1 Федеральное агентство по образованию Федеральное
реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Факультет «Геолого-географический» Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры геоэкологии и прикладной геохимии ЮФУ Протокол № «____» ___________ 2009 г. УТВЕРЖДАЮ Декан факультета (зам. декана по учебной работе) Зав. кафедрой________________ «____»_______________2009 г. _________________________________ КУРС ЛЕКЦИЙ учебной дисциплины «ГЕОФИЗИКА» по специальности 020804 «Геоэкология» Составитель: проф. Н.Е.Фоменко Ростов-на-Дону 2010 2 АННОТАЦИЯ Материал, изложенный в курсе лекций, состоит из четырех модулей и включает все разделы, относящиеся к геофизике, как науке, занимающейся фундаментальными и прикладными исследованиями Земли. В лекциях рассмотрены физические поля, деформация которых в земной коре обусловливает геофизические аномалии над геологическими объектами. На этом основаны геофизические методы, служащие инструментом проведения научно-исследовательских и производственных геологических работ. Курс лекций по дисциплина «Геофизика»: читается студентам-специалистам 2-го курса в вариативной (профильной) части циклов по специальности 020804 «Геоэкология», имеет федеральный элективный статус в основной образовательной программе (ООП), требует остаточных знаний дисциплин базовой части (физики, общей геологии, математики, химии, информатики, иностранного языка) и вариативной части (экономики, правовых основ и менежмента в сфере недропользования), дает слушателям профессиональную компетенцию о: 1) естественных и искусственно созданных в земной коре геофизических полях (гравитационном, магнитном, электромагнитном, сейсмоволновом, тепловом, радиационном), 2) способах и методах наблюдений геофизических полей. 3 СОДЕРЖАНИЕ Стр. Введение .................................................................................................................... Модуль 1 Введение в геофизику. Гравитационное и магнитное поля .......... Введение в геофизику. Предмет физики Земли. Геофизические поля ...................... Краткая теория гравитационного поля и его изучение в гравиметрии и гравиразведке ........................................................................................................................... Краткая теория геомагнитного поля и его изучение в магнитометрии и магниторазведке .................................................................................................. Модуль 2 Электромагнитное и сейсмоволновое поля...................................... Электромагнитные поля Земли и их изучение в электрометрии и электроразведке Постоянные естественное и искусственное электрические поля.............................. Переменные гармонически изменяющееся, неустановившееся и магнитотеллурическое электромагнитные поля ..................................................... Краткая теория сейсмоволнового поля и его изучение в сейсмометрии и сейсморазведке .................................................................................................... Землетрясения и сейсмология. Акустика океана .................................................... Модуль 3 Радиационное и тепловое поля .......................................................... Краткая теория радиационного поля и его изучение в радиометрии и ядерной геофизике............................................................................................................ Тепловое поле Земли и его циклические изменения. Термодинамика океана ........... Модуль 4 Геофизические методы решения геоэкологических задач ............ Методы полевой (наземной), скважинной и шахтной (исследований во внутренних точках среды) геофизики ...................................................................................... Методы аэро- и аквагеофизики ............................................................................. Геофизический мониторинг опасных техногенных процессов на урбанизированных территориях ........................................................................................................ 4 ВВЕДЕНИЕ За время возникновения и становления науки геофизики для её познания составлено несколько десятков монографий, учебников, учебных пособий и методических руководств. При составлении настоящего курса лекций автор руководствовался программой УМО учебно-методического комплекса, рекомендуемой для классических университетов по специальности 020804 «Геоэкология». В основу положены конспекты-рукописи, составленные на материале многочисленной учебной и специальной литературы. Дисциплина геофизика, конспективно изложенная в предлагаемом курсе лекций, призвана акцентировать внимание студентов на различных физических моделях окружающего мира, вооружить их знаниями и умением применять законы физики для объяснения сложнейших физических и геологических процессов, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли. Кроме того, этот курс необходим для развития естественнонаучного мышления, успешного усвоения последующих общегеографических и геоэкологических специальных курсов, применения специалистами-геоэкологами полученных знаний в научной и практической деятельности. Тематика лекций посвящена рассмотрению процессов распределения физических полей Земли, эволюции ее внутреннего строения, проблеме взаимодействия различных оболочек Земли. Нет сомнений, что Земля в прошлом имела иное строение. Деятельность вулканов, землетрясения с очагами на глубине сотен километров, движение земной коры как в наше время, так и в глубоком геологическом прошлом — все свидетельствует об активной жизни нашей планеты, изменении экологической обстановки. Отличительная особенность курса лекций –одинаковое структурирование всех разделов, начиная с понятия того или иного геофизического поля и далее объяснения физико-геологических протекающих в оболочках Земли. Такое изложение, по мнению автора, способствует более глубокому усвоению достаточно сложной и емкой дисциплины, какой является геофизика. 5 МОДУЛЬ 1 Введение в геофизику. Гравитационное и магнитное поля Комплексная цель Получение слушателями системы знаний о геофизике, как науке, занимающейся фундаментальными и прикладными исследованиями Земли, ее гравитационным и магнитным полями для возможной дальнейшей работы в государственных и коммерческих структурах при проведении научноисследовательских и производственных работ, геологического, географического и геоэкологического профиля. Содержание модуля. Тема: Введение в геофизику. 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. 6 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: Физика Астрономи я Математик а География Геофизика Электрони ка Геология Автоматика Геохимия 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: 7 Общая геофизика Гидросфера Атмосфера Физика земли Океанология, лимнология, гидрология, гляциология Физические, химические, механические процессы в коре, мантии и ядре Аэрономия, литология, климатология 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 существованию радиационного взаимодействие гравитационных и распад, частично и магнитных приводящий теплового тел, полей, приводящих к или к возникновению гравитационных и магнитных полей. Основная особенность физических полей – это их деформация под действием тех или иных материальных объектов, в частности геологических тел. 8 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 существованию показателями объекты, взаимодействие геофизических (или полей, физическими которых приводит характеризуются свойствами). к физическими 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 –показатель, (κ) 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 9 деформации под действием механических воздействий (напряжений). Единица измерения м/сек. Используется в сейсмометрии. 