Мониторинг и прогнозирование геофизических процессов

Оценки показывают, что средние значения плотности земной коры и Земли в целом составляют, соответственно, 2700 и 5520 кг/м3.

Имеющиеся данные о свойствах глубинных геосфер позволяют считать, что мантии и ядру Земли свойственны черты двух агрегатных состояний, хорошо изученных в обычных условиях, - твердого и жидкого вещества. Если на вещество мантии действуют мгновенные силы, то оно ведет себя как твердое вещество, а если действие нагрузок растягивается в геологическом времени - то как жидкость. Таким образом, есть все основания считать, что Земля в целом находится в состоянии гидростатического равновесия. В этом случае изменение давления с глубиной можно оценить, исходя из массы вышележащего столба пород. Расчеты показывают, что у подошвы земной коры давление составляет около 1300 МПа, а на границе ядра - около 140000 МПа. Особенно велико давление в ядре - до 4105 МПа. Такие давления характеризуют на мгновения давления вблизи фронта ударной волны при ядерном взрыве.

Представляет интерес изменение в Земле еще одного параметра - ускорения свободного падения (g), определение которого также связано с принятой моделью распределения плотности. На поверхности Земли среднее значение ускорения свободного падения равно 9,82 м/с2, или 982 Гал. По расчетам, с глубиной g возрастает до 10,81 м/с2 на поверхности ядра и затем круто убывает до нуля в центре Земли.

Методы геофизики, которые позволяют получить информацию о внутреннем строении Земли, о ее свойствах и о фазовом состоянии вещества

Начнем с сейсморазведочного метода, который не только самый информативный в геофизике, но и самый дорогой по стоимости его проведения. Достаточно указать, что на сейсмометрические работы затрачивается 85% средств, затрачиваемых вообще на геофизические работы. В становление и развитие сейсмометрии большой вклад внесли русские и советские ученые: Б.Б. Голицын, В.С. Воюцкий, Г.А. Гамбурцев, А.И. Заборовский, Ю.Н. Годин, Ю.В. Ризниченко, М.К. Полшков, А.М. Епинатьева, И.И. Гурвич, Л.А. Рябинкин, Е.Ф. Саваренский и др.

Этот метод основан на изучении скорости распространения сейсмических волн в литосфере, т.е. принципиально близок к сейсмологическим методам, изучающим скорости распространения упругих колебаний от землетрясений. Отличие заключается в том, что в сейсмологии используется естественный источник колебаний - землетрясение, а в сейсмометрии - искусственный - взрыв в неглубокой скважине. До объявления моратория на испытания ядерного оружия в 1988 г. геофизики использовали в качестве источника упругих колебаний волну от ядерного взрыва. Волна, возбужденная взрывом, достигая границ изменения скоростей, а точнее, сейсмических плотностей (произведения плотности на скорость v), отражается и достигает системы регистрации, состоящей из серии сейсмографов - приборов, реагирующих на колебания почвы и регистрирующих их. Время движения волны от пункта взрыва до каждого сейсмографа откладывается на графиках в виде кривых, которые называют годографами. Годограф отраженной волны имеет гиперболическую форму, кривизна которой определяется, в частности, скоростью распространения волны v1. Значение скорости позволяет вычислить глубину залегания границы сред. Так как путь волны 2S v1tA, а с другой стороны,

S, то h ,

где h - глубина границы, v1 - скорость волн в покрывающей среде, tA - время движения отраженной волны в точку А, l - удаление точки А от пункта взрыва, 2S - длина пути волны. На некотором удалении от пункта взрыва при увеличении угла падения прямой волны на границу нижележащей среды со скоростью v2 возникает преломленная волна, опережающая отраженную, если v2>v1. Годограф волны, преломленной на плоской границе, прямолинеен.

Основным методом работ по сейсморазведке является профилирование, а кроме этого используется методика зондирования. Детальность исследований определяется частотой расположения сейсмографов на профиле. Чем чаще они расположены, тем, в общем, можно получить более детальный годограф. Глубинность работ определяется мощностью источника колебаний. Ядерный взрыв, а тем более землетрясение - это, естественно, самые сильные источники, которые невозможно повторить с помощью тротилового заряда, заложенного в скважину. Если время ядерного взрыва известно и к нему можно подготовиться, то точное время землетрясения, к сожалению, неизвестно. Поэтому сейсмографы на сейсмостанциях должны работать в автоматическом режиме мониторинга сейсмического события. Только в этом случае можно ожидать получение уникальной информации о глубинном строении нашей планеты.

Гравиметрический метод основан на изучении поля силы тяжести на поверхности Земли или в ее недрах. Задача о распределении силы тяжести на поверхности Земли была решена в общем виде в XVIII веке французским математиком А.Клеро (1713-1765 г.г.). Он впервые вывел формулу для вычисления силы тяжести на любой географической широте эллипсоида вращения при известных значениях силы тяжести (ускорения свободного падения) у полюса и на экваторе. Формула Клеро в первом приближении имеет вид:

g = gэ + (gп - gэ)sin2,

где g, gэ, gп - ускорение свободного падения, соответственно, для данной географической широты , на экваторе и на полюсе. В 20-х годах нашего века была выведена международная формула для нормального значения силы тяжести на уровне моря, которой и пользуются в настоящее время:

g = 978,049 (1+ 0,0052894sin2 - 0,0000059 sin22).

Из этой формулы следует, что нормальное значение силы тяжести на Земле увеличивается от 978 см/с2 на экваторе до 983 см/с2 на полюсах. Однако эти значения, рассчитанные для эллипсоида вращения со сжатием 1/297, существенно отличаются от фактически измеряемых на поверхности Земли, что обусловлено изменениями плотности пород, слагающих Землю. В гравиразведке выведена формула для расчета превышения силы тяжести в случае контраста плотности блоков (рис.11). Если внутри плоскопараллельного слоя толщиной Н с плотностью 1 имеется внедрение блока с плотностью 2, то амплитуда аномалии силы тяжести над этим блоком вычисляется по формуле:

g = 2f(2 - 1)Н

где f - гравитационная постоянная, которая в системе CGSE равна 6,6710-8 см 3г -1с -2 = 6,6710-11 Нм 2кг -2 (система СИ).

