Раздел 3. Геофизические поля Земли Тема 3.1. Свойства геофизических полей Земли

Физические свойства Земли имеют важное значение как для теоретического значения геофизических процессов (образование рельефа, землетря­сений вулканизма и т. д.), так и для решения практических задач (поиск и разведка полезных ископаемых и т. д.)

а) Поле силы тяжести или гравитационное поле влияет практически на все процессы и явления, происходящие в окружающей среде: формирование, разрушение рельефа, течение рек, движение ледников, на развитие органиче­ской жизни человека и т.д.

Как уже ранее было отмечено, сила тяжести есть равнодействующая 2-ух сил: силы земного притяжения (пренебрегая силой притяжения других космических тел) и центробежной силы, связанной с вращением земли: q=F+ Р. Сила земного притяжения равна:F=KxM/R2, где М - масса, землиR- радиус земли, К - гравитационная постоянная.

Поскольку полярный радиус на 21,4км меньше экваториального, то сила притяжения уменьшается к Экватору.

Центробежная сила равна: Р = Rw², гдеw- угловая скорость вращения земли; радиус вращения точки на поверхности земли. Поскольку величина «R» увеличивается к экватору, то и центробежная сила «мах» на экватореw= 2π : 86164 (длит. суток в сек.).

Таким образом, сила тяжести «q» по направлению к экватору уменьша­ется как за счет уменьшения силы земного притяжения (F), так и за счет уве­личения центробежной силы (Р). Хотя основной вклад в зависимость силы тяжести от широты вносит сила земного притяжения, т. к. она примерно в 288 раз больше центробежной силы.

Между тем в действительности строгая зависимость величин «q» от широты нередко нарушается, особенно в районах со сложным рельефом и имеющих особенности геологического строения. Выявлено, например, что величина «q» повышена над более плотными породами. Поэтому в геофизике используются как результаты теоретических расчетов силы тяжести в любой точке, так и фактическое её значение, измеренное прибором. При этом раз­ность между фактической и теоретической «q» может быть отрицательной и положительной, что соответствует положительной или отрицательной ано­малии поля силы тяжести. По знаку аномалии геологи определяют возмож­ные месторождения полезных ископаемых. Раздел геофизики, посвященный изучению поля силы тяжести, называется гравиметрией.

б) Земля обладает не только гравитационным, но и магнитным полем, т.к. является огромным природным магнитом. Оказывается, что магнит­ные полюса не совпадают с географическими, поэтому углы между осью вращения земли и магнитной осью составляет 11,5°.Однако сами магнитные полюса и угол между осями меняется во времени. Например, сейчас северный магнитный полюс находится в Канадском арктическом архипелаге (п-ов Бутия, 72°с.ш., 96°в.д.) Южный магнитный полюс в Антарктиде 70°ю.ш. 150°в.д. Северный магнитный полюс продвигается ежегодно на 20,5м к севе­ру и в 2185году достигнет северного географического полюса. Южный маг­нитный полюс передвигается еще быстрее на 30м ежегодно к Австралии.

Таким образом, широко используемый для ориентирования самолётов, судов и др. объектов метод по магнитному компасу не является точным по отношению к географическим координатам. Его приходится корректировать, учитывая несовпадения географической и магнитной сетки координат. Для этого определяется угол между географическим и магнитным меридианами, который называется магнитным склонением.

Помимо горизонтального угла - магнитного склонения, учитывается и вертикальный угол между магнитной стрелкой, двигающейся по вертикали и плоскостью горизонта - магнитное наклонение. На магнитном экваторе она равна нулю, а на полюсах -90°,т.е.магнитное наклонение является своего рода «магнитной широтой», характеризующей положение точки относительно магнитного экватора.

Помимо склонения и наклонения используют и 3-ью характеристику - напряжение магнитного поля. Все вместе эти три параметра являются элементами земного магнетизма.

На практике используются карты земного магнетизма. Карта изогонов с изолиниями магнитного склонения позволяют корректировать токарты с введением поправок к показаниям компаса. Линия нулевой изогоны на карте называется агонической линией, которая делит земной шар на 2-а полушария (с восточным и западным склонением). К области западного полушария относится Атлантика, Западная Европа, Африка, восточная часть Америки. К области восточного склонения - Тихий океан, Восточная Европа, Азия, Ав­стралия и др. районы). Интересно, что Восточная Сибирь относится к запад­ному склонению.

