет
исследовать
не
только
сферически
симметричную модель Земли, но и наличие в
ней неоднородностей.
Лекция 8. Краткая теория радиационного
поля и его изучение в радиометрии и
ядерной геофизике
Различают естественную и наведенную (искусственно
созданную) радиоактивность.
Естественная радиоактивность – это физикохимический
процесс
самопроизвольного
распада
неустойчивых
ядер
атомов,
подчиняющийся
определенному
статистическому
закону.
Процесс
сопровождается:




изменением строения, состава, энергией ядер;
испусканием квантов;
выделением радиогенного тепла;
ионизацией (превращением атомов и молекул в ионы)
газов, жидкостей и твердых тел.
Радиоактивному
распаду
подвергается
достаточно большое количество химических
элементов, в основном с порядковым номером в
таблице Менделеева большим 82. Известно
более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов
с различным числом нейтронов). Однако
основной
вклад
в
естественную
радиоактивность вносят три радиоактивных
элемента U (уран), Th (торий) и К (калий). Они
находятся в горных породах и других
природных объектах в виде изоморфных
примесей и самостоятельных минералов. Их
вклад следующий: К ≈ 60%, U ≈ 30%, Th ≈ 10%.
Интенсивность естественного γ-излучения
(Jγ) наибольшая у К и наименьшая у Th.
Излучение происходит при различных энергиях.
γ-излучение имеет наибольшее значение при
формировании естественной радиоактивности,
поскольку α- и β-частицы при взаимодействии с
веществом испытывают сильное кулоновское
взаимодействие и обладают очень малой
проникающей
способностью.
α-частицы,
например, задерживаются обычным листом
бумаги, β-частицы - тонкой свинцовой пленкой.
Спектр естественного -излучения
40К, 238U, 232Th



ЕК = 1,46 МэВ
ЕU = 1,76 МэВ
ЕTh = 2,42 МэВ
Закон радиоактивного распада выражается
формулой:
, где
dN – число распадающихся ядер из общего
количества N за время dt,
распада.
λ - постоянная
связана с другой единицей Т1/2 –
периодом полураспада соотношением:
Т1/2 = 0,693/λ.
Закон радиоактивного распада описывает
последовательное
превращение
одних
элементов
в
другие
и
заканчивается
образованием устойчивых нерадиоактивных
изотопов. Основными являются ряды U и Th.
Они включают до 15–18 изотопов. Конечный
продукт – радиогенный свинец.
Родоначальники радиоактивных семейств (U,
Th) относятся к долгоживущим элементом. У
них Т1/2 > 108лет. В состав семейств урана
входят радий (Ra) с Т1/2 = 1620 лет и
радиоактивный газ радон (Rn) с Т1/2 = 3,82
суток.
При распаде радиоактивных элементов в
радиоактивных рядах возникает состояние
радиоактивного равновесия:
Калий
(40К)
относится
к
одиночным
радионуклидам, у которых радиоактивный
распад
ограничивается
превращений.
одним
актом
Наведенная
(искусственная)
радиоактивность
преимущественно связана с гамма- и нейтронным
излучением.
-кванты – электронейтральные частицы, имеющие
более высокую проникающую способность, нежели
заряженные α- и β-частицы. Они представляют собой
поток электромагнитного излучения очень высокой
частоты (f > 1018 Гц). Проникающая способность квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров.
В природных объектах -излучение резко ослабляется
вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта,
образования
электрон-позитронных
пар.
Перечисленные процессы происходят при различных
энергиях.
Спектр многократно рассеянного
-излучения в горных породах
Нейтронное излучение – возникает при
ядерных
реакциях.
Нейтроны
являются
электронейтральными частицами и обладают,
наибольшей проникающей способностью из
всех видов излучений. Нейтроны возникают при
взаимодействии
α-частиц с ядрами легких
элементов (бериллий, бор и др.)
Нейтроны по энергетическому спектру (Е =
107–10-3 эВ) разделяются на группы: быстрые
промежуточные
медленные
резонансные
надтепловые тепловые холодные.
При
взаимодействии
природными
объектами
нейтронов
с
выделяются
по
времени два основных процесса:
1) замедление быстрых нейтронов (t < 10-2c);
2) диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c).
Оба процесса сопровождаются ядерными
реакциями n-n, n- и др. типов. Происходит
испускание и вновь образованных нейтронов и
-квантов (вторичное -излучение).