Величина f впервые была вычислена Кавендишем (1797 г.). Численно гравитационная постоянная равна силе притяжения двух единичных точечных масс, разделенных единичным интервалом (т.е. соответственно. двух масс в 1 г на расстоянии 1 см (CGSE), или двух масс в 1 кг на расстоянии 1 м (СИ)).

Значения силы тяжести (ускорения свободного падения) измеряются гравиметрами, работающими на принципе компенсации изменений притяжения массы маятника гравиметра упругими силами закрученной кварцевой нити, на которой подвешен этот маятник. Чувствительность наземного кварцевого гравиметра к изменениям силы тяжести очень высока. Достаточно сказать, что он способен измерять с погрешностью 0,01 мГал (10-5см/с2). Следует заметить, что измерения с гравиметром носят “относительный характер”, т.е. с этим прибором невозможно определить абсолютное значение силы тяжести в пункте. Поэтому все точки гравиметрической съемки “привязываются” к “опорному пункту”, где абсолютное значение измерено другим способом, например, с помощью маятникового прибора.

Сравнение данных съемки возможно при теоретической предпосылке, что все притягивающие массы сосредоточены внутри сфероида, для которого по формуле Клеро рассчитаны абсолютные значения силы тяжести. Однако реально имеется множество масс, которые искажают теоретическое распределение силы тяжести на сфероиде (рельеф, наличие гидросферы, имеющей меньшую плотность, чем твердая Земля). Поэтому процесс измерения всегда сопровождается расчетом и внесением определенных поправок (редукций) в измеренные значения. К таким редукциям относятся:

поправка на высоту, учитывающая изменение расстояния до центра Земли; поправка приводит измеренное значение к уровню моря, не учитывая массы пород, сосредоточенных между поверхностью измерения и уровнем моря, она как бы переносит точку измерения вниз “по воздуху” в случае суши или вверх “по воздуху” - в случае моря. Поэтому эта поправка носит название “поправка за “свободный воздух””, или редукция Фая. Она равна gф = 0,3086Н, где высота (глубина). Н измеряется в метрах. Знак (-) применяется для суши, а знак (+) - для моря;

поправка на влияние промежуточных масс, заключенных между уровнем, на который приводится измерение, и высотой точки измерения. Эта поправка носит название “поправки на влияние промежуточного слоя”, или редукции Буге. В результате ее введения как бы удаляется притяжение масс между уровнями измерения и приведения. Эта поправка рассчитывается по формуле: gб = 2fH = 0,0419 H, т.е. полностью совпадает с формулой для оценки аномалии в результате присутствия плоского блока с контрастной плотностью, которая приводилась выше. Смысл знака в этой формуле тот же, что и для редукции Фая;

поправка на рельеф окружающей местности, учитывающая притяжение всех форм внешнего рельефа. Эта поправка позволяет привести значение силы тяжести в данной точке к такому, которое было бы, если бы под точкой располагался ровный слой масс без выступов и впадин. Поправка на рельеф всегда уменьшает наблюденное значение силы тяжести независимо от того, находится ли вблизи исследуемой точки возвышенность или впадина. Технически поправка на рельеф рассчитывается путем аппроксимации форм рельефа серией призм или цилиндров, для которых рассчитывается аналитически сила тяжести при заданной плотности.

После внесения поправок формируется гравитационная аномалия Буге, которая для суши рассчитывается по формуле:

g = gн-go+gф-gб-gт,

где gн, go, gф, gб, gт, соответственно, наблюденное, абсолютное значения, поправки Фая, Буге и топографическая.

Расчет g позволяет сравнивать измерения в разных условиях. Аномалии тесно связаны с распределением плотностей. Положительные аномалии свидетельствуют о приближении к поверхности пород с повышенной по сравнению с окружающими плотностью, а отрицательные - о дефиците массы, т.е. о присутствии пород с пониженной плотностью. Из формул для расчета величины аномалии видно, что количественная интерпретация природы аномалии неоднозначна. Например, одна и та же величина аномалии может быть вызвана как большим контрастом плотности между аномальным телом и вмещающими породами, так и большей мощностью аномального тела при сохранении того же контраста плотности. В связи с этим для решения прикладных задач гравиметрический метод чаще всего комплексируется с другими геофизическими методами.

В любой точки на поверхности или внутри Земли, а также в окружающем ее пространстве действуют магнитные силы. Наша планета представляет собой гигантский магнит, но напряженность поля этого магнита относительно невелика - около 0,01 А/м. Для сравнения можно указать, что искусственное поле электромагнитов достигает напряженности 10-20 А/м, а с помощью сверхпроводников удается достичь напряженности магнитного поля в 1000-2000 А/м.

Внешнее магнитное поле Земли по форме силовых линий близко к полю диполя - элементарного бесконечно малого магнита. Центр диполя Земли смещен относительно Северного и Южного полюсов, поэтому географические и магнитные полюса не совпадают. Северный магнитный полюс расположен вблизи Южного географического полюса, и наоборот. Ось диполя смещена относительно оси вращения Земли на угол 11о26', в связи с чем Южный магнитный полюс располагается вблизи Северной Гренландии (74ос.ш.,100оз.д.), а Северный - на северо-восточной оконечности Земли Королевы Виктории в Антарктиде (68ою.ш.,145ов.д.). Дипольный характер геомагнитного поля определяет еще одну его особенность. Вследствие замкнутого (от одного полюса до другого) характера силовые линии геомагнитного поля образуют систему “магнитных ловушек” для заряженных частиц, появляющихся в верхних слоях атмосферы под действием солнечного излучения. Таким образом возникли окружающие Землю пояса космической радиации, или зоны Ван-Аллена, заполненные ионами атмосферных газов и элементарными частицами. Пояса космической радиации, обнаруженные в 1958 г. советскими учеными С.Н. Верновым и А.Е. Чудаковым и американским ученым Д. Ван-Алленом, играют важную роль в формировании внешнего геомагнитного поля. В частности, они являются проводниками электромагнитных возмущений, возникающих в полярных областях. Одно из таких возмущений - полярные сияния, обусловленные свечением газов в мезосфере, на высоте 80-150 км. Электромагнитные возмущения по поясам Ван-Аллена почти мгновенно (за доли секунды) передаются от одной возбужденной полярной области к другой, чем обусловлены почти синхронные вспышки полярных сияний в Арктике и Антарктике.

