Тема 3.1. Свойства геофизических полей Земли
Физические свойства Земли имеют важное значение как для теоретического значения геофизических процессов (образование рельефа, землетрясений вулканизма и т. д.), так и для решения практических задач (поиск и разведка полезных ископаемых и т. д.)
а) Поле силы тяжести или гравитационное поле влияет практически на все процессы и явления, происходящие в окружающей среде: формирование, разрушение рельефа, течение рек, движение ледников, на развитие органической жизни человека и т.д.
Как уже ранее было отмечено, сила тяжести есть равнодействующая 2-ух сил: силы земного притяжения (пренебрегая силой притяжения других космических тел) и центробежной силы, связанной с вращением земли: q = F + Р. Сила земного притяжения равна: F = KxM/R2, где М - масса, земли R - радиус земли, К - гравитационная постоянная.
Поскольку полярный радиус на 21,4км меньше экваториального, то сила притяжения уменьшается к Экватору.
Центробежная сила равна: Р = Rw2 , где w - угловая скорость вращения земли; радиус вращения точки на поверхности земли. Поскольку величина «R» увеличивается к экватору, то и центробежная сила «мах» на экваторе w = 2π : 86164 (длит. суток в сек.).
Таким образом, сила тяжести «q» по направлению к экватору уменьшается как за счет уменьшения силы земного притяжения (F), так и за счет увеличения центробежной силы (Р). Хотя основной вклад в зависимость силы тяжести от широты вносит сила земного притяжения, т. к. она примерно в 288 раз больше центробежной силы.
Между тем в действительности строгая зависимость величин «q» от широты нередко нарушается, особенно в районах со сложным рельефом и имеющих особенности геологического строения. Выявлено, например, что величина «q» повышена над более плотными породами. Поэтому в геофизике используются как результаты теоретических расчетов силы тяжести в любой точке, так и фактическое её значение, измеренное прибором. При этом разность между фактической и теоретической «q» может быть отрицательной и положительной, что соответствует положительной или отрицательной аномалии поля силы тяжести. По знаку аномалии геологи определяют возможные месторождения полезных ископаемых. Раздел геофизики, посвященный изучению поля силы тяжести, называется гравиметрией.
б) Земля обладает не только гравитационным, но и магнитным полем, т.к. является огромным природным магнитом. Оказывается, что магнитные полюса не совпадают с географическими, поэтому углы между осью вращения земли и магнитной осью составляет 11,5°.Однако сами магнитные полюса и угол между осями меняется во времени. Например, сейчас северный магнитный полюс находится в Канадском арктическом архипелаге (п-ов Бутия, 72°с.ш., 96°в.д.) Южный магнитный полюс в Антарктиде 70°ю.ш. 150°в.д. Северный магнитный полюс продвигается ежегодно на 20,5м к северу и в 2185году достигнет северного географического полюса. Южный магнитный полюс передвигается еще быстрее на 30м ежегодно к Австралии.
Таким образом, широко используемый для ориентирования самолётов, судов и др. объектов метод по магнитному компасу не является точным по отношению к географическим координатам. Его приходится корректировать, учитывая несовпадения географической и магнитной сетки координат. Для этого определяется угол между географическим и магнитным меридианами, который называется магнитным склонением.
Помимо горизонтального угла - магнитного склонения, учитывается и вертикальный угол между магнитной стрелкой, двигающейся по вертикали и плоскостью горизонта - магнитное наклонение. На магнитном экваторе она равна нулю, а на полюсах -90°,т.е.магнитное наклонение является своего рода «магнитной широтой», характеризующей положение точки относительно магнитного экватора.
Помимо склонения и наклонения используют и 3-ью характеристику - напряжение магнитного поля. Все вместе эти три параметра являются элементами земного магнетизма.
На практике используются карты земного магнетизма. Карта изогонов с изолиниями магнитного склонения позволяют корректировать токарты с введением поправок к показаниям компаса. Линия нулевой изогоны на карте называется агонической линией, которая делит земной шар на 2-а полушария (с восточным и западным склонением). К области западного полушария относится Атлантика, Западная Европа, Африка, восточная часть Америки. К области восточного склонения - Тихий океан, Восточная Европа, Азия, Австралия и др. районы). Интересно, что Восточная Сибирь относится к западному склонению.