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 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 Раздел разведочной Геофизическое Раздел общей геофизики (прикладной) геофизики поле 1 1.Гравитационное 2 3 Гравиметрия - изучение силы Гравиразведка - совокупность тяжести с целью распределения методов для выявления и изучения природных масс по их геологических тел на основе их особенностям в тех или иных отличия по плотности. геосферах. 10 2.Магнитное Магнитометрия - учение о Магниторазведка магнитном поле Земли и вариациях совокупность методов и способов выявления и изучения земного магнетизма. геологических объектов на основе их отличия по магнитной восприимчивости. 1 2 3.Электроволновое Электрометрия 3 об Электроразведка - совокупность - учение электрическом поле Земли, электромагнитных явлениях, электрохимических и электрокинетических процессах в её недрах. методов и способов выявления и изучения геологических тел на основе их отличия по удельному электрическому сопротивлению, поляризуемости и диэлектрической проницаемости. 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. 4.Сейсмоволновое Сейсмометрия 5.Тепловое Теплометрия - учение о тепловом Термическая 6.Радиационное учение о сейсмоволновом поле Земли вследствие механических воздействий типа землетрясений, извержения вулканов, падению метеоритов. разведка - поле Земли и особенности его совокупность методов и способов распределения в оболочках. выявления и изучения геологич. тел на основе их отличия по теплопроводности и теплоёмкости. Радиометрия учение о Ядерная разведка радиационном поле Земли совокупность методов и способов вследствие распада радиоактивных выявления и изучения элементов земной коры. 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. 11 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: Nt N0 exp t , 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: Т1 / 2 0,693 . 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. 12 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. 13 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 14 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. 15 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: Vp kсж. 1,33 сдв. / , где kcж. – коэффициент сжатия; μсдв. - модуль сдвига; δ - плотность. Vs – волны сдвига, распространяются только в твёрдой среде, поэтому их формула: Vs kсж. / ; 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 δ = 2,9–3,3 г/см3 ультраосновные и полиморфные породы 16 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 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: 17 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 ( ): ab a , где а - экваториальный радиус, в – полярный радиус, 1 . 298,25 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 18 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. Тема: Краткая теория гравитационного поля и его изучение в гравиметрии и гравиразведке Основные определения Гравитационное поле Земли – это материальная среда взаимодействия механических состоянием (физических) фигуры Земли. масс, Для определяемая понимания общим механическим физического смысла гравитационного поля вводится понятие силы тяжести, как равнодействие сил притяжения Земли и центробежной, в силу вращения. 19 В основе физического взаимодействия масс лежит закон всемирного тяготения Ньютона: F f m1 * m2 r2 1 , где m1 и m2 – механические массы; r – расстояние между массами; f – гравитационная постоянная, равная 6,67*10-8 см3/г*с2, в системе СИ = 6,67*10-11 м3/кг*с2. 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: g f M r2 ( 2) , 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. 2 g h в атмосфере: R gh =g , где h – высота, R – радиус Земли. R h 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: Т=2 l , g где Т- период колебания маятника, h – 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. 20 Изостазия Неоднородность внешней оболочки Земли, обусловленная наличием суши и океанов – одна из главных её плотностных особенностей. В силу этого, 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. 21 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). 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. Следует отметить, что, 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. В частности, 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. 22 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. Плотность этого подкорового слоя = 3,3 г/см3, а базальтового слоя = 2,9 г/см3. Таким образом, существует прямая связь региональных гравитационных аномалий с мощностью земной коры. Эти исследования составляют второй уровень детальности в гравиметрии. Третий уровень детальности связан непосредственно с гравиметрическими съёмками (наблюдениями) с целью изучения локальных геологических объектов, в частности месторождений полезных ископаемых. Здесь все измерения приводятся к редукции 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. Структура гравитационного поля здесь разная. 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 «гранитырапакиви». Вариации силы тяжести 23 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 направлении являются морские приливы. Под влиянием сил притяжения в большей 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. Тема: 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-орбитальными моментами носителей магнетизма (электронов, протонов и др.) 24 Магнитное поле является одной из форм электромагнитного поля. Его основные параметры: потенциал U, напряжённость H и магнитная индукция B . Связь напряжённости магнитного поля с магнитной индукцией определяется через магнитную проницаемость (μ) природных объектов. B *H В этом уравнении показатель магнитной проницаемости μ 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 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. Наиболее достоверная из них заключается в том, что во внешнем ядре, состоящем из расплавленного металла железо-никелево состава, имеет место циркуляция электрических токов, вернее термотоков. Они инициируются струями расплавленного металла, которые текут из ядра к поверхности. Возникает эффект гидромагнитного динамо. 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 (с точностью до 25%) можно представить намагниченного шара. Математические выражения следующие: как поле 25 M T 3 1 3 sin 2 ; M – магнитный момент шара; r 2M Z 3 * sin ; r M H 3 * cos ; r T Z – расстояние от центра шара до точки наблюдения; - магнитная широта. - полный вектор напряженности, а Z и H его вертикальная и горизонтальная составляющие. Вместе с углами J (магнитное наклонение) и D (магнитное склонение) векторы T , Z , H называют элементами геомагнитного поля. 2 T Z H tgJ 2 Z H Формирование магнитного поля Земли Под действием магнитного поля Земли и его взаимодействия с потоками заряженных частиц космического происхождения (солнечным ветром) формируется магнитосфера. Ее исследования показали, что 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 электромагнитные возмущения. мгновенно распространяются любые 26 Форма деформации магнитосферы может быть представлена схемой. Структурная характеристика магнитного поля 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, Последние поскольку характеризуют оно обусловлено медленные «вековыми» изменения вариациями. геомагнитного поля. Изменения происходят по закону синуса-конуса. Осредненная кривая имеет период 8000 лет. 27 Процесс изменения среднегодовых значений элементов земного магнетизма, называется вековым ходом. Он в разных точках земной поверхности не одинаков по амплитуде и по времени (в меньшей степени). Главная особенность – различная продолжительность периодов Т. Изменения кривой 2-го 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. 