Максимальная напряженность геомагнитного поля наблюдается на полюсах (0,008-0,009 А/м), а минимальная - на экваторе (0,005 А/м). С удалением от поверхности Земли напряженность резко убывает (пропорционально кубу расстояния). При этом между постоянным геомагнитным полем и силовым полем межпланетной среды под действием солнечного ветра образуется нестабильная переходная зона.

Магнитное поле является векторным, поэтому его интенсивность характеризуется не только напряженностью, но и положением в пространстве (рис.12). Во внешнем поле этот вектор Т направлен по касательной к магнитной силовой линии L и в вертикальной плоскости может быть разложен на горизонтальную Н и вертикальную z составляющие:

Линия пересечения этой вертикальной плоскости с поверхностью геоида называется магнитным меридианом S, а угол, образуемый им с географическим меридианом N, - углом магнитного склонения D.

Угол отклонения вектора от горизонтальной плоскости называется углом магнитного наклонения I и связан с составляющими вектора простым соотношением

tg I = z/H

Распределение интенсивности геомагнитного поля изображают на картах, где равные значения напряженности (T, z ,H) образуют изодинамы, равные углы магнитного склонения - изогоны, а равные углы магнитного наклонения - изоклины. Напряженность поля в целом увеличивается по направлению к магнитным полюсам. Около географического экватора проходит изодинама минимальной магнитной напряженности - динамический экватор, в пределах которого вертикальная составляющая z равна нулю.

Изоклины изменяются от нуля до 90о. Они имеют тенденцию прослеживаться в широтном направлении подобно параллелям. Нулевая изоклина называется магнитным экватором и проходит в пределах Африки и Азии около 10ос.ш. и в пределах Южной Америки - около 15ою.ш.

Рис.12. Элементы магнитного поля Земли: а - участок поверхности Земли; в - вертикальная плоскость

Изогоны сходятся в магнитных полюсах Земли. По форме они напоминают географические меридианы, а нулевая изогона называется нулевым магнитным меридианом. Линия нулевого склонения образует петлю в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, где отмечается также максимум напряженности поля. Такие отклонения получили название магнитных аномалий. Их размеры составляют тысячи км, поэтому ясно, что их природа обусловлена особенностями строения Земли в целом.

Многолетние наблюдения и измерения составляющих магнитного поля установили его изменчивость во времени. Так, даже в течение суток отмечается периодическое, обычно достаточно правильное изменение параметров геомагнитного поля. Эти изменения обусловлены суточными изменениями положения земной поверхности относительно Солнца и называются суточными вариациями геомагнитного поля. Эти вариации невелики, поэтому они измеряются специальной единицей измерения - гаммой (1 = 1,25710-7 А/м).

Ультрафиолетовое солнечное излучение в течение светового дня оказывает ионизирующее воздействие на слои ионосферы. Перемещения масс ионов в ионосфере, связанные с приливным воздействием и конвекцией воздуха, приводят к появлению здесь электрических токов и локальных магнитных полей, деформирующих основное дипольное поле. Амплитуда вариаций в полярных областях больше, чем на экваторе; в средних широтах в течение суток вертикальная составляющая меняется на 20-30, а в полярных - до 200-300, а склонение - на 10-15'. Деформация дипольного поля во время суточных вариаций настолько велика, что приводит даже к смещению положения магнитных полюсов. Величина таких смещений в течение суток достигает 100 км относительно среднего положения магнитного полюса.

Еще большую амплитуду имеют непериодические изменения составляющих магнитного поля, обусловленные вспышками солнечной активности. Изменения в ионосфере, связанные с этими вспышками, приводят к значительным по амплитуде вариациям магнитного поля - до нескольких градусов по склонению и до тысяч гамм по напряженности. Эти непериодические вариации поля часто сопровождаются полярными сияниями, ухудшением или прекращением коротковолновой радиосвязи и называются магнитными бурями.

Механизм возникновения магнитных бурь, по-видимому, определяется взаимодействием корпускулярного излучения Солнца с магнитным полем в околоземном пространстве. На удалении 100-200 тыс.км от Земли поле настолько ослабевает, что становится соизмеримым по интенсивности с космическим магнитным полем; эта граница называется магнитопаузой, а ограничиваемое ею околоземное пространство - магнитосферой.

Корпускулярное излучение Солнца создает солнечный ветер, являющийся источником космического магнитного поля интенсивностью в несколько гамм. Во время вспышек солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает; при встрече его с магнитосферой образуется ударная волна, деформирующая магнитные силовые линии. Отклоняясь под действием излучения Солнца, они образуют длинный шлейф, достигающий Луны, а магнитосфера приобретает асимметричную форму. Эти деформации магнитосферы и являются причиной магнитных бурь, т.к. при этом над поверхностью планеты перемещаются значительные массы ионизированного газа. Изменение проводимости слоев ионосферы приводит к ухудшению их отражательной способности по отношению к радиоволнам и общему ухудшению радиосвязи. Продолжительность магнитных бурь может достигать нескольких суток.