Характеристика радиационного поля Земли
Поле
ионизирующих
излучений
(поле
естественной радиоактивности) присуще
Земле, как космическому объекту. Его
проявление на поверхности Земли играет в
экологии большую роль.
Суммарное
радиационное
поле
Земли
складывается из:
1) космического излучения;
2) радиоактивного распада элементов земной
коры;
3) дегазации
вследствие
выхода
на
поверхность радиоактивных газов (радон Rn,
торон Tn).
В результате суммарного радиоактивного
излучения
на
дневной
поверхности
формируется радиационный фон. В этом фоне
доля космического излучения около 50% и
составляет 3-6 мкР. С увеличением высоты
космический радиационный фон возрастает в
среднем на 1,5 мкР на каждый километр
отметки рельефа местности. Остальная доля
радиационного
фона
приходится
на
естественную радиоактивность горных пород.
При этом радиоактивность этих пород
неодинакова.
Средними по радиоактивности считаются
породы, в которых кларковые содержание не
превышает 2,5 (2,5 г/т). Повышенная
радиоактивность обусловливается наличием
урана с образованием радиоактивных газов
(радона и торона). Тысячная доля содержания
урана в общей массе создает радиоактивность в
5 мкР/час. Радиоактивный фон повышается и в
участках земной коры, содержащих кроме урана
и тория калий, концентрация которого в земной
коре превышает более чем в 2000 раз
концентрацию тория и более чем в 10000 раз
концентрацию урана.
Наиболее
радиоактивными
породами
являются граниты, гнейсы, вулканические туфы,
фосфориты. Содержание урана и тория здесь
достигает до 100 кларков и более. Повышенная
радиоактивность
проявляется
и
в
зонах
тектонических нарушений, особенно в крупных
разломах. Это связано с эманированием радона.
Радиоактивность непосредственно в недрах
литосферы (в ее верхних слоях), а также на
более глубоких горизонтах зависит от
содержания в горных породах радиоактивных
элементов. Радиационный фон в шахтах
небольшой и преимущественно составляет 4-6
мкР/час. Это же относится к радиоактивности
природных вод и газов. В большинстве случаев
они не радиоактивны. Исключение составляют
подземные
воды
радиоактивных
месторождений, а также воды сульфатнобариевого и хлористо-кальциевого составов.
Техногенное ионизирующее излучение
Это излучение поступает в окружающую среду
от всевозможных искусственных источников. К
ним относится новообразованные радионуклиды
вследствие
реализации
промышленных
технологий
переработки
радиоактивных
веществ, складируемые отходы атомного
производства, внезапные аварии на атомных
объектах,
прежде
всего
на
атомных
электростанциях (АЭС).
Аварии на АЭС – самый опасный источник
техногенно-радиационного
всегда
присутствует
загрязнения,
сильно
т.к.
действующий
фактор внезапности. К примеру, после аварии
на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г.,
мощность дозы ионизирующего излучения в
пределах 10 – километровой зоны превысила
нормальный фон (24 мкР) в 2000 раз.
Воздействие радиационного поля на живые
организмы
Радиоактивность (ионизирующее излучение)
является как «раздражающим», так и
«поражающим» фактором.
«Раздражающее действие» связано с малыми
дозами облучения. К ним относится
естественный
радиационный
фон,
эффективная эквивалентная доза которого на
поверхности планеты варьирует от 2 до 20
мГр, т.е. 2000-20000 мкР.
Грей (Гр)- единица дозы радиоактивного
излучения в системе СИ. 1Гр = 1Р. В этом
диапазоне существовало и развивалось все
живое на планете.
Естественный фон в разных частях
поверхности Земли может различаться в 3-4
раза и более. Его наименьшие значения над
поверхностностью моря, а наибольшие на
больших высотах в горах, сложенных
гранитоидными породами.
«Поражающее действие» связано с дозами
облучения, превышающими нормальный фон.
При этом облучении начинают действовать
мутагенные
факторы.
млекопитающие
радиационному
Человек
весьма
и
другие
чувствительны
воздействию,
микроорганизмы достаточно устойчивы.
к
а
Семенные
растения
и
позвоночные
занимают промежуточное положение. При
мощности дозы более 4-16 мГр (4000 – 16000
мкР) происходит угнетение растительности.
Она становится восприимчивой к поражению
вредителями и болезнями.