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. 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, 28 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, климатические и биологические изменения на планете. Регулярности в инверсиях не обнаружено. Частота «прыгает» от длительных к частым периодам. 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 целом геомагнитное поле не является однородным. В иных частях, особенно на материках оно резко дифференцировано. В связи с этим различают материковые, региональные и локальные аномалии. Две разновидности последних – предмет изучения магниторазведки с целью поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Т.е. это 2-ой и 3-ий уровень изучения геомагнитного поля, а первым занимается магнитометрия. 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. Вихревые токи – это солнечный ветер, т.е. поток заряженных частиц. В этот поток магнитное поле Земли (когда его солнечный ветер «достигает») проникнуть не может. Единственными «щелями» являются воронки у полюсов, где вихревые токи сложным образом концентрируются по поверхности Земли. 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 29 помощью специальных приборов. Это обычные микровольтметры с непрерывной цифровой или магнитной записью. К квазипериодическим колебаниям относят годовые, солнечно-суточные, лунно-суточные и короткопериодные. Наиболее значительные из них солнечносуточные. 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 поражены ультрафиолетовой частью солнечного излучения и инициируются ветрами, дующими от экватора к полюсам. Обозначаются магнитные вариации буквой греческого алфавита - δ. Многолетний суточный ход составляющих геомагнитного поля следующий: Солнечно-суточные вариации (Sd) зависят от времени года и географической широты. Фазы колебаний и по широте и по времени года практически не изменяются, а меняются 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. На магнитных картах это не точка, а кружок. Лунно-суточные вариации (L) имеют полусуточный характер (Т = 12 ч. 25 мин. 14 сек.). Кривые характеризуются двумя максимумами и двумя минимумами. (Правильная двойная волна). Амплитуды колебаний составляют 30 10-15% от Sd. Т.е. если для Sd они равны (Н = 1,6 – 2,4*10-2А/м и Z = 0,4 – 1,6 2 А/м), то для L они равны ( H Z 0,08 *10 А / м ). Короткопериодные вариации (КПК) имеют период Т 0,1 – 102 сек. Это магнитные пульсации в виде затухающих синусоид. Их обнаружено большое количество типов, различающихся по форме, периоду и амплитуде. Наиболее частый период Т = 60–180 с. КПК неодинаковы в платформенных и геосинклинальных областях. 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. 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), точнее магнитной индукции ( ), или относительные значения . Под относительными понимаются приращения той или иной составляющей поля в любой точке наблюдения по отношению одного исходного пункта. При снятии отсчетов записывается время (t). Полевая съемка отличается высокой производительностью: отряд из двух человек отрабатывает от нескольких десятков до двухсот точек в день. 31 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. Для учета вариаций и сползания нуль-пункта прибора перед началом рабочего дня и после его окончания делается специальный залет на опорный (контрольный) маршрут длиной до 10 км. Все рабочие маршруты "привязываются" к контрольным маршрутам. Гидромагнитная съемка в океанах, морях и на озерах ведется как на специальных судах, так и попутно на кораблях любого назначения. Для исключения влияния металлического корпуса судна применяются специальные приемы, а датчик поля буксируется за ним 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. Проектное задание модуля 1 1) Дать определение геофизики, как фундаментальной и прикладной науки. 2) Объяснить сущность возникновения естественных и создания искусственных геофизических полей. 32 3) Рассказать о природе и видах геофизических полей, их связи с внутренним строением Земли. 4) Охарактеризовать содержание полного цикла геофизических исследований. 5) Объяснить тенденции изменения геофизических параметров. 6) Дать толкование Земному сфероиду. 7) Составить картину нормального гравитационного поля и объяснить необходимость его учета при анализе аномального поля. 8) Написать реферат о принципах «работы» гравиметров. 9) Описать сущность и природу магнитных аномалий. 10) Объяснить инверсию геомагнитных полюсов. 11) Составить реферат о формировании магнитного поля Земли.. 12) Объяснить принцип действия современной магниторазведочной аппаратуры. Тесты рубежного контроля модуля 1 (отдельные приложения) Литература к модулю 1 Основная: 1. Мишон В.М. Основы геофизики: Учебник. - Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 1993. – С. 7-56, 82-125. 2. Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е. Общая и экологическая геофизика. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2005. С. – 3-20, 60-96. 3. Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. – С. 9-13, 20-26, 42-49. 4. Тяпкин К.Ф. Физика Земли: Учебник. – К.: Вища шк., 1988. – С. – 28-34, 44-63, 113147. Дополнительная: 1. Богословский В.А., Жигалин А.Д., Хмелевской В.К. Экологическая геофизика: Учеб. Пособие. – М.: Изд-во МГУ, 2000. – С. 3-27. 2. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики: Учеб. для вузов /Под редакцией В.А.Богословского. – М.: Недра, 1990. - С. 4-26. 3. Орленок В.В. Основы геофизики: Учебное пособие. – Калининград, 2000. – С. – 6-85, 88-134, 180-202. 4. Геофизические методы исследования. (Под редакцией В.К.Хмелевского). Учебное пособие. – М.: Недра, 1988. – С. 10-16, 43-54. МОДУЛЬ 2 Электромагнитное и сейсмоволновое поля Комплексная цель Получение слушателями системы знаний об электромагнитном и сейсмоволновом полях Земли, методах и средствах их изучения для возможной дальнейшей работы в государственных и коммерческих структурах при проведении научно-исследовательских и производственных работ, геологического, географического и геоэкологического профиля. Содержание модуля. 