Процессы в магнитосфере тесно связаны с еще одним полем Земли - электрическим. По современным данным, у ионов и элементарных частиц ионосферы преобладает положительный заряд. Это приводит к накоплению в литосфере отрицательных зарядов, а перемещения заряженных частиц в ионосфере индуцируют электрические токи в твердой оболочке Земли. В целом ионосфера образует с поверхностью Земли сферический конденсатор, в котором ионосфера обладает положительными, а литосфера отрицательными статическими электрическими зарядами. Роль изолятора выполняют плотные слои атмосферы. Величина заряда этого конденсатора достаточно велика - напряженность электрического поля в нижних слоях атмосферы составляет около 100 В/м, а в грозовую погоду значительно больше.

Природа атмосферно-электрического поля Земли, таким образом, связана с ионизацией верхних слоев атмосферы под действием излучения Солнца. Переменный характер электрическому полю придают мощные всплески солнечной активности при вспышках на поверхности Солнца. Эти относительно кратковременные вспышки создают неоднородную ионизацию в атмосфере Земли на высоте около 100-300 км, а перемещение электрических неоднородностей высотными ветрами приводит к образованию переменного электромагнитного поля в атмосфере и земной коре.

Таким образом в литосфере возникают теллурические токи. Электроды, вкопанные в почву и соединенные с амперметром, обычно регистрируют теллурические токи силой около 100 мА, а в периоды возмущений электромагнитного поля до 2,5 А. Средняя плотность теллурических токов 2 А/км2.

Кроме токов, обусловленных состоянием атмосферно-электрического конденсатора, в земной коре локально распространены постоянные и переменные электрические поля, вызванные естественной циркуляцией минерализованных растворов, электрохимическими процессами на поверхностях горных пород и другими факторами.

Теллурические токи обычно обладают значительной изменчивостью, периодичность которой определяется активностью процессов на Солнце и в ионосфере. В течение более продолжительных интервалов времени (десятки, сотни лет) также отмечается изменчивость составляющих магнитного поля Земли. По результатам измерения магнитного склонения и магнитного наклонения в Лондоне и Париже установлено, что за последние 350 лет вариации достигают 30о по склонению и 10о по наклонению. Эти плавные изменения геомагнитного поля по напряженности обычно не превышают десятков гамм и называются вековыми вариациями. Их изучение в различных участках Земли позволило установить еще одну форму изменчивости геомагнитного поля. Так, выявлено, что его аномалии плавно перемещаются на запад примерно в широтном направлении. Это свойство геомагнитного поля называется западным дрейфом. Скорость дрейфа довольно значительная - около 0,18о в год. При этой скорости наблюдаемое распределение аномалий магнитного поля совершит полный оборот вокруг Земли примерно за 1800 лет.

В отличие от суточных вариаций и магнитных бурь, которые связаны с излучением Солнца, вековые вариации и западный дрейф геомагнитного поля, очевидно, обусловлены глубинным источником, расположенным в недрах Земли. По подсчетам, с внешними источниками, основным из которых является Солнце, связано около 6% полного геомагнитного поля. На долю внутренних источников, природа которых, к сожалению, изучена недостаточно, приходится около 94% измеряемого магнитного поля Земли.

Интенсивность внутреннего источника можно оценить количественно по напряженности создаваемого им поля. Мерой интенсивности может служить магнитный момент, эквивалентный силе, которую необходимо приложить к магниту, чтобы удержать его в положении, перпендикулярном к внешнему магнитному полю. По результатам вычислений магнитного момента, проводимых с 1829 года, его значение постепенно уменьшается со средней скоростью около 3,710-25 А/м2год, или 0,04% в год. Если это уменьшение будет продолжаться еще 1200 лет, то геомагнитное поле исчезнет.

Изменчивость магнитного поля Земли - суточные и вековые вариации, западный дрейф - обусловливают необходимость периодического повторения магнитных измерений и обновления магнитных карт, поэтому на картах составляющих геомагнитного поля обычно указан год, которому соответствует показание распределения поля.

Проблема происхождения магнитного поля

Проблема происхождения магнитного поля относится к ряду сложных и до сих пор не решенных. Для объяснения природы земного магнетизма предложен ряд гипотез.

Ферромагнитная гипотеза. По расчетам содержание ферромагнетиков в земной коре слишком мало для создания геомагнитного поля. Однако с глубиной содержание тяжелых металлов возрастает, особенно в ядре, которое состоит в основном из ферромагнетиков - железа и никеля. Наличие ферромагнетиков и шарообразная форма ядра являются исходными предпосылками гипотезы постоянного магнита. По этой гипотезе ядро Земли представляет собой намагниченное тело, создающее магнитное поле дипольного характера Доказано, что поле намагниченного шара совпадает с полем элементарного диполя, помещенного в центр шара.. Однако предположение о намагниченности ядра не согласуется с данными о его температуре, превышающей здесь 2000оС, что намного больше не только точки Кюри, при которой магнитные свойства полностью исчезают, но и температуры плавления железа и никеля (соответственно, 1535 и 1453оС). Учитывая давление в ядре Земли, можно допустить некоторое повышение точки Кюри, например, для железа до 780оС, но все равно эта температура намного ниже реально существующих температур в ядре. Кроме того, доказано жидкое состояние внешнего ядра, в то время как постоянные магниты в жидком состоянии неизвестны и существование их по теоретическим соображениям невозможно. Ферромагнитная гипотеза не дает ответа на вопросы о том, какие факторы могли намагнитить ядро Земли Постоянный магнит постепенно утрачивает свою намагниченность, чем определяются вековые вариации и изменения полярности геомагнитного поля.

Электрические гипотезы. Внешнее ядро, находясь в жидком состоянии, быстрее реагирует на приложенные к нему силы, чем твердые мантия и земная кора. Поэтому вековые вариации магнитного поля связываются в первую очередь именно с электромагнитными эффектами в ядре. Для создания наблюдаемого геомагнитного поля требуется существование электрического тока порядка 109А. Электрический ток может возникнуть в результате термоэлектрического эффекта, т.е. разности температур на “спаях” разнородных металлов. Такая ситуация может возникнуть на границе мантии и ядра, где существуют участки с различной температурой. Однако в этой гипотезе не установлено, достаточна ли сила термоэлектрического тока для образования геомагнитного поля, не объясняется формирование дипольного характера поля и другие его особенности.