В суммарном радиационном воздействии
доля искусственных источников составляет
22%. Из них более 20% приходится на
медицину
Лекция 9. Тепловое поле Земли и его
циклические изменения. Термодинамика
океана
Тепловое поле, равно как и другие физические
поля, связывают с материальной средой, в которой
возникают и взаимодействуют тепловые потоки.
Последние, воздействуя на материальные, в
частности природные объекты, определяют их
тепловой
режим,
обусловливая
деформацию
теплового
поля.
Есть
физический
смысл
характеризовать
тепловое
поле
посредством
параметров потенциала U и напряженности Е.
Однако, в результате сложившихся многолетних
представлений оперируют понятиями теплового
потока, геотермической ступени и др.
К тепловым свойством природных объектов
относятся теплопроводность λ (единица
измерения Вт/м*К) и теплоемкость С (единица
измереня Дж/кг*К) .
Земля, как природный объект, представляет
собой
тепловой
космический
модуль,
характеризующийся тепловым полем. Это поле
складывается из постоянного внутреннего поля
Земли (основное поле) и переменного
теплового поля, присущего земным оболочкам
(литосфере, гидросфере и атмосфере).
Тепловое поле Земли формируется под действием
следующих энергетических процессов:
 Солнечная энергия (получаемая и переизлучаемая
обратно);
 Геотермическая потеря теплоты;
 Энергия, теряющаяся при замедлении вращения
Земли;
 Упругая
энергия,
высвобождающаяся
при
землетрясениях.
 Одним из главных источников современной
тепловой
энергии
в
земной
коре
является
радиоактивный распад долгоживущих изотопов.
Источником
тепла
является
также
процесс
дифференциалами вещества мантии
Основной характеристикой теплового поля
Земли является поток теплоты через земную
поверхность, т.е. тепловой поток Q (единица
измерения Вт/м2). Параметр Q описывается
уравнением теплопроводности:
, где
λ - коэффициент теплопроводности (Вт/м*К);
- вертикальный градиент изменения
температуры (К/м).
Знак «-» указывает на убывание температуры.
По
геотермическим
и
косвенным
данным
(термальные воды, излияния раскалённых лав)
выделяют в земной толще термических зоны:
1) Приповерхностная (гелиометрическая). Толщина h =
0,03 км. Температура t зависит от солнечной радиации.
Имеет место ярко выраженный суточный, сезонный,
годовой и многовековой ход.
2) Нейтральная (слой постоянной температуры). Это
тонкий слой, который в зависимости от температурных
поясов находится на глубинах от 10 до 30-50 м.
3) Геотермическая. Это вся нижележащая толща
земной коры, мантия и земное ядро. Температура
определяется тепловыми источниками Земли.
Исходя из представлений,
что ядро состоит из железа,
проведены
расчеты
температуры плавления с
учетом давления. Согласно
расчетам t на границе
мантии и ядра должна быть
37000, а t внутреннего ядра –
50000. Температура внутри
Земли
интенсивно
возрастает до глубины 200
км, после чего ее рост с
глубиной замедляется.
Тепловое состояние Земли и закономерности
его изменения определяются:
1) энергией
космического
и
солнечного
излучения;
2) внутренним теплом земных оболочек.
В
связи
источники
с
этим
разделяют
внешние
внутренние (планетарные).
тепловые
(космические)
и
Внешние источники:
- солнечная радиация;
- излучение звезд;
- энергия метеоритов, падающих на Землю;
- гравитационное воздействие Луны и Солнца;
Внутренние источники:
- дифференциация вещества мантии;
- выделение радиационного тепла, вследствие
ядерных реакций;
- химические реакции;
- гидротермальные процессы.
На основании имеющихся измерений построена
карта распределения теплового потока на
поверхности
Земли.
Сделан
вывод,
что
закономерностей изменения теплового потока от
континентов к океанам не обнаруживается, притом,
что внутри континентальных и океанических
областей существует тесная корреляционная
зависимость Q и основных геологических структур.
На континентах Q характеризуется минимумами на
щитах, а максимумами в орогенных областях. В
океанах, в противоположность к материкам Qmin
имеет место на крыльях хребтов и в глубоководных
желобах.
Для
решения
ряда
теоретических
и
практических проблем, связанных с механизмом
преобразования
солнечной
энергии
в
географической оболочке Земли, определяется
так
называемый
тепловой
баланс
Земли.