33 Тема: Электромагнитные поля Земли и их изучение в электрометрии и электроразведке Электромагнитное поле – материальная среда, в которой элементарные заряженные частицы под действием упорядоченного движения, например в радиационных поясах, создают электрический ток (ток проводимости). Одновременно индуцируется электромагнитная индукция, что приводит к появлению токов смещения. Таким образом, 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, ионов) проводимости. С электромагнитной частью поля (переменного магнитного поля) связывают поля преобладания токов смещения. Электропроводящие среды наиболее благоприятны для протекания токов проводимости, а диэлектрики - для токов смещения. Электропроводимость среды оценивается через показатели удельной электрической проводимости (электропроводности) и диэлектрической проницаемости. σэ - удельная электропроводность, ед. изм. – Сим/м ε - диэлектрическая проницаемость, ед. изм. – отн. ед. Основные параметры электромагнитного поля E , H - напряженность электрического и магнитного полей, а также D, B - электрическая и магнитная индукция. Эти параметры связаны с материальными электрическими показателями материальной среды, т. е. с электрическими свойствами σэ и ε следующими соотношениями: D * E ; B * H ; э * E Во всех оболочках Земли, включая атмосферу, гидросферу, литосферу, всевозможные кинетические процессы, включая электрохимические и электродинамические, приводят к возникновению и циркуляции вихревых 34 токов. Последние вызывают электромагнитную индукцию. Далее процесс веерообразно развивается, что предопределяет существование неуправляемых электрических и электромагнитных полей Земли, которые различаются по своей интенсивности и источникам. Электромагнитные поля Земли преимущественно естественного происхождения. К ним относятся магнито-теллурические поля (за счет вариаций КПК), поля грозовой активности, электродинамические поля за счет геодинамических, в том числе акустических процессов. Отдельной группой полей следует считать электромагнитные поля техногенного происхождения, к ним относятся поля дальних-ближних радиостанций, теле- и радиокоммуникаций, линий ЛЭП, переизлучений от всевозможных трубопроводов и т.д. Наконец, в верхней части литосферы возникают естественные постоянные электрические поля вследствие электрохимических и электрофизических процессов. Тема: Постоянные естественное и искусственное электрические поля Естественные постоянные электрические поля возникают и постоянно существуют в земной коре, вследствие электрохимических и электрофизических процессов, в результате которых на границах разделов геологических (природных) сред возникают двойные электрические слои. Различают: 1) Поля электрохимической активности возникающие при контакте металлических руд или металлизированных технических вмещающими породами при активном воздействии природных вод. объектов с 35 2) Поля фильтрационной активности, которые обусловлены движением подземных вод (возникают потенциалы течения). Эти поля наиболее интенсивно проявляются на склонах гор и оврагов, на берегах и в руслах рек. 3) Поля диффузионные, образуемые 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: 36 E g 11,6 lg 2 , 1 где ρ1,ρ2 - УЭС контактируемых растворов. Атмосферное электричество – электростатическое поле Земли Это поле представляется в виде гигантского конденсатора, проводящими обкладками которого являются земная поверхность и слой ионосферы. При этом ионосфера имеет положительный заряд, а литосфера + гидросфера – отрицательный. Разность потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли составляет 300 кВ. 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. 37 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. Схема глобальной электрической цепи, заряжаемой грозами 38 Генераторы 2-го порядка – извержения вулканов и пылевые бури, снежные метели, промышленные выбросы. Тема: Переменные гармонически изменяющееся, неустановившееся и магнитотеллурическое электромагнитные поля Магнито-теллурическое поле. Сигналы КПК (короткопериодные колебания) имеют период Т = 1-100 сек и более. Их можно наблюдать во времени в виде иррегулярных колебаний параметров поля E и H . Параметр H измеряется магнитометром, параметр E - микровольтметром. Отношение Ех к Ну имеют название импеданса Z и зависит от удельного электрического сопротивления слоев горных пород, то есть Z f . Чем больше Т, тем меньше частота и тем глубже поле проникает в Землю. На этом основан метод МТЗ (магнито- теллурическое зондирование). С помощью этого метода удалось установить изменение ρ в нормальном геоэлектрическом разрезе в интервале глубин от 30 до 300 км. 39 Особенности увеличением с глубинных глубиной геоэлектрических температуры и разрезов давления. обусловлены 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 глубину залегания поверхности Мохоровичича. Разрез земной коры и верхней мантии разбит на серию чередующихся по электропроводимости вертикальных блоков. Размеры этих блоков значительно больше по вертикали и менее значительны по горизонтали. Эти 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. 40 Электромагнитное поле грозовых разрядов. Это 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. Шумовая составляющая поля существует постоянно, но ее уровень плавно изменяется во времени. Электромагнитное поле наведенных и естественных шумов 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 41 (естественное импульсное электромагнитное поле Земли). Они особенно интенсивно проявляется в зонах тектонических разломов, карстовых зонах, областях пород с повышенными сейсмоэлектрическими свойствами. Тема: 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 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: 2 2U 2 U V , где (1) t2 x2 U – звуковой потенциал сейсмоволнового поля; t – время; V – скорость распространения продольной волны в породе; х – координата смещения частиц. Волновое уравнение (1) составлено (выводится) на основе: 1) 2-го закона Ньютона: F = a * m, где F – сила действующая на массу m с ускорением 2U a t2 2) закона Гука: Px = E * ex, где Px – приложенное напряжение, ex – деформация, E – модуль упругости (модуль Юнга). 42 E = *V 2 , где - плотность. Для полного определения распространения упругих колебаний в среде необходимо знать начальные и граничные условия. 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). При изучении распространения сейсмических волн пользуются принципами лучевого приближения. Он обоснован Гюйгенсом и заключается в том, что траектории лучей всюду перпендикулярны к фронту волны. 43 Следовательно, в однородной среде эти лучи представляют собой прямые линии, а в неоднородной среде будут искривлены. 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, которая является произведением плотности на значение скорости распространения упругих волн в той или иной среде), 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 перечисленных групп волн имеют следующий вид. Годографы волн: 1 – отраженной; 2 – преломлённой; 3 – рефрагированной. Тема: Землетрясения и сейсмология. Акустика океана Сейсмоволновое поле Земли в отличие от гравитационного, магнитного, теплового, являющимися преимущественно стационарными, относится к динамическим переменным пульсирующим. По своей полям, природе причём это поле полям близко неравномернок переменным электромагнитным полям Земли. Поэтому правильно говорить о пульсирующих 44 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. 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 параметров земной коры и мантии. На таких границах образуются объемные (отраженные и преломленные) и обменные (переход продольной волны в поперечную и наоборот) волны. Различные по энергии землетрясения оцениваются по показателю, называемому магнитудой М. a M log , где a 0 а и а0 – амплитуды колебаний: а – в точке наблюдения, а0 – стандартная (отклонение в 1 мк на 100 км), - эпицентральное расстояние. 