Тема 1.3. Другие геофизические методы
Гравиметрия является обширной областью геофизики. Гравитационное поле Земли отражает характер распределения масс в недрах нашей планеты и тесно связано с формой Земли. Прикладное значение гравиметрии велико. С одной стороны, гравиметрия связана с формой Земли, и, таким образом, с топографией. С другой стороны, гравитационное поле определяет внешнюю баллистику Земли, значение которой в космический век не требует комментариев.
О том, что Земля шарообразна, догадывались еще в глубокой древности, а первое определение радиуса Земли было выполнено ученым из Александрии Эратосфеном примерно в 235 г. до н. э. Однако, естественно, гравиметрия как наука не могла развиваться, пока не был открыт закон всемирного тяготения. Ньютон на основе этого закона доказал, что из- за вращения Земли ее фигура должна быть не сферой а эллипсоидом вращения. Следовательно, Земля сплющена у полюсов и растянута в экваториальной зоне. Ньютон впервые вычислил сжатие Земли
Где а- экваториальный радиус,в - полярный радиус планеты. Число, которое он получил , γ =1/230 ,было весьма неточным. Современное значение сжатия Земли определено с большой точностью и равно 1/298,25.
Вывод Ньютона о сжатии Земли оспаривался многими учеными (в т. ч. Кассини), но на основании проведенных Французской академией наук градусных измерений было доказано, что фигура Земли представляет собой сплюснутый сфероид с полярной осью, примерно на 20км меньшей экваториальной оси.
Современная гравиметрия ведет свое начало от работы французского математика Клеро «Теория фигуры Земли, основанная на началах гидростатики (1743 г.)». Основываясь на законе всемирного тяготения, Клеро доказал, что ускорение силы тяжести на поверхности земного сфероида как функция широты изменяется по простому закону
Где
- широта места,ge
- ускорение силы тяжести на экваторе,β=
g2–γ - сжатие,
- отношение центробежной силы к силе
тяжести на экваторе,w
- угловая скорость вращения Земли,а
- ее большая полуось. Теорема Клеро
позволяет определить сжатие планеты,
достаточно определить гравитационное
поле на ее поверхности.
Дальнейшее развитие гравиметрии было связано с трудами английского физика Стокса и советского геофизика Молоденского.
Геомагнетизм - одна из старейших и обширнейших геофизических дисциплин.
Магнитные поля широко распространены во Вселенной. Они существуют у звезд, в космическом пространстве; имеется магнитное поле у Солнца и у планет Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В последнее время получены данные о наличии магнитного поля у планет Уран и Нептун.
Современные теории геомагнетизма исходят из предположения, что магнитное поле Земли создается и поддерживается за счет так называемого динамо- механизма, т. е. создание магнитного поля в ядре Земли происходит так же, как и в динамо- машине с самовозбуждением.
Жидкое земное ядро совсем не похоже на реальную динамо-машину. Однако если в жидком ядре по каким-либо причинам возникает тепловая или гравитационная конвекция, то образуется система гидродинамических течений. При высокой проводимости вещества и его сложных перемещениях появляются токи индукционной природы.
Эти электрические токи создают вторичные магнитные поля. При вращении Земли и наличии слабого межпланетного магнитного поля происходит усиление электрических токов за счет наложения магнитных полей. Это, в свою очередь, приведет к усилению результирующего магнитного поля и т. д. Процесс будет повторяться до тех пор, пока не возникнет стационарное магнитное поле и различные динамические процессы не уравновесят друг друга. Таков в общих чертах механизм образования магнитного поля Земли.
При решении ряда геологических задач применяют методы электроразведки, основанные на изучении как полей естественных, так и искусственных электромагнитных полей.
К естественным полям относятся электрические постоянные или слабо меняющиеся во времени поля, создаваемые природными электронными проводниками электрохимического, фильтрационного, диффузионного и термофильтрационного происхождения, имеющие обычно локальное распространение. К естественным полям относятся также переменные электромагнитные поля Земли космического и атмосферного происхождения, так называемые магнитнотеллурические поля, имеющие региональное распространение.
Большинсво методов электроразведки базируется на изучении электрических и магнитных полей, возбуждаемых искусственно создаваемых полем (гальваническим, индуктивным и смешанным способом).
В условиях, когда геологические объекты выходят на дневную поверхность или вскрыты горными выработками, информацию о них получают путем визуальных геологических наблюдений. Если такой возможности нет, решение задач достигается геофизическими методами разведки.
К достоинствам геофизических методов, обеспечивающим их внедрение относятся:
получение информации об объектах, залегающих на глубине;
возможность изучения геологических объектов, перекрытых наносами, экранами;
объективность информации о физических полях, создаваемых геологическими объектами;
относительно низкая стоимость и высокая производительность.
Основой геофизических методов разведки является то, что геологические объекты и окружающие их породы, имея различные физические свойства, или сами создают вокруг себя в пространстве физические поля, отличающиеся от полей окружающей среды, или неодинаково реагируют на разнообразные физические воздействия.
Классификацию геофизических методов проводят от природы и типа измеряемого физического поля. К естественным полям Земли относят: магнитное, гравитационное, электрическое, электромагнитное, сейсмическое, поле ядерных излучений и термическое.
К основным методам разведочной геофизики относят магнито-, гравии-электро-, сейсморазведку, а также радиометрию и ядерную геофизику.