Тепловой баланс (Т.Б.) обычно представляется в
виде уравнений, учитывающих все источники
поступления и расходования тепла. Первые
имеют знак плюс, а вторые – минус.
Наиболее полно к настоящему времени
исследован Т.Б. системы земля – атмосфера.
Расчеты Т.Б. обычно производят в условных
единицах.
Например,
если
количество
солнечной
радиации,
поступающей
на
верхнюю границу всей атмосферы принять за
100 усл. ед., то в результате получают, что из
этих 100 усл. ед. Земля, как планета, рассеивает
и отражает в мировое пространство 35 усл. ед.,
а остальные 65 усл. ед. поглощает.
Расчеты и наблюдения за температурой планеты
Земля в целом, земной поверхности и атмосферы в
отдельности, свидетельствуют о том, что температура
в них не претерпевает каких-либо изменений от года к
году, т.к. эти структуры находятся в тепловом
равновесии.
Источники получения тепла:
- поглощение солнечной радиации атмосферой и
земной поверхностью.
Потеря тепла:
- инфракрасное излучение земной поверхности в
мировое пространство;
- инфракрасная радиация, излучаемая атмосферой в
мировое пространство.
Уравнение Т.Б.: Приход = Расход.
При необходимости, составляющие Т.Б.
выражают не в условных, а в энергетических
единицах.
Если рассматривать Т.Б. отдельных широтных
зон, то исследования показывают, что поток
поглощаемой
атмосферой
и
земной
поверхностью солнечной радиации быстро
уменьшается от экватора к полюсу. Это связано
с уменьшением полуденной высоты Солнца от
экватора к полюсам..
Наряду с солнечной радиацией некоторую роль в
Т.Б. играет длинноволновая радиация атмосферы и
земной поверхности. Она убывает от экватора к
полюсам с меньшей интенсивность. Это приводит к
тому, что в тропических широтах создается избыток
тепла, а в полярных широтах его потеря. Вследствие
этого следует предполагать об избыточном притоке
тепла и его возрастании от года к году в
приэкваториальных зонах и постепенном понижении
тепла в умеренных и приполярных зонах. Но этого не
происходит, поскольку атмосфера является своего рода
тепловой машиной.
КПД
(коэффициент
полезного
действия)
«Атмосферы» прямо пропорционален разности
температур между «нагревателем» (экватором) и
«холодильником» (полюсами). По ориентировочным
оценкам он (КПД атмосферы) равен 2%. Это значит,
что эти 2% поглощаемых Землей солнечной радиации
превращюется в кинетическую энергию ветра.
Перенос тепла от экватора к полюсам осуществляют в
основном циклоны и антициклоны, притом, что из
количества избыточного тепла переносится 90%.
Остальные 10% переносятся водой.
Морские течения – это своего рода водяное
отопление планеты Земля. Теплые течения
обогревают высокоширотные области, а
холодные – охлаждают жаркие тропические
области.
Таким образом, атмосферная циркуляция и
морские
течения
стремятся
выровнять
температуру между экватором и полюсами, а
солнечная радиация, наоборот, увеличить её
(температуру). Оба процесса очень изменчивы,
поэтому
равновесие
между
ними
пульсирующее. Изменение их длительности
вызывает изменение климата планеты Земля.
Следует специально отметить, что в
атмосфере «работают» и «тепловые машины»
второго
рода,
которые
возникают
(обусловливаются) контрастом температур
между океанами и сушей. (В отличие от суши
океаны обладают огромной теплоемкостью и их
нагрев, и охлаждение более медленные).
Тепловые машины второго рода работают по
циклам зима–лето. То есть зимой океаны
«нагреватели», а континенты «холодильники»,
летом наоборот.
Движение воздуха, вызываемое тепловыми
машинами 2-го рода, осуществляется в форме
муссонов. Последние представляют собой
преобладающие ветры, дующие у поверхности
Земли зимой с материка на океан, а летом – с
океана на материк. Тепловые машины 2-го рода
по мере приближения к океану смягчают
земную стужу и уменьшают летнюю жару, а по
мере приближения к материкам климат
становится более континентальным.
Общая характеристика температурного (теплового)
поля Земли складывается из температурного режима
её недр и поверхности вследствие превращения в
тепловую энергию других видов энергии (солнечной,
радиоактивного
распада,
вулканической
деятельности, гравитационного сжатия, приливного
трения и др.). Природа и мощность источников тепла,
механизм его переноса через горные породы
определяется тепловым потоком Q.
