Введение в геофизику. Гравитационное и магнитное поля
1. Предмет физики Земли. Геофизические поля
Геофизика - учение о физических явлениях на Земле. Предмет геофизики - изучение оболочек Земли, к которым относятся:
1. Литосфера, представленная твердыми геологическими образованиями (магматические, метаморфические и осадочные породы);
2. Гидросфера - воды океанов, морей, рек, озер и других поверхностных источников и подземные воды;
3. Атмосфера - воздушная оболочка.
В понятие входит исследование, и анализ различных физических полей и явлений с помощью специальных приборов и устройств. 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.
Специальное направление геофизики - изучение внутреннего строения Земли, её взаимоотношение с окружающими космическими телами, история развития.
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 аппарата, включая математическую физику.
Связь геофизики с другими естественными науками можно отобразить схемой:
Наибольший интерес для геофизики представляет литосфера, которая изучается общей геофизикой, называемой физикой Земли и разведочной геофизикой.
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. Её связь с науками, относящимися к изучению гидросферы и атмосферы можно отобразить схематически:
В геофизике изучаются физические поля:
· гравитационное поле;
· магнитное поле;
· электроволновое (электромагнитное) поле;
· сейсмоволновое (поле упругих колебаний или сейсмоакустическое);
· тепловое поле;
· радиационное поле;
В соответствии с этим, разделы общей и разведочной геофизики носят название гравиметрия - гравиразведка, геоэлектрика - электроразведка и т. д.
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 взаимодействие гравитационных и магнитных тел, приводящих к возникновению гравитационных и магнитных полей. 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 показателями (или физическими свойствами). Это плотность, электропроводность, магнитная восприимчивость и др.
Физические свойства выражаются в их способности создавать геофизические поля. Основные свойства следующие:
Плотность () -показатель, характеризующий соотношение массы и занимаемой ею объема. Единица измерения г/см3 или кг/м2. Используется в гравиметрии.
Магнитная восприимчивость (к) -показатель, характеризующий способность природных объектов намагничиваться под действием магнитного поля. Единица измерения 10-5 ед. СИ. Используется в магнитометрии.
Удельная электропроводность (уэ) - 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 м/сек. Используется в сейсмометрии.
Естественная радиоактивность (Jг) - показатель, характеризующий способность природных объектов излучать б, в и г частицы, приводящие к радиоактивному распаду. Единица измерения Беккерель (Бк) - 1 распад в сек. Используется в радиометрии.
Теплопроводность (л) - 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 в соответствии с исползуемыми полями приведены в таблице 1.
Таблица 1 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 - изучение силы тяжести с целью распределения природных масс по их особенностям в тех или иных геосферах. |
Гравиразведка - совокупность методов для выявления и изучения геологических тел на основе их отличия по плотности. |
|
2.Магнитное |
Магнитометрия - учение о магнитном поле Земли и вариациях земного магнетизма. |
Магниторазведка - совокупность методов и способов выявления и изучения геологических объектов на основе их отличия по магнитной восприимчивости. |
|
3.Электроволновое |
Электрометрия - учение об электрическом поле Земли, электромагнитных явлениях, электрохимических и электрокинетических процессах в её недрах. |
Электроразведка - совокупность методов и способов выявления и изучения геологических тел на основе их отличия по удельному электрическому сопротивлению, поляризуемости и диэлектрической проницаемости. |
|
4.Сейсмоволновое |
Сейсмометрия - учение о сейсмоволновом поле Земли вследствие механических воздействий типа землетрясений, извержения вулканов, падению метеоритов. |
Сейсморазведка - совокупность методов и способов выявления и изучения геологических тел на основе их способности распространять, отражать и преломлять упругие волны, а также их интерферировать и дифрагировать. |
|
5.Тепловое |
Теплометрия - учение о тепловом поле Земли и особенности его распределения в оболочках. |
Термическая разведка - совокупность методов и способов выявления и изучения геологич. тел на основе их отличия по теплопроводности и теплоёмкости. |
|
6.Радиационное |
Радиометрия - учение о радиационном поле Земли вследствие распада радиоактивных элементов земной коры. |
Ядерная разведка - совокупность методов и способов выявления и изучения радиоактивных руд, а также решение ряда геологических и геоэкологических задач. |
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.