45 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» для перечисленных 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. Изучение этого поля дает богатую информацию для геофизических экологических исследований. Главная задача – прогнозирование катастрофических землетрясений в сейсмоопасных зонах. Важен также сейсмический мониторинг в зонах глубинных разломов земной коры, 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: 46 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. Шумовые поля создают сейсмическую загрязненность на территориях городских и поселковых агломераций, которую требуется изучать и учитывать при решении геодинамических и экологических задач. Особое значение для изучения сейсмоволнового поля Земли имеют ее 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. Проектное задание раздела 47 Тесты рубежного контроля раздела Литература к разделу МОДУЛЬ 3 Радиационное и тепловое поля Тема: Краткая теория радиационного поля и его изучение в радиометрии и ядерной геофизике 1. Краткая теория и общие сведения о радиоактивности Различают естественную и наведенную (искусственно созданную) радиоактивность. Естественная радиоактивность – это физико-химический процесс самопроизвольного распада неустойчивых ядер атомов, подчиняющийся определенному статистическому закону. Процесс сопровождается: 1) изменением строения, состава, энергией ядер; 2) испусканием , частиц, квантов; 3) выделением радиогенного тепла; 4) 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 235 (уран), 232 Th (торий) и 40 U, 238 U 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 J у этих элементов наибольшая у К и наименьшая у Th. Излучение происходит у них при различных энергиях. Следует отметить, 48 что γ-излучение имеет наибольшее значение при формировании естественной радиоактивности, поскольку α-, 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. ЕК = 1,46 МэВ ЕU = 1,76 МэВ ЕTh = 2,42 МэВ Закон радиоактивного распада выражается формулой: dN * N , где dt dN – число распадающихся ядер из общего количества N за время dt, постоянная распада. связана с другой единицей Т1/2 – периодом полураспада соотношением: Т1/2 = 0,693 . 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. 49 При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия: 1 N1 2 N 2 ....n N n Калий ( 40 К) относится к одиночным радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений. Наведенная (искусственная) радиоактивность преимущественно связана с гамма- и нейтронным излучением. -кванты – электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженные α-, 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, в том числе в горных породах, -излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях. 50 Главное значение имеет комптон-эффект. В этом диапазоне энергий интенсивность рассеянного гамма-излучения (J) зависит от плотности среды. Чем больше плотность, тем меньше J. 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 нейтронов с природными объектами 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). 2. 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 222 Rn, торон 232 Tn). В результате 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 51 радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород. При этом радиоактивность этих пород неодинакова. Средними (нормальными) по радиоактивности считаются природные объекты, в которых кларковые содержание радиоактивность не превышает обусловливается 2,5 наличием (2,5 урана г/т). с Повышенная соответствующим 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 сульфатно-бариевого и хлористо-кальциевого составов. 3. Техногенное ионизирующее 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). 52 Аварии на АЭС – самый опасный источник техногенно-радиационного загрязнения, т.к. всегда присутствует сильно 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. 4. 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. Его годовая эффективная эквивалентная доза, фиксируемая 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. Человек и другие млекопитающие весьма чувствительны к радиационному воздействию, а микроорганизмы достаточно устойчивы. 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. Проектное задание раздела Тесты рубежного контроля раздела Литература к разделу 53 Тема: 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: 1) Солнечная энергия (получаемая и переизлучаемая обратно); 2) Геотермическая потеря теплоты; 3) Энергия, теряющаяся при замедлении вращения Земли; 4) 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: 54 t , где Q Z λ - коэффициент теплопроводности (Вт/м*К); t - вертикальный градиент изменения температуры (К/м). Z Знак «-» указывает на убывание температуры. Зональность земных недр по распределению теплового потока, изучена недостаточно в силу отсутствия инструментов проникновения вглубь геосфер. По геотермическим и косвенным данным (термальные воды, излияния раскалённых лав) выделяют в земной толще три характерных 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 постоянной (слой среднегодовой постоянной температуры). температуры, который Это в тонкий зависимости слой 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. 55 Тепловое состояние Земли и закономерности его изменения определяются: 1) энергией космического и солнечного излучения; 2) внутренним теплом земных оболочек. В связи с этим разделяют тепловые источники внешние (космические) и внутренние (планетарные). 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. Натурные измерения теплового потока на поверхности Земли выполнены не равномерно. Мало измерений получено в Южной Америке, Африке, Антарктиде. На основании имеющихся измерений построена карта 56 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 Q min 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. 57 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. 58 Следует дополнительно 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. Т.е. 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 многолетнемерзлых пород и др.). К локальным тепловым потокам следует отнести и тепловые потоки от температурных техногенных полей. К ним относятся источники теплового загрязнения (горячие цеха, подземные газоходы и теплотрассы, сбросы горячих технологических вод и др.). Концентрация техногенных тепловых источников, в частности под городами и поселками, приводит к формированию тепловых куполов. 59 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. Проектное задание раздела Тесты рубежного контроля раздела Литература к разделу МОДУЛЬ 4 Геофизические методы решения геоэкологических задач Тема: Методы полевой (наземной), скважинной и шахтной (исследований во внутренних точках среды) геофизики В полевой геофизике выделяются следующие методы: магниторазведка, гравиразведка, электроразведка, сейсморазведка, терморазведка, радиометрия, а также геофизические методы исследования скважин. С помощью магниторазведки изучают особенности распределения магнитного поля, вызванного горными породами и рудами различной намагниченности. Гравиразведка основана на изучении поля силы тяжести и ее градиентов, отражающих плотностные неоднородности геологического разреза. Электроразведочными методами изучают процессы, происходящие в горных породах при прохождении через них электрического тока. Характер этих процессов зависит от удельного сопротивления и других электрических свойств горных пород. Радиометрические методы основаны на измерении интенсивности излучения радиоактивных элементов с целью их обнаружения и определения содержания. Методами сейсморазведки изучают особенности распространения упругих колебаний в горных породах. В экологии наиболее широко используются: вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), электропрофилирование (ЭП), электрокаротаж, зондирование методом вызванных потенциалов (ВЭЗ-ВП), резистивиметрия (определение удельных электрических сопротивлений воды), сейсморазведка 60 методом преломлённых волн (МПВ), термометрия, гамма-съёмка, пенетрационный и радиометрический каротаж. Так как все геофизические поля проявляются в той или иной мере в оболочках Земли, то параметры этих полей, возможно, регистрировать в искусственных и естественных сооружениях, к которым относятся: разведочные скважины, горные выработки шахты, карьеры, кратеры вулканов, зоны крупных разломов, полости подземных выщелачиваний. Геофизические методы измерения во внутренних точках геологической среды охватывают самые 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. Методы ГИС подразделяются на: - электрические; - сейсмоакустические; - радиоактивные. Гравитационные и магнитометрические измерения имеют ограниченное использование. Методы ГИС предназначены для геологического изучения разрезов геологоразведочных скважин с целью выделения глубины залегания и 61 геометрических параметров полезных ископаемых, выяснения их природы. Техника производства работ предусматривает спускоподъемные операции в скважинах. В методах ГИС, как и в методах наземной геофизики, используются как естественные, так и искусственно созданные геофизические поля. С помощью этих методов 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. Например, для проведения электрических методов используется, как и при электропрофилировании, типовая электоразведочная установка, с помощью которой регистрируются значения удельного электрического сопротивления и можно геологический разрез разделять на слои пониженного (глины) и повышенного (песчаники) сопротивления. Аналогичным способом можно изучать другие поля, например, если в скважину опустить скважинный радиометр (РК), то можно изучать естественную радиоактивность пород (у глин повышенная, у песка пониженная). 62 2. Методы подземной геофизики Эти методы подразделяются на скважинные и шахтные. Скважинная геофизика предусматривает изучение объема геологического пространства по схеме: а) «скважина – скважина» б) «скважина – дневная поверхность» в) «скважина – шахта» Таким образом, изучаемое пространство просвечивается по веерной сетке. По результатам измерений с помощью специальных комплексных программ строят томографические изображения (изучение непрозрачных объектов). Методы скважинной геофизики используют искусственно созданные электромагнитные и сейсмоволновые поля, т.е. методы скважинной электро- и сейсморазведки. Шахтная геофизика. 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. 63 Так как геофизические методы, основанные на этих полях, обладают наибольшей глубинностью, то их обработка возможна по лучевой схеме. А, как известно, распространение сигналов по лучу можно просто описать математической формулой, следовательно, томографическая обработка (алгоритм Радона) вполне приемлема. Перечисленные методы относятся к методам опережающего прогноза тех или иных геологических объектов. В то же время, как в шахтных, так и в скважинных условиях можно выполнять измерения состояния естественных геофизических полей Земли. Эти исследования относятся к мониторинговым наблюдениям преимущественно естественных геофизических полей гравитационного, магнитного, теплового. В этих целях или бурятся специальные скважины, или оборудуются геологоразведочные 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 регистрирующие модули и др.) (шлейфовые осциллографы, цифровые 64 Тема: Методы аэро- и аквагеофизики Дистанционные физических полей методы Земли, (ДМ) – выполняемых это комплекс приборами, исследований 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; 65 - 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. Особенность ДМ в том, что с их помощью удается, как бы заглянуть внутрь литосферного пространства, получив структурные планы объектов, фрагменты которых только частично выделяются наземными съемками. 1. Краткие сведения об аэрокосмических съемках Это съемки посредством фотографирования 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 также является изучение отраженного электромагнитного излучения от природных и техногенных объектов, но в более низком частотном диапазоне. Это преимущественно инфракрасное излучение, которое как носитель информации 66 близко к световому изображению. Длины волн >1 мкм. Приборы для производства инфракрасных съемок получаем название тепловизоров. При увеличении частоты до 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. Лидары и лидарные станции могут устанавливаться на воздушных носителях, зданиях и мачтах, на передвижных наземных носителях. 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. 2. Краткая характеристика аэрогеофизических методов Это методы, выполняемые с помощью приборов, установленных на воздушных суднах (самолетах, вертолетах, планерах). Аэросъемки проводятся в более крупных масштабах, нежели аэрокосмические. Основная задача – картировочные работы в геологии и геоэкологии. Масштабы съемок 1:200000 – 1:25000. Наибольшее распространение получили аэромагнитные, аэрогравитационные, аэрорадиометрические и аэроэлектроразведочные съемки. Созданы аэрогеофизические станции. В них имеются квантовый магнитометр, гравиметр, тепловизор, электроразведочная аппаратура, гамма-спектрометр. 67 Последний является одним из основных модулей, предназначенных для разведки на глубинах до 100-200 м. Перечисленные методы относятся к пассивной группе, где используются естественные геофизические поля. Другая группа методов, где изучаются искусственно вызываемые поля, получила название активной группы. Пассивная группа включает методы всех геофизических полей, кроме сейсмометрии – методы аэрограви-, аэромагнито-, аэроэлектро-, аэротепло- и аэрорадиометрии. Наибольшее применение имеют методы спектрорадиометрии, аэромагнито- и аэроэлектроразведки. Аэрорадиометрия, решающая задачи по картированию выходящих на земную поверхность геологических комплексов пород, используется в экологических целях для контроля радиационного фона. С помощью магнито-, электро- и гравиразведки выполняется региональное картирование перспективных участков на различные полезные ископаемые, а также детальное изучение рельефа и, в мониторинговых целях, наблюдения за изменением геологических и географических изменений земной поверхности (оползневые процессы, вулканическая деятельность и т.д.). Картирование выполняется по традиционной для геофизических методов схеме, т.е. профили располагаются вкрест простирания изучаемых объектов. Расстояние между профилями определяется в соответствии с заданным масштабом. По этим же критериям оценивается высота съемки. Наиболее эффективны съемки с вертолетов, но они более дорогостоящие по сравнению с самолетами. Варианты пассивных аэрогеофизических методов посредством использования естественных электромагнитных полей: a. Аэровариант метода естественного электромагнитного поля, где изучается магнитотеллурическое поле в диапазоне частот f = 102-105 Гц. Над однородным полупространством магнитотеллурическое поле имеет горизонтальную и близкую к круговой поляризацию. Наличие проводящих объектов вызывает появление вертикальных составляющих магнитного поля, а, следовательно, имеет место наклон плоскости поляризации поля. 68 Входной преобразователь: две взаимно перпендикулярные рамки, оси которых наклонены под углом 45 к горизонтальной плоскости. Разностный сигнал в этих рамках измеряется высокочувствительным устройством. При горизонтальной поляризации магнитного поля сигналы в рамках равны и их разность равна нулю. Если сигнал не равен нулю, значит, имеет место наклон плоскости поляризации магнитного поля. При высоте 200 м. (оптимальная высота) уровень аномалий-помех от приповерхностных неоднородностей невысокий. Глубинность метода большая. Хорошо выделяются протяженные проводящие объекты а также крутопадающие пласты, в частности тектонические нарушения. b. Аэроварианты метода радиокип. Изучаются поля радиостанций в сверхдлинноволновом диапазоне (15-30 кГц). Существует несколько систем: 1) Измеряется активная (Rb) и реактивная (Jm) составляющие двух ортогональных компонент магнитного поля Hx и Hy, расположенных в горизонтальной плоскости. В качестве опорного сигнала используют вертикальную составляющую электрического поля Ez, которая слабо зависит от характера геоэлектрического разреза. Проводящие объекты выделяются на картах изолиний магнитного поля максимумами ( H x H y ), при этом вектор H перпендикулярен к простиранию объектов. Наилучшие результаты, когда простирание структур параллельно распространению первичного поля. 69 Измерение активной и реактивной компонент горизонтального магнитного поля 2) Измеряются активная (действительная) Re Hz и реактивная (мнимая) Jm Hz компоненты вертикальной составляющей магнитного поля, при этом в качестве опорной принимают фазу ( H x H y ). Измерение Re Hz и Jm Hz компонент горизонтального магнитного поля Над электрически однородным разрезом первичное магнитное поле горизонтально. Hz связана с изменением геоэлектрического разреза в горизонтальном направлении. Метод эффективен при картировании электрически разнородных толщ. 3) Измеряют отношение сигналов H1 и H2 и судят о наклоне вектора магнитного поля. Установка точно такая же, как и в методе магнитотеллурического поля: две ортогональные рамки, наклоненные под углом 45 к горизонту. Недостаток всех систем аэровариантов, основанных на изучении полей радиостанций – их чувствительность к рельефу и к неоднородностям в верхней части разреза: появляется большое число аномалий, связанных с нерудными объектами (зонами графитизации, тектоническими нарушениями и пр.). Активная группа включает методы аэроэлектроразведки, так как имеется широкий круг возможностей для создания искусственных полей как по схеме «земная поверхность - воздушное пространство», так и по схеме «воздушное пространство - воздушное пространство». В первом случае искусственное поле создается на поверхности Земли. Например, на земной поверхности растягивается длинный кабель, который питается током низкой частоты. Этот 70 кабель располагается вдоль простирания изучаемых геологических структур, а вкрест простирания пород размещаются профили геофизических наблюдений. Кроме кабеля, в качестве источника поля может быть петля большого размера (сторона петли от 5 до 10-15 км). Что касается схемы «воздушное пространство – воздушное пространство», то в этом случае модуль возбуждения поля и модуль приема поля могут находиться как на разных суднах, так и на одном. Варианты активных аэрогеофизических методов посредством использования искусственных электромагнитных полей: а) Неподвижный источник поля, расположенный на поверхности земли (бесконечно длинный кабель, незаземленная петля). В варианте бесконечно длинного кабеля, последний располагается прямолинейно длиной 10-40 км. и заземляется на концах. Питание кабеля на переменном токе. Аэроэлектроразведочные системы с неподвижным источником поля. Аэровариант метода БДК Приемная рамка буксируется вертолетом на высоте h, изменяющейся от 50 до 70 м. вдоль профилей, ориентированных вкрест кабелю. Измеряется амплитуда и фаза ( H x H y ) на нескольких частотах. Можно измерять Re H и Jm H. Опорный сигнал, необходимый для работы фазочувствительных детекторов, передается от генераторной установки на борт самолета по радиоканалу. Область применения - геологическое картирование линейно вытянутых проводящих зон (тектонических нарушений), контактов крутопадающих пород, неглубоко залегающих хорошо проводящих руд. 71 В варианте незаземленной петли первичное поле возбуждают с помощью большой прямоугольной незаземленной петли со стороной 3 – 4 км. Аэроэлектроразведочные системы с неподвижным источником поля. Аэровариант метода незаземленной петли. Частота f = 100-700 Гц. Датчики поля две горизонтальные или вертикальные рамки Р1 и Р2, которые жестко скреплены между собой и буксируются H x H z1 , , в точках расположения рамок. H y H z2 выпускной гондолой. Измеряются Профили располагают вне петли перпендикулярно к длинной стороне. Длина профилей достигает 15 км. б) Системы с жесткой базой. Это методы дипольного индуктивного профилирования. Источник поля – питающий диполь (ПД) и датчик поля – измерительный диполь (ИД) жестко связаны между собой. ПД и ИД укрепляются на общей жесткой конструкции, которая буксируется на трос-кабеле. Аэроэлектроразведочные системы с жесткой базой. Генераторный и измерительные диполи установлены на одном и том же носителе Аппаратура индуктивное профилирование, составляющие переменного поля: жесткое ДИП-ЖСК – дипольное крепление. Регистрируются Hz Hy , , и др. Частота 625 и 5000 Гц. За H z0 H z счет компенсации первичного поля рамки, измеряется только вторичное поле. 72 Аэроэлектроразведочные системы с жесткой базой. Генераторный и измерительный диполи в выносной гондоле (система ДИГЕМ) Длина гондолы 9 м. Генераторная рамка - горизонтальный диполь, ИД – три взаимно перпендикулярные рамки. Шесть каналов регистрации. Низкий уровень шумов за счет компенсации первичного поля, что обеспечивает высокую глубинность исследований. в) Системы с разнесенными генераторным и измерительным диполями. Аэроэлектроразведочные системы с разнесенными генераторными и измерительными диполями. Система ДИП ПД – на летательном аппарате. ИД – на гондоле в нескольких десятках метрах или на другом самолете. Преимущество систем – повышенная глубинность. Недостаток - изменения взаимной ориентации самолета и гондолы за счет воздушных потоков. Источник поля – горизонтальная многовитковая рамка, укрепленная на крыльях и физюляже самолета. Измерение с помощью 2 х ортогональных рамок, размещенных в гондоле. Область применения – геологическое картирование и помехи проводящих рудных залежей. г) Аэроэлектроразведка МПП. Аэровариант наземного метода МПП, т.е. дипольное профилирование с нестационарным магнитным полем. индукционное 73 Установка АМПП ГК – генераторный контур. ИД – измерительный диполь ГК питается периодическими импульсами тока прямоугольной или полусинусоидальной формы. С помощью ИД изучается переходный процесс в паузах между импульсами тока. Измерения с различными задержками выполняются в процессе одного полета в отличие от наземного варианта. Следовательно, аппаратура многоканальная. Преимущество АМПП перед аэроэлектроразведкой, использующей гармонически меняющееся поле, отсутствие первичного поля в момент измерения переходных процессов. Это исключает применения сложных приемов компенсации первичного поля. Но с другой стороны появляется необходимость компенсации паразитного сигнала от вихревых токов, наведенных первичным полем в металлическом корпусе летательного аппарата. Отечественная аппаратура 4х канальная. Три канала одновременно регистрируют компоненты нестандартного поля на трёх временах задержки в интервале 0,5-3 мс, четвёртый канал контролирует помехи. Аппаратура рассчитана на поиски хорошо проводящих руд и реже применяется при геологическом картировании (малые задержки). 3. Аквальные геофизические методы Это комплекс геофизических методов, которые выполняются в водной среде, и наибольшее значение из которых имеет морская геофизика, преимущественно предназначенная для изучения шельфа с целью поисков и разведки МПИ. Отдельный вид исследования – региональные исследования в водной среде, относящиеся к общей геофизике. Изучение деформации геофизических полей Земли в целом, как и в аэрометрии, выполняются с помощью плавсредств, начиная от крупных океанических и заканчивая лодками и катерами. Среди методов грави-, магнито-, электро-, радио- и 74 сейсмометрии наибольшее значение имеют исследования по сейсмо- и электроразведке, при том, что в отличие от аэрометодов более широко используются методы, основанные на искусственном возбуждении поля (морская и водная сейсмо- и электроразведка). Классический пример по электроразведке: Водная среда является идеальным проводником, следовательно, в ней легко производить возбуждения электромагнитного поля и проводить электроразведочные методы, относящиеся к профилированию или зондированию на глубину. Пример электрического зондирования: Используется ток низкой частоты. Изменяя расстояние l, осуществляется зондирование, т.е. чем больше расстояние, тем глубже проникает ток. Если электроразведочную транспортировать установку, то неизменную будет по размерам осуществляться 75 электропрофилирование. Также возможны варианты по схеме «водная среда – береговая зона». Тема: Геофизический мониторинг опасных техногенных процессов на урбанизированных территориях Антропогенно-техногенное вещественное (геохимическое) загрязнение окружающей среды, включая геологическую среду с подземными водами и околоземную часть атмосферы, касается свыше 10% земной суши. Оно 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. 76 В результате вещественного (геохимического) загрязнения геологической среды меняются физические свойства её верхней части. Поэтому искажаются существующие или создаются новые геофизические поля разной интенсивности и частоты. Аномалии геофизических полей часто не совпадают с местоположением источников загрязнения вследствие миграции поллюантов с воздушными массами, подземными водами, перемещением горных пород и т. п. С точки зрения геофизики основными видами загрязнения геологической среды являются радиоактивное и геохимическое. 1. Экорадиометрия радиоактивных аномалий предназначена природного и для выявления техногенного и изучения происхождения. Наибольшую опасность представляют радиоактивные заражения разными радионуклидами после аварий и катастроф. Например, после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. площадь зараженных территорий составила 10 тыс. кв. км. Для изучения распределения естественных и искусственных радионуклидов используются радиометрические методы, с помощью которых решаются различные радиоэкологические задачи, а главное - осуществляется проведение радиационного мониторинга. Основными методами экорадиометрии являются аэро- и автогаммаспектрометрические съемки, предназначенные для измерения не только суммарного гамма-излучения и его составляющих по урану-радию, торию и калию-40, как при геологических поисках, но и по цезию-137, кобальту-60. Важным экорадиометрическим методом является эманационная съемка, которая сводится к оценке концентрации радона как в почвенном воздухе, так и в воздухе горных выработок и помещений. 2. Загрязнение почв, грунтов, подземных вод нефтепродуктами становится особенно частым. При проникновении нефтепродуктов в горные породы в результате непрерывных или залповых утечек они скапливаются в коллекторах (пески, трещиноватые известняки), не проникая в водоупоры (глины, скальные породы). Удельное электрическое сопротивление (ρ) 77 нефтепродуктов высокое, но, проникая в породы, они иногда повышают, а чаще понижают ρ у тех же пород, но водонасыщенных. Основными экоэлектроразведочными методами изучения загрязнений нефтепродуктами являются следующие: методы естественного поля (ЕП) и вызванной поляризации (ВП); методы сопротивлений, включая электропрофилирование (ЭП), вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ и радиоволновое профилирование (РВП), и радиолокационные зондирования – (РЛЗ); термометрия и инфракрасные съемки, предназначенные для расчленения пород по отличию их температур. Выбор одного-двух из названных методов зависит от геолого- геофизических условий объектов исследований. Периодически повторяя профильные или площадные съемки этими методами, можно судить об изменении загрязненности и осуществлять прогноз (мониторинг). В пределах шельфа нефтепродуктами морей, изучается на с озерах и помощью реках загрязнение сейсмоакустических, электромагнитных и термических методов. 3. Геохимическое загрязнение почв, грунтов, коренных пород и подземных вод может быть природным, например, за счет естественных электрических полей окислительно-восстановительной природы на рудных месторождениях, и искусственным, например, твердыми отходами при разведке и эксплуатации шахт и рудников, отходами промышленного сельскохозяйственного производства, бытовыми свалками и т. п., жидкими загрязнителями при разливах горнопромышленных нефти, предприятий, нефтепродуктов, сохраняемых в стоками от отстойниках, шлакохранилищах и др., газовыми выбросами при эксплуатации газовых месторождений на химических производствах и др. Такого рода загрязнение приводит к изменению физических свойств пород. К геофизическим методам эколого-геохимических исследований относятся: радиометрия и различные ядерно-геофизические методы (гамма- 78 спектрометрические, лазерная нейтронно-активационные, (лидарная) др. спектрометрия, спектрометрия и Они концентраций химических обеспечивают элементов, радиоизотопные и др.), ядерно-магнитно-резонансная картирование осуществляемое по параметру дистанционными (бесконтактными) способами, достаточно точно и экономически эффективно. Как и во всех областях применения геофизики, в геоэкологии эффективны лишь комплексы из нескольких методов. Выбору рационального комплекса методов решения задач в определенных геолого-геофизических условиях должно геологических предшествовать моделей экосистем составление (ФГМЭ). Под априорных ФГМЭ физико- понимается теоретически ожидаемый источник загрязнения геологической среды, который можно аппроксимировать объектом простой геометрической формы (точечный или сферический, линейный или вытянутый цилиндр, площадной, и др.) с заданными отличиями петрофизических свойств от вмещающей среды и интервалом их изменения во времени. Любая ФГМЭ может быть представлена из трех составляющих: исходной петрофизической модели вмещающей среды, устойчивой (квазипостоянной) модели загрязняющего объекта (источника) и изменчивой (импульсно-периодической) модели, характеризующей изменение загрязненности и физических свойств источника во времени. Таким образом, ФГМЭ является четырехмерной (4Д) (три измерения - пространственные координаты, четвертое - время). ФГМЭ должна быть такой, чтобы для каждого метода геофизики можно было оперативно с помощью ЭВМ решать прямые задачи при разных параметрах моделей. Это необходимо как при проектировании работ и оценке возможностей тех или иных геофизических методов, так и в ходе комплексной интерпретации, когда обратная задача наблюденных аномалий с расчетными. Проектное задание раздела Тесты рубежного контроля раздела решается методом сравнения 79 Литература к разделу