На
больших
глубинах
передача
тепла
осуществляется за счет излучения нагретого вещества
недр и конвекции. Ближе к поверхности наряду с
конвекцией при переносе тепла влияет молекулярная
теплопроводность.
Наряду с региональным тепловым потоком из недр
существуют локальные тепловые потоки (циркуляция
подземных вод, влияние многолетнемёрзлых пород и
др.). К локальным тепловым потокам следует относятся
и техногенные источники теплового загрязнения
(горячие цеха, подземные газоходы и теплотрассы,
сбросы горячих
технологических вод и др.).
Концентрация техногенных тепловых источников
приводит к формированию тепловых куполов.
В целом, техногенные температурные поля
охватывают своим влиянием примерно 5-10 % всей
территории суши. В соответствии с этим определенным
образом «изменяют свой ритм» тепловые машины 2-го
рода.
Лекция 10. Методы полевой (наземной),
скважинной и шахтной (исследований во
внутренних точках среды) геофизики
В разведочной геофизике выделяются
следующие основные разделы:
магниторазведка, гравиразведка,
электроразведка, сейсморазведка,
радиометрия, геофизические методы
исследования скважин (ГИС).
Последние (методы ГИС) подразделяются на:
 электрические;
 сейсмоакустические;
 радиоактивные.
Геофизические методы измерения во внутренних
точках геологической среды охватывают только
верхние слои земной коры. Самая глубокая «Кольская
скважина» пересекает толщу, превышающую 13 км.
Нефтегазовые скважины имеют глубины порядка 3-6
км. Самые глубокие шахты сооружены на глубинах, не
превышающих 1500-1600 м.
По способам применения геофизические методы
измерения во внутренних точках геологической среды
подразделяются на:
1) скважинные
–
геофизические
исследования
скважин (ГИС);
2) шахтные – методы подземной геофизики
(скважинные и шахтные).
1. Методы ГИС
Разновидностей методов и способов ГИС
большое количество (более 100). Эти методы
основаны
на
использовании
всех
геофизических полей. Преимущественное
значение
имеют
электромагнитное,
сейсмоволновое, радиационное и тепловое.
Гравитационные и магнитометрические
измерения
имеют
ограниченное
использование.
Техника производства ГИС предусматривает спускоподъемные
операции в скважинах.
С помощью методов ГИС
изучается деформация того
или иного поля в
зависимости от физических
свойств геологических
образований, которые
пересекают скважину, т.е.
ГИС – методы
геофизического
профилирования по стволу
скважины, которая и
является профилем
наблюдения.
Сопоставление каротажных кривых бокового
каротажа (БК) в угольной скважине с
антрацитовыми пластами
1 – уголь; 2 – углистый сланец; 3 – аргиллит; 4 – алевролит; 5 – песчаник; 6 – известняк
Скважинная геофизика предусматривает изучение объема
геологического пространства по схеме:
а) «скважина – скважина»; б) «скважина – дневная
поверхность»; в) «скважина – шахта»
По результатам скажинных или шахтных измерений с помощью
специальных
комплексных
программ
получают
томографические изображения (изучение непрозрачных
объектов).
В шахтной геофизике, в отличие от методов ГИС,
профили геофизических наблюдений ориентируются
по простиранию полезного ископаемого, то есть
профилями наблюдений являются подготовительные
горные выработки, из которых ведется извлечение
полезного ископаемого. Классический пример –
угольные и рудные шахты. Измерения можно также
выполнять по веерной томографической сетке,
используя сейсмоакустические и электромагнитные
(включая радиоволновые) поля.
В шахтных и в скважинных условиях можно
выполнять
измерения
состояния
естественных
геофизических полей Земли. Эти исследования
относятся к мониторинговым. В этих целях или
бурятся специальные скважины, или же специально
оборудуются участки горных выработок.
В скважины помещаются специально созданные
гравиметры,
магнитометры,
термометры,
сейсмоакустические датчики и т.д. Измерения
выполняются в режиме текущего времени, т.е. на
постоянно «пишущих» радиоэлектронных приборах
(шлейфовые
осциллографы,
цифровые
регистрирующие модули и др.)
Лекция 11. Методы аэро- и аквагеофизики
Дистанционные методы (ДМ) – это комплекс
исследований физических полей Земли, выполняемых
приборами, находящихся на космических и
воздушных носителях. С помощью ДМ можно
получать
информацию
о
строении
земной
поверхности,
верхней
части
литосферы,
происходящих в них процессах.