Используются на практике и карты магнитного наклонения с изолиниями - изоклинами, а также карты напряженности магнитного поля с изо­линиями - изодинамами. Все названные карты из-за чрезвычайной времен­ной изменчивости магнитного поля земли подлежат корректировке (измене­нию) через каждые 5лет.

В некоторых местах земной коры элементы земного магнетизма имеют отклонения от нормы, которые называются аномалиями. Встречаются как локальные аномалии, обусловленные близким залеганием руд (Курская маг­нитная аномалия), так и геоаномалии (Восточно-Сибирская, Арктическая и др.), связанные с глубинными особенностями земной коры.

Магнитное поле земли распространяется не только на поверхность земли, но и на атмосферу. Причем это поле меняется во времени, обнаруживая вековые, годовые и суточные колебания поля. Причем, если короткопериодные колебания связывают с активностью солнца, то природа длинннопериодных полос неясна.

Геологи установили, что, во-первых, магнитное поле Земли существовало уже 3,5 млрд лет назад, а во-вторых — что за эти годы оно много раз меняло свою полярность на противоположную.

Магнитное попе Земли устроено примерно так же, как если бы внутри планеты находился мощный прямоугольный магнит в виде бруска, помещенный в центр Земли под небольшим углом к оси ее вращения.

В состоянии магнитного поля Земли в течение ее истории современные ученые выделяют 4 эпохи: Гилберта, Гаусса, Матуяма и современную эпоху Брюнес. В пределах одной и той же эпохи направление магнитного поля нашей планеты оставалось одинаковым, но на короткие отрезки времени все же меняло свое направление на противоположное. В соответствии с этим внутри эпох выделяют «эпизоды». Каждому эпизоду соответствует направление магнитного поля, обратное направлению в предыдущем эпизоде. Направление, преобладающее по времени в пределах данной эпохи обозначено в левой части таблицы рис.4.

Электропроводность земных недр определяется по затуханию геомагнитных вариаций, которые возбуждаются солнечной активностью в верхних слоях земной атмосферы

Переменный электромагнитный сигнал индуцирует в Земле в переменные электрические токи. При распространении переменного тока в проводнике ток течет в приповерхностных слоях, причем, чем выше частота, тем сильнее ток «прижимается» к поверхности. Это явление называется скин-эффектом. Электромагнитное зондирование Земли и определение её электропроводности как функции глубины основано на теории скин-эффекта. При скин-эффекте чем меньше частота сигнала, тем более глубокие слои могут быть прозондированы.

Геофизические методы позволили определить распределение электропроводности до глубины 1000 км.

На основании изучения естественных и искусственных электромагнитных полей, возникающих в земной коре под воздействием источников посто­янного и переменного тока разработан электрический метод разведки. Ре­зультаты этого метода позволяют судить о распределении в земной коре по­род с различной электропроводностью. Например, большинство минералов, особенно если они представлены чистыми кристаллами, практически явля­ются изоляторами. Сухие горные породы почти всегда имеют высокое со­противление. Сопротивление влажных пород, как правило, низкое.

Некоторые руды и породы обладают высокой проводимостью в сухом состоянии.

Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть её отражается обратно в мировое про­странство. Количество получаемого и отраженного тепла неодинаково для различных широт.

Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуры данной местности. Глубина рас­положения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20-30 м.

Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли. Установлено, что в шахтах, скважинах происходит постоянное увеличение температуры с глубиной.

зали значительную изменчивость теплового потока в различных структурных зонах.

Одним из источников внутренней тепловой энергии является радио­генное тепло, связанное с распадом долгоживущих радиоактивных элементов U238,235,К40,Rb87и др.

Вторым источником тепла предполагается гравитационная дифференциация вещества, зарождающаяся после некоторого разогрева на уровне яд­ра.

Дополнительным источником может быть приливное трение, возни­кающее при замедленном вращении Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и реже с Солнцем.

По данным Жаркова геотермический коэффициент близ поверхности Земли оценивается в 20°С на 1 км. На глубине 100 км. Температура тогда должна быть 3000 или 2000°С однако, в связи с тем, что на этих глубинах зарождаются магматические очаги, температура не должна превышать 1300-1500° С. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн.

По предположениям ряда ученых на глубине 400км. температура должна быть 1600 +, - 50°С, температура в ядре Земли - 4000-5000° С.

Изменение термического поля Земли и поля ядерных излучений горных пород изучается преимущественно в скважинах, так как они замаскиро­ваны на поверхности Земли мощными тепловыми помехами, а поле ядерных излучений имеет практически незначительный радиус действия.