Более разработана (с участием акад.Я.И.Френкеля) гипотеза динамо, основанная на магнитогидродинамике - электромагнетизме проводящей жидкости. Согласно этой гипотезе в ядре Земли возникают кольцевые электрические токи противоположного направления в результате тепловой конвекции во внешнем ядре. В верхних слоях внешнего ядра в результате трения о подошву мантии скорость конвекции снижается, а в нижних слоях, на границе с субъядром, относительно увеличивается. Эти контрасты в скоростях течений приводят к образованию замкнутых тороидальных электрических полей большой напряженности (около 5 В/м), которые вследствие своей формы не выходят за пределы ядра. Взаимодействие этих полей с конвективными потоками и течениями на поверхности ядра приводит к появлению в ядре кольцевых токов широтного направления и связанных с ними магнитных полей. Однако кориолисова сила вращения Земли приводит к усреднению этих полей и образованию суммарного поля, близкого к дипольному, с осью, приближающейся к оси вращения. Таким образом, наблюдаемое геомагнитное поле является результирующим при сложении двух неравных и противоположно направленных магнитных полей. Вариации конвективных течений являются причинами того, что одно из генерируемых полей доминирует (и определяет полярность геомагнитного поля); вследствие изменения конвективных потоков доминирующее поле (и полярность) может меняться, с чем и связаны инверсии геомагнитного поля. Изменение скоростей течения на поверхности ядра способно вызвать также миграцию полюсов результирующего поля, а общее отставание течения на поверхности ядра от вращения мантии объясняет западный дрейф поля.

Приведенный принцип действия одной из моделей МГД-генератора предполагает самовозбуждение в ядре Земли - усиление слабого магнитного поля дипольного характера, необходимого для начала работы динамо. Таким начальным полем, по-видимому, могли служить слабые магнитные поля термоэлектрического происхождения. Гипотеза динамо предполагает тепловую конвекцию во внешнем ядре. Для объяснения причин возникновения и поддержания конвекции в ядре предложены два механизма: радиоактивный распад и выделение энергии, сопровождающее рост субъядра: потенциальной (при гравитационной дифференциации) и скрытой (за счет фазового перехода вещества из жидкого в твердое состояние). Концентрация радиоэлементов в ядре очень низка (в 1000 раз меньше, чем в земной коре), поэтому вклад этого механизма тепловыделения оценивается как подчиненный.

Особенности магнитного и электрического (теллурического) полей Земли, а также различие магнитных и электрических свойств пород используется для практических целей - для поисков руд. Скопление руд тяжелых металлов: железа, титана, никеля и др. ферромагнетиков обусловливает повышение уровня магнитного поля и возникновение аномалий. Крупная аномалия сопровождала месторождение железных руд на юге России - Курскую магнитную аномалию (КМА). Обнаружение этой аномалии собственно и привело к открытию месторождения. В пределах КМА магнитная стрелка отклоняется так резко, что ее “северный” конец часто указывает на запад, восток и даже юг, а напряженность магнитного поля достигает 0,01-0,03 А/м, что в 2-3 раза выше общей напряженности геомагнитного поля. Протяженность этой аномалии и размеры месторождения железистых кварцитов огромны - она протягивается на 600 км с севера на юг и на 400 км с запада на восток. Однако такие обширные и интенсивные аномалии встречаются очень редко. Чаще приходится иметь дело с локальными и небольшими по амплитуде аномалиями, сопровождающими те или иные месторождения, генетически обусловленные магматическими породами. С помощью магнитной съемки хорошо выделяются кимберлитовые трубки, с которыми связаны месторождения алмазов.

Регистрация электрических полей также помогает выявить месторождения некоторых руд. Например, хорошо выявляются сульфидные залежи, в которых происходят процессы окисления, зоны циркуляции минерализованных вод и др.

Геотермия дает важнейшую количественную информацию для понимания и моделирования геодинамических процессов в геосферах и для оценки энергетики геолого-геофизических проявлений - в этом заключается фундаментальные аспекты изучения теплового поля. Но не менее важны и прикладные аспекты геотермических исследований. Они связаны, с одной стороны, с оценкой геотермальных ресурсов для их использования в энергетике, теплоснабжении, коммунальном и сельском хозяйстве, а с другой - с применением геотермического метода поисков и разведки месторождений на континентах и на акваториях в комплексе с другими геолого-геохимико-геофизическими методами.

Тепловое поле Земли первым из геофизических полей привлекло внимание человека. Самые бурные проявления термической активности - извержения вулканов - сыграли важную роль в формировании религиозных мифологических представлений о строении мира. Другая форма геотермальной активности - горячие источники - с незапамятных времен использовались человеком для хозяйственных бытовых нужд. Таким образом, тепловое поле Земли оказалось первым объектом практического использования, по-видимому, опередив даже использование геомагнитного поля, выразившееся в изобретении компаса китайскими мореплавателями.

Но и предметом научных исследований тепловое поле Земли тоже стало раньше всех других полей. Началом этой стадии можно считать наблюдения за извержением Везувия в 73 г. до н.э. Плиния-Старшего, погибшего при этом и ставшего первой в истории жертвой научного энтузиазма. Но возможно, что начало этого этапа следует отодвинуть еще дальше, в третий век до н.э., когда великий философ Эмпедокл, уединившись, поселился на склоне Этны, в башне, которая впоследствии была названа "Торре дель Философо" (Башня философа). Много веков спустя на этом месте была создана одна из итальянских вулканологических обсерваторий; этот факт характеризует преемственность науки.