Форма Земли близка к сферической. Ёе существование и атмосферы на ней обусловлены гравитационным полем.
О происхождении Земли существуют космогонические представления. 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 Земли определяется радиологическими и изотопными методами и оценивается в 4,55 - 4,61 млрд. лет. С помощью этих методов создана в абсолютных летоисчислениях геохронологическая шкала. Для фанерозоя наиболее подходит калий-аргоновый метод, а для криптозоя (докембрий)- уран-свинцовый и рубидий-стронциевый методы. В основу метода определения абсолютного возраста 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,
л - 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 обобщенно 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.
Методы геофизических исследований
Это способы получения качественной и количественной информации о Земле с помощью специальных приборов, предназначенных для измерения тех или иных характеров геофизических полей или физико-химических процессов в её оболочках.
Различают две группы методов:
I. группа - методы изучения физико-геологических свойств геосфер, т.е. их статистических характеристик.
II. Группа - методы изучения геофизических полей, величин и явлений, т.е. динамических (мониторинговых) характеристик.
Конечный результат 1-ой группы методов - получение количественных показателей материальных объектов, а 2-ой группы методов - получение сведений о состоянии геофизических полей и их изменении в пространстве и времени.
И 1-ая и 2-ая группы методов предусматривают, применение одних и тех же приборов, классифицируется по видам физических полей и особенностям проведения (в воздухе, в водной среде, на дневной поверхности, в скважинах и шахтах).
Аппаратура для изучения геофизических характеристик в скважинах
Наземная сейсморазведочная аппаратура
Наземная электроразведочная аппаратура
Методы 1-ой группы - это полевые методы зондирования и профилирования на основе сейсмических, электромагнитных и др. полей. Сюда же относятся лабораторные методы.
Методы 2-ой группы - это методы стационарных (мониторинговых) и экспедиционных наблюдений. Они также включают физическое и математическое моделирование, а также теоретический анализ.
Внутреннее строение Земли
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 волны объёмные (продольные - Vp, поперечные = Vs) и поверхностные (Релея - вертикально-поляризуемые колебания и Лява - горизонтально-поляризуемые колебания).
Vp- волны сжатия - растяжения, распространяются в любой среде и выражаются формулой:
,
где kcж. - коэффициент сжатия; мсдв. - модуль сдвига; д - 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.
кремнистые породы д = 2,9-3,3 г/см3
ультраосновные и полиморфные породы
д = 3,5-4,3 г/см3
плотные окислы (MgO, SiO) д = 5,5-10 г/см3
жидкие металлы (Fe, Ni, Si) д = 10-12 г/см3
твёрдые металлы д = 13-14 г/см3
В модели на основании данных сейсмометрии выделяются две главные поверхности, делящие недра Земли на 3 слоя: 1) кора, 2) мантия, 3) ядро.
1-ый раздел - поверхность Мохоровичича (Мохо), глубина 5-60 км., где Vp возрастает скачком от 4-5 до 8 км/с.
2-ой раздел - граница мантии и ядра на глубине 2900км (поперечные волны исчезают). Следовательно, внешнее ядро находится в жидком состоянии.
Графики распространения Vp, Vs и внутри Земли следующие:
Второстепенные поверхности: 1) поверхность Конрада, которая разделяет гранитный и базальтовый слои на материковой коре; 2) слой астеносферы в верхней мантии, где вещество находится в частично расплавленном состоянии. Мощность слоя 200-300 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. Однако фигура Земли не может быть достаточно точно аппроксимирована 3-х осным сфероидом (эллипсоидом), т. к. уровенная поверхность испытывает местные возмущения под действием притяжения физических неоднородностей, а также в силу топографического рельефа местности. 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.
На материках форма геоида носит название возмущенной формы.
Учение о форме геоида составляет предмет высшей геодезии.
В то же время следует отметить, что 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. При этом 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.