ДМ в зависимости от дистанционных носителей
разделены на аэрокосмические (приборы установлены
на космических аппаратах) и аэрогеофизические
(приборы установлены на воздушных суднах).
Аэрокосмические методы:





Космофотосъемка (КФС);
Телевизионная съемка (ТС);
Инфракрасная съемка (ИК);
Радиотепловая съемка (РТ);
Радиолокационная съемка (РЛ) и др.
Аэрогеофизические методы:





Аэромагнитная съемка;
Аэрогравиметровая съемка;
Аэроэлектрометрическая съемка;
Аэрорадиометрическая съемка;
Аэротепловая съемка.
Важнейшей особенностью дистанционных
съемок является возможность различной
степени генерализации объектов и изменения
обзорности (ширины полосы исследований),
которые зависят:
1) от высоты орбиты космического носителя (от
180 до 1000 км) или летательного аппарата (от
500 до 10000 м);
2) от типа аппаратуры и ее разрешающей
способности, масштаба съемки.
В большинстве случаев, чем больше
генерализация, тем меньше разрешение на
местности.
1. Краткие сведения об аэрокосмических съемках.
Это космофотосъемка (КФС) и аэрофотосъемка (АФС).
Они разделяются на съемки в видимом и невидимом
диапазоне частот, в первом случае при длинах волн =
0,35-12,5 мкм, а во втором – при длинах волн =1,5-14
мкм.
Физической основой фотосъемки в видимом
диапазоне частот является изучение отраженного
электромагнитного излучения по электромагнитным и
тепловым свойствам. Используются фотоматериалы,
позволяющие производить съемку в различных
диапазонах светового спектра частот. Разрешающая
способность КФС от 30 до 2 м.
Физической
основой
фотосъемок
в
невидимом диапазоне частот, как и в видимом
диапазоне, является изучение отраженного
электромагнитного излучения от природных и
техногенных объектов, но в более низком
частотном диапазоне. Это преимущественно
инфракрасное излучение, которое как носитель
информации близко к световому изображению.
Длины волн
>1 мкм. Приборы для
производства инфракрасных съемок получаем
название тепловизоров.
При частотах порядка 300 МГц ( < 1 м) фотосъемки
в невидимом диапазоне частот получили название
радиолокационных
(радарных).
Характер
изображения здесь определяется шероховатостью
растительного покрова, микрорельефом и рельефом.
Радиолокационные
съемки
позволяют
обнаруживать разрывные нарушения, определять
состав пород, картировать участки развития и
деградации мерзлоты. В условиях высокого
сопротивления зондирование радиолокационными
съемками может осуществляться на глубину в
несколько десятков метров.
Ультрафиолетовая
и
лазерная
съемки
используются
для
контроля
загрязняющих
компонентов приземных частот атмосферы, оценки
воздействия
промышленных
объектов
на
окружающую среду. Датчиками являются лазерные
сенсоры (лидары). Лидары способны обнаруживать
отдельные атомы загрязняющих веществ.
Лидарные станции насчитывают помимо видимого
канала, каналы ультрафиолетового и инфракрасного
излучения. Канал ультрафиолетового излучения
предназначен для контроля загрязняющих газов SO2,
NO2, O3, а канал ИК для контроля загрязняющих газов
NH3, C2H4 и O3.
Симметричное дипольное
зондирование
Вертикальные установки
аквальных зондирований
Вертикальное сейсмопрофилирование
Лекция 12 Геофизический мониторинг
опасных техногенных процессов на
урбанизированных территориях





Антропогенно-техногенное геохимическое загрязнение
окружающей среды образуется за счет:
захоронений радиоактивных отходов, а также последствий аварий и
катастроф на ядерных объектах;
отвалов горных пород вблизи шахт, рудников, называемых хвостохранилищами, где складируются продукты после обработки полезных
руд;
отходов крупных промышленных и строительных предприятий и
городских агломераций (свалок);
утечек нефтепродуктов на нефтегазовых промыслах и нефтеперегонных заводах, из трубопроводов, вблизи станций, перекачивающих
нефть и газ, нефтехранилищ, складов горюче-смазочных материалов,
бензоколонок и т. п.;
сельскохозяйственной деятельности (разрыхления и засоления почв,
растворения удобрений и ядохимикатов) и других источников.