2.2. Гравітаційне поле

Гравітаційне поле (поле сили тяжіння), природа якого і сьогодні залишається для вчених загадкою, є дуже важливим життєвим фактором, тому що завдяки йому на Землі утримується гідросфера, атмосфера, та й літосфера. Гравітаційне поле Землі характеризується складністю структури і просторовою мінливістю, що визначаються особливостями густинного розрізу, взаємним розташуванням і розмірами гравітуючих тіл на фоні загального планетарного поля сили тяжіння.

Вимірюваними параметрами гравітаційного поля (поля сили тяжіння) є прискорення, що для стислості називають "силою тяжіння" (g). Величина g визначається в основному прискоренням вільного падіння тіл за рахунок ньютонівського притягання й у меншому ступені прискоренням відцентрової сили обертання Землі. Цими двома факторами визначається так зване "нормальне поле сили тяжіння". Внаслідок нерівномірності розподілу щільності гірських порід, що складають земну кору, і речовини верхньої мантії з'являється аномальне поле сили тяжіння. Таким чином, повне значення сили тяжіння складається з нормальних і аномальних полів. Якщо шляхом розрахунків виділити аномальне поле, то воно визначається лише щільнісною неоднорідністю Землі в районі вимірів g.

Нормальні значення прискорення сили тяжіння змінюються в межах від 9,78 м/с² на екваторі до 9,83 м/с² на полюсах. У гравіметрії за одиницю виміру сили тяжіння приймається міллігал (мГал): 1 мГал = 10^-3 Гал = 10^-5 м/с². Гравітаційні аномалії, що мають геологічну природу, досягають (3—30)10^-4 м/с². Часові варіації, обумовлені приливним впливом космічних тіл, і в першу чергу Місяця і Сонця, що призводить до періодичних змін висоти земної поверхні, а також до повільного перерозподілу гравітуючих мас усередині земної кулі, можуть складати 3,410^-4 м/с², а можлива величина вікових змін сили тяжіння протягом року — менш 1,010^-4 м/с².

Зміни сили тяжіння на поверхні літосфери, що обумовлені інженерною діяльністю людини: вилучення з надр Землі значної кількості викопної сировини, штучне зниження чи підвищення рівня підземних вод, створення великих водоймищ, будівництво великих міських агломерацій, порівнянні з часовими варіаціями. Сила тяжіння може мінятися при протіканні екологічно значимих геологічних процесів, таких, наприклад, як сейсмотектонічні переміщення, обвальні явища, оповзні карстопроявлення, процеси, пов'язані з просіданням земної поверхні, переробкою берегів великих водоймищ і т.п.

У практиці гравіметрії частіше виміряються не абсолютні (g), а відносні значення (чи приріст) прискорення сили тяжіння стосовно якого-небудь опорного пункту (g). Для цього застосовуються різного роду гравіметри.

Точність вимірів різними типами гравіметрів на суші складає 0,01—0,5 мГал, на морі й у повітрі — 1 мГал.

Спеціальними прийомами глобального вивчення поля сили тяжіння є альтиметричні спостереження, що дозволяють за допомогою визначення орбіт супутників (форм і висоти) розраховувати аномальні гравітаційні поля і вивчати їх динаміку.

2.3. Геомагнітне поле

На відміну від гравітаційного, магнітне поле Землі (геомагнітне поле) у значно більшому ступені залежить від будови і властивостей літосфери, оскільки багато джерел магнітного поля, що вносять свій внесок у загальне геомагнітне поле, розташовуються саме в літосфері до глибин 100 км. Історія формування літосфери самим тісним образом зв'язана з магнітними властивостями порід, з магнітним полем Землі. Земля являє собою гігантський магнітний диполь, поле якого виявляється на поверхні планети і виходить далеко в навколоземний простір, створюючи в такий спосіб магнітосферу.

Походження магнітного паля Землі намагаються пояснити різними причинами, зв'язаними з внутрішньою будовою Землі. Найбільш достовірною і прийнятною гіпотезою, що пояснює магнетизм Землі, є гіпотеза вихрових струмів у ядрі. Вона заснована на тому встановленому геофізичним шляхом факті, що на глибині 2900 км під мантією (оболонкою) Землі знаходиться "рідке" ядро з високою електричною провідністю. Завдяки так званому гіромагнітному ефекту й обертанню Землі могло виникнути дуже слабке магнітне поле. Наявність вільних електронів у ядрі й обертання Землі в такому слабому магнітному полі призвело до індукування в ядрі вихрових струмів, що створюють (регенерують) магнітне поле, як це відбувається в динамо-машинах. Збільшення магнітного поля Землі приводить до нового збільшення вихрових струмів у ядрі, що, у свою чергу, викликає збільшення магнітного поля. Процес подібної регенерації продовжується доти, поки розсіювання енергії унаслідок в'язкості ядра і його електричного опору не компенсується додатковою енергією вихрових струмів і інших сил.

Гірські породи, що складають літосферу, володіючи різними магнітними властивостями, намагнічуються і отримують під впливом домінуючого магнітного поля планети індукований магнетизм. Тому, магнітне поле, що спостерігається на земній поверхні чи поблизу її, обумовлене сукупним впливом безлічі джерел, що розташовуються в об’ємі літосфери, особливо залізорудних тіл і гірських порід, магнітні властивості ін.

Основними параметрами геомагнітного поля є повний вектор магнітного поля Тн і його складові по вісях координат: вертикальна (Z) і повна горизонтальна (Н). Значення параметрів магнітного поля Землі залежать насамперед від намагніченості всієї Землі як космічного тіла, близького за формою до намагніченої сфери (нормальне поле).

На фоні нормального геомагнітного поля виділяються аномалії, зумовлені різними причинами. В одних випадках причиною виникнення аномалій є різка неоднорідність магнітних властивостей літосфери чи великі скупчення в її верхніх частинах залізних руд. Аномалії подібного роду, називаються материковими і регіональними, можуть удвічі перевищувати нормальне поле. В інших випадках аномалії геомагнітного поля виникають як наслідок різної інтенсивності намагнічення геологічних об'єктів, обумовленої розходженням магнітних властивостей порід і напруженості магнітного поля Землі в даний час і в минулі геологічні епохи (локальні аномальні поля).

Магнітне поле Землі піддається повільним змінам, так званим віковим варіаціям. Крім таких "повільних варіацій" спостерігаються більш стиснуті в часі (до декількох годин чи двох-трьох доби) зміни геомагнітного поля — магнітні бурі. Під час проходження магнітних бур зміна магнітного поля може складати кілька відсотків від нормального поля.

Вимірюваним параметром магнітного поля є повний вектор магнітної індукції (чи щільність магнітного потоку) Т = Тн, де Тн — напруженість магнітного поля у вакуумі, — магнітна проникність середовища, що показує, у скільки разів магнітне поле в даному середовищі більше, ніж у вакуумі. Одиниця магнітної індукції в системі СІ — тесла (Тл); більш дрібні одиниці — мікротесла (мкТл), рівна 10^-6 Тл, і нанотесла (нТл), рівна 10^-9 Тл.

На магнітних полюсах Землі вертикальні складові магнітної індукції геомагнітного поля приблизно рівні ±60 мкТл (горизонтальна дорівнює нулю), на екваторі горизонтальна складова приблизно дорівнює 30 мкТл (вертикальна дорівнює нулю).

Прилади для вивчення магнітного поля (магнітометри) вимірюють або відносні значення, тобто збільшення названих параметрів поля (Т, Z, Н) стосовно якого-небудь опорного пункту, чи їхні абсолютні значення (Т, Z, Н) з похибками 0,01—1 нТл.