Используются на практике и карты магнитного наклонения с изолиниями - изоклинами, а также карты напряженности магнитного поля с изолиниями - изодинамами. Все названные карты из-за чрезвычайной временной изменчивости магнитного поля земли подлежат корректировке (изменению) через каждые 5лет.
В некоторых местах земной коры элементы земного магнетизма имеют отклонения от нормы, которые называются аномалиями. Встречаются как локальные аномалии, обусловленные близким залеганием руд (Курская магнитная аномалия), так и геоаномалии (Восточно-Сибирская, Арктическая и др.), связанные с глубинными особенностями земной коры.
Магнитное поле земли распространяется не только на поверхность земли, но и на атмосферу. Причем это поле меняется во времени, обнаруживая вековые, годовые и суточные колебания поля. Причем, если короткопериодные колебания связывают с активностью солнца, то природа длинннопериодных полос неясна.
Геологи установили, что, во-первых, магнитное поле Земли существовало уже 3,5 млрд лет назад, а во-вторых — что за эти годы оно много раз меняло свою полярность на противоположную.
Магнитное попе Земли устроено примерно так же, как если бы внутри планеты находился мощный прямоугольный магнит в виде бруска, помещенный в центр Земли под небольшим углом к оси ее вращения.
В состоянии магнитного поля Земли в течение ее истории современные ученые выделяют 4 эпохи: Гилберта, Гаусса, Матуяма и современную эпоху Брюнес. В пределах одной и той же эпохи направление магнитного поля нашей планеты оставалось одинаковым, но на короткие отрезки времени все же меняло свое направление на противоположное. В соответствии с этим внутри эпох выделяют «эпизоды». Каждому эпизоду соответствует направление магнитного поля, обратное направлению в предыдущем эпизоде. Направление, преобладающее по времени в пределах данной эпохи обозначено в левой части таблицы рис.4.
Электропроводность земных недр определяется по затуханию геомагнитных вариаций, которые возбуждаются солнечной активностью в верхних слоях земной атмосферы
Переменный электромагнитный сигнал индуцирует в Земле в переменные электрические токи. При распространении переменного тока в проводнике ток течет в приповерхностных слоях, причем, чем выше частота, тем сильнее ток «прижимается» к поверхности. Это явление называется скин-эффектом. Электромагнитное зондирование Земли и определение её электропроводности как функции глубины основано на теории скин-эффекта. При скин-эффекте чем меньше частота сигнала, тем более глубокие слои могут быть прозондированы.
Геофизические методы позволили определить распределение электропроводности до глубины 1000 км.
На основании изучения естественных и искусственных электромагнитных полей, возникающих в земной коре под воздействием источников постоянного и переменного тока разработан электрический метод разведки. Результаты этого метода позволяют судить о распределении в земной коре пород с различной электропроводностью. Например, большинство минералов, особенно если они представлены чистыми кристаллами, практически являются изоляторами. Сухие горные породы почти всегда имеют высокое сопротивление. Сопротивление влажных пород, как правило, низкое.
Некоторые руды и породы обладают высокой проводимостью в сухом состоянии.
Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть её отражается обратно в мировое пространство. Количество получаемого и отраженного тепла неодинаково для различных широт.
Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуры данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20-30 м.
Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли. Установлено, что в шахтах, скважинах происходит постоянное увеличение температуры с глубиной.
зали значительную изменчивость теплового потока в различных структурных зонах.
Одним из источников внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом долгоживущих радиоактивных элементов U238,235,К40, Rb87и др.
Вторым источником тепла предполагается гравитационная дифференциация вещества, зарождающаяся после некоторого разогрева на уровне ядра.
Дополнительным источником может быть приливное трение, возникающее при замедленном вращении Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и реже с Солнцем.
По данным Жаркова геотермический коэффициент близ поверхности Земли оценивается в 20°С на 1 км. На глубине 100 км. Температура тогда должна быть 3000 или 2000°С однако, в связи с тем, что на этих глубинах зарождаются магматические очаги, температура не должна превышать 1300-1500° С. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн.
По предположениям ряда ученых на глубине 400км. температура должна быть 1600 +, - 50°С, температура в ядре Земли - 4000-5000° С.
Изменение термического поля Земли и поля ядерных излучений горных пород изучается преимущественно в скважинах, так как они замаскированы на поверхности Земли мощными тепловыми помехами, а поле ядерных излучений имеет практически незначительный радиус действия.
Дата добавления: 2014-12-04; просмотров: 1605;