Количественные методы в геотермию были введены после изобретения Г.Галилеем термометра в начале XVII века. Уже первые измерения температуры, проведенные в шахтах и рудниках, показали, что температура на глубоких горизонтах весь год неизменна и что она увеличивается с глубиной. На это своеобразие теплового режима шахт обращали внимание английский физик Р.Бойль и М.В.Ломоносов. В своем трактате "О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном" М.В.Ломоносов писал: "...Воздух в рудниках во всякое время целого года сохраняет равное растворение" (т.е.температуру).

Факт роста температуры с глубиной дал основание для разработки научных космогонических гипотез, первой из которых явилась атеистическая гипотеза Канта-Лапласа. Согласно этой гипотезе история планеты представлялась как ее остывание из первоначально расплавленного состояния. Как показали позднейшие расчеты, теплосодержание расплавленной Земли должно было составлять около 3·1031Дж. Впоследствии эта гипотеза вошла в противоречие с другими астрономическими и геологическими фактами и в том числе с геохимическими данными о возрасте Земли, который оказался значительно больше времени, необходимого для остывания земного шара.

В 1868 г. по инициативе английского физика У.Томсона (лорда Кельвина) измерения температур в скважинах, шахтах и рудниках были систематизированы, что позволило сделать вывод о том, что на каждые 100 м температура возрастает на 2,5°-3,5°С. Одновременно выяснилась необходимость углубленного изучения теоретических вопросов геотермии - природы внутриземного тепла, термической эволюции Земли, глубинного теплового потока, условий формирования гидротерм.

В Земле существует несколько видов теплопередачи, так как ее оболочки имеют различную температуру, фазовое состояние и химический состав.

В ядре, состоящем из окислов железа, может существовать металлическая проводимость, для которой выполняется закон Видемана-Франса о прямой пропорциональности между теплопроводностью (k) и электропроводностью ():

k = B(b/e)2·T·,

где b - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; Т - температура; В - постоянная, равная 2,5 для полупроводников и 3 - для металлов. Таким образом, теплопроводность ядра может быть вычислена на основании данных об его электропроводности. Сложнее обстоит дело с вычислением теплопроводности силикатной оболочки Земли. Здесь уже не применим закон Видемана-Франса, а теплопроводность сложным образом зависит от температуры, давления и химического состава. Для литосферы основную роль играет решеточная часть теплопроводности.

Теория решеточной (фононной) теплопроводности кристаллических диэлектриков развита в трудах Дебая (1914), Пайерлса (1956), Лейбфрида (1954), Померанчука (1944). Согласно этой теории теплопроводность обратно пропорциональна температуре. Теплопроводность рассматривается как распространение энергии за счет колебаний атомов в кристаллических решетках. Так, по Дебаю, в кристаллах с конечными размерами существует конечное число нормальных колебаний. Энергия каждого нормального колебания не может быть произвольной, она должна определяться целым числом квантов, или фононов. При этом процесс теплопередачи можно рассматривать как обмен энергиями в "фононном газе". Теплопроводность тогда пропорциональна длине свободного пробега фононов и их скорости. В реальных кристаллах фононы рассеиваются посредством различных механизмов. В частности, при высоких температурах рассеивание происходит преимущественно на другом фононе. Наиболее существенны процессы обмена энергией между тремя фононами: один фонон аннигилирует и рождаются два других, либо два фонона исчезают и рождается третий. Есть два типа трехфононных процессов: нормальные (N-процессы), в которых импульс сохраняется, и процессы переброса (U-процессы), в которых импульс не сохраняется. Первые не дают непосредственного вклада в теплосопротивление, но меняют распределение фононов, тогда как вторые действительно ограничивают и определяют теплопроводность в идеальном неметаллическом кристалле.

В теории введено понятие дебаевской температуры (ТD), которая разделяет интервалы высокотемпературного поведения параметров от низкотемпературного. Для горных пород ТD составляет 900-600°С. Температура порядка 600°С достигается в Земле на глубинах 30-50 км. Следовательно, изменение поведения фононной теплопроводности в зависимости от температуры приурочено к самому верхнему слою литосферы. При высоких температурах (T>>TD) теплопроводность пропорциональна (1/Т). С понижением температуры (T<TD) она возрастает, достигая максимума, после чего падает в соответствии с законом (Т3) в области очень низких температур, которые не характерны для Земли. Что касается влияния давления на фононную теплопроводность, то в верхних слоях, где доминирует действие температуры, решеточная теплопроводность должна падать с глубиной. В более глубоких слоях, где превалирует эффект давления, теплопроводность должна возрастать. Эти разные тенденции обусловливают появление минимума на кривой зависимости теплопроводности от глубины, приуроченного к верхним слоям верхней мантии.

По экспериментальным данным, полученным для интервала температур от 20 до 700С (Ф.Берч, К.Кавада), можно отметить, что для большинства пород теплопроводность убывает с температурой почти как 1/Т; при эксперименте породы были приведены к уровню нулевой пористости, так как пористость и влагонасыщенность очень влияют на теплопроводность.

Причина уменьшения фононной теплопроводности с ростом температуры при Т>TD заключается в том, что решеточное рассеивание фононов тем больше, чем больше максимальные смещения атомов от их средних положений в кристаллической решетке. Это объясняет, в частности, тот факт, что теплопроводность тел, состоящих из относительно легких атомов, больше теплопроводности тел с тяжелыми атомами, слабо между собой связанными.

Все приведенные рассуждения сделаны для бездефектных кристаллов. Различные дефекты (точечные, примесные, изотопические), а также границы в поликристаллических телах могут служить дополнительными источниками рассеивания фононов, т.е. уменьшением теплопроводности. При высоких температурах дефектами можно пренебречь, так как определяющим является рассеивание фононов процессами переброса. Но при уменьшении температур, когда влияние процессов переброса быстро падает, заметно сказываются дефекты.

В заключение рассуждений о решеточной теплопроводности приведем эмпирически полученные соотношения для базальтов, связывающие теплопроводность и температуру:

k 3,1/T при Т>573 K и

k 1,15/T при Т<573 K.

При высоких температурах в недрах Земли (>1200C) становятся существенными два других механизма теплопередачи: радиационный и экситонный. Радиационный теплоперенос связан с лучистым теплообменом, т.е. с передачей энергии электромагнитными колебаниями. Радиационная теплопроводность ничтожно мала на глубинах до 100-200 км и становится сравнимой с фононной теплопроводностью на больших глубинах, превосходя даже ее в верхней мантии, но убывая в нижней мантии из-за роста коэффициента поглощения излучения веществом.

Экситонная теплопроводность

Экситонная теплопроводность (по термину "экситон", т.е. квант возбуждения) связана с возбуждением электрона и "дырки" при поглощении кванта энергии, который превышает энергию связи. Экситонная теплопроводность, так же как и радиационная, пренебрежимо мала при относительно невысоких температурах, т.е. в литосфере. Но на глубинах более 500 км экситонная составляющая даже превышает радиационную и быстрее растет с глубиной.

Еще раз отметим, что в практических задачах нам важно знать фононную теплопроводность пород. Два же других вида теплопроводности нельзя игнорировать при исследовании теплового состояния и термической истории Земли как планеты.

Говоря о механизмах теплопередачи, необходимо изучить такой важный для Земли процесс, как конвекция, т.е. перенос тепла самим теплоносителем. Применительно к Земле теплоносителями являются вода, пар, магма и магматические растворы. Эти теплоносители, обладая большой теплоемкостью, при своем движении перераспределяют глубинный тепловой поток, создавая положительные и отрицательные аномалии температуры и теплового потока. Если теплоперенос теплопроводностью происходит повсеместно, где существует температурный градиент, то перенос конвекцией осуществляется только там, где имеются условия для движения теплоносителей. Очевидно, что наиболее интенсивно конвекция происходит в активно развивающихся геологических структурах, где проявляются разломная тектоника, вулканизм и гидротермальная деятельность. Но даже в стабильных тектонических блоках необходимо учитывать конвективный теплоперенос в верхней активной гидродинамической зоне.

К сожалению, геотермическое поле невозможно охарактеризовать только лишь температурой недр из-за того, что температура зависит от глубины измерений, а также часто и от широты местности. Для того, чтобы нормировать температуру по глубине, введено понятие геотермического градиента (grad T). Геотермический градиент является векторной величиной и определяется из выражения:

grad T = i dT/dx + j dT/dy + k dT/dz.

Плотность теплового потока (или, как часто называют, "тепловой поток") - это самая информативная геотермическая характеристика, так как он характеризует мощность теплового источника и величину теплопотерь с поверхности Земли. Тепловой поток коррелирует с параметрами других геофизических полей, которые также характеризуют источник соответствующих полей, например, с величинами гравитационных (g) и магнитных (T) аномалий, что объясняется сходными генетическими факторами, формирующими эти аномалии. Для определения теплового потока традиционно используется метод раздельного измерения геотермического градиента и теплопроводности. Тепловой поток определяется как произведение этих величин:

q = -k (idT/dx + jdT/dy + kdT/dz).

Тепловой поток на континентах измеряется в буровых скважинах, которые, во-первых, пригодны для измерений по своему техническому состоянию, а во-вторых, находились "в состоянии покоя" после окончания бурения по крайней мере 30-50 дней. За это время тепловые возмущения, вызванные процессами бурения и промывки, в основном рассеиваются, и температура бурового раствора становится близкой к температуре окружающих пород.

Подавляющее большинство измерений теплового потока на континентах и в океанах, полученных к настоящему времени (а это более 30 тыс. пунктов), выполнено с помощью "раздельной методики", т.е. измерений геотермического градиента и коэффициента теплопроводности. Этот метод, несмотря на два источника погрешностей, является наиболее методически разработанным, а потому и наиболее точным.

В районах с высокими тепловыми потоками, например в вулканических областях, делались попытки прямых измерений теплового потока с помощью тепломеров. К сожалению, их низкая чувствительность не позволяет использовать тепломеры в областях со средними и низкими тепловыми потоками.

Поведение физических полей Земли

Поведение физических полей Земли (гравитационного, магнитного, теплового и др.) определяется физическими свойствами горных пород (плотностью, намагниченностью, теплопроводностью, упругостью и пр.), которые зависят от их минералогического состава, от давления и температуры. Роль двух последних факторов неодинакова. Давление на одних и тех же глубинах практически остается постоянным, а температура значительно изменяется в зависимости от величины теплогенерации и теплового потока. В некоторых районах колебания температур могут оказывать определяющее влияние на поведение физических параметров и, следовательно, на характер физических полей. Особенно чувствительны к изменению температур электропроводность и намагниченность.

Таким образом, между распределением тепловых потоков и другими геофизическими полями должны существовать достаточно тесные связи. Они основываются, с одной стороны, на чувствительности этих полей к колебаниям физических параметров горных пород, которые определяются их литолого-петрографическими особенностями, минералогическим составом и характером залегания, а с другой - на зависимости этих параметров от температуры, изменяющейся в соответствии с величиной теплового потока.

Землетрясение - крупнейшая геофизическая катастрофа

Крупнейшие геофизические катастрофы, связанные с многочисленными жертвами и разрушениями, вызываются в результате сейсмической активности литосферы, которая чаще всего проявляется в виде землетрясений. Землетрясением называется сотрясение земной коры, вызванное естественными причинами. Они проявляются в виде подземных толчков, часто сопровождаются подземным гулом, волнообразными колебаниями почвы, образованием трещин, разрушением зданий, дорог и, что самое печальное, человеческими жертвами. Землетрясения играют заметную роль в жизни планеты. Ежегодно на Земле регистрируется свыше 1 млн. подземных толчков, что составляет в среднем около 120 толчков в час или два в минуту. Можно сказать, что земля находится в состоянии постоянного содрогания. К счастью, немногие из них бывают разрушительными и катастрофическими. В год происходит в среднем одно катастрофическое землетрясение и 100 разрушительных.

Сильные землетрясения происходят довольно редко. Из катастрофических землетрясений по разрушительной силе наиболее известны Лиссабонское (1755 г.), Калифорнийское (1906 г.), Тайваньское (1923 г.), Мессинское (1908 г.), Ганьсуйское (1920 г.), Токийское (1923 г.), Иранское (1935 г.), Чилийское (1939 и 1960 г.г.), Агадирское (1960 г.), Мексиканское (1975 г.) землетрясения. На территории стран СНГ к наиболее значительным следует отнести Ашхабадское (1948 г.), Ташкентское (1966 г.), Газлинское (1976 г.), Спитакское (1986 г.), Нефтегорское (1995 г.) землетрясения.

Масштабы разрушений при крупных землетрясениях огромны. В земной коре возникают крупные дизъюнктивные дислокации. Так, при катастрофическом землетрясении 4 декабря 1957 г. в Монгольском Алтае возник разлом Богдо длиной около 270 км, а общая длина образовавшихся разломов достигла 850 км. Вот только часть из многочисленных последствий землетрясений.

Повреждение построек:

трескаются, рассыпаются или опрокидываются домовые трубы,

трескаются стены; сырцовые и другие кирпичные стены теряют прочность и падают

обрушиваются крыши

падают выступающие части зданий (карнизы, парапеты)

падают внутренние полки и шкафы, содержимое вываливается,

здания раскалываются на части и падают,

падают и разрушаются водонапорные башни и нефтехранилища,

обрушиваются мосты, колонны и эстакады,

становятся неровными, изгибаются и разрушаются шоссейные и железные дороги,

рвутся телефонные провода и кабели; выходят из строя линии электропередачи,

начинаются пожары,

разрываются водопроводные трубы, нефте- и газопроводы, трубы канализационной системы.

Геологические последствия:

на грунте появляются трещины, иногда зияющие,

возникают воздушные, водяные, грязевые или песчаные фонтаны; при этом образуются скопления глины или груды песка,

прекращают или изменяют свое действие некоторые родники и гейзеры; возникают новые,

грунтовые воды становятся мутными (взбаламучиваются),

возникают оползни, грязевые и селевые потоки, обвалы; происходит разжижение почвы и песчано-глинистых пород,

происходит подводное оползание и образуются мутьевые (турбидитные) потоки,

обрушиваются береговые утесы, берега рек, насыпные участки,

возникают сейсмические морские волны (цунами),

срываются снежные лавины; от шельфовых ледников отрываются айсберги,

образуются зоны нарушений рифтового характера с внутренними грядами и подпруженными озерами,

грунт становится неровным с участками просадки и вспучивания,

на озерах возникают сейши (стоячие волны и взбалтывание волн у берегов); нарушается режим приливов и отливов,

активизируется вулканическая и гидротермальная деятельность.

Землетрясения - это социальное явление, т.к. им подвержено более 10% суши, на которой проживает половина человечества. Землетрясения остаются наиболее губительными из природных катастроф - наиболее крупные из них уносят сотни тысяч жизней и оставляют следы разрушительной деятельности на тысячах км2. Из исторических данных известно, что при землетрясении 1556 г. в Шаньси погибло 830 тысяч человек; уже в наши дни, 28 июля 1976 г. в результате катастрофического землетрясения был разрушен г.Таньшань (в 150 км к востоку от Пекина), при этом погибло 655 тыс. человек.

Землетрясения вызываются внезапными, быстрыми смещениями крыльев существующих или вновь образующихся тектонических разломов; напряжения, которые при этом возникают, способны передаваться на большие расстояния. Возникновение землетрясений на крупных разломах происходит при длительном смещении в противоположные стороны тектонических блоков или плит, контактирующих по разлому. При этом силы сцепления удерживают крылья разлома от проскальзывания, и зона разлома испытывает постепенно возрастающую сдвиговую деформацию. При достижении ею некоторого предела происходит “вспарывание” разлома и смещение его крыльев. Землетрясения на вновь образующихся разломах рассматриваются как результат закономерного развития систем взаимодействующих трещин, объединяющихся в зону повышенной концентрации разрывов, в которой формируется магистральный разрыв, сопровождающийся землетрясением. Объем среды, где снимается часть тектонических напряжений и высвобождается некоторая доля накопленной потенциальной энергии деформации, называется очагом землетрясения. Количество энергии, выделяющееся при одном землетрясении, зависит главным образом от размеров сдвинувшейся поверхности разлома. Максимально известная длина разломов, вспарывающихся при землетрясении, находится в диапазоне 500-1000 км (Камчатское - 1952, Чилийское - 1960 и др.), крылья разломов смещались при этом в стороны до 10 м. Пространственная ориентация разлома и направление смещения его крыльев получили название механизма очага землетрясения.

Центр возникновения землетрясения, т.е. то место, где началось “вспарывание” разлома, называется его фокусом или гипоцентром. Расчеты параметров гипоцентра реальных землетрясений показывают, что в первом приближении очаг представляет собой сферу, радиус которой может измеряться десятками км. Таким образом, обычно очаг землетрясения не точка, а некоторый объем, размер которого для сильных землетрясений значителен.

В очагах землетрясений возбуждаются упругие продольные Р и поперечные S сейсмические волны, распространяющиеся во все стороны. Характер их распространения достаточно сложен и определяется особенностями внутреннего строения Земли. Точка на поверхности, расположенная на кратчайшем расстоянии от очага, называется эпицентром, а точка, наиболее удаленная от очага - антиэпицентром. Максимальной разрушительной силы землетрясение достигает в эпицентре, по мере удаления от эпицентра сила его убывает.

Линии равных значений силы землетрясения называются изосейстами, а зона, окружающая эпицентр и ограниченная изосейстой максимального значения, называется плейстосейстовой областью. Форма этой области целиком определяется геологическими условиями района эпицентра. Обычно форма плейстосейстовой области в горных районах простирается вдоль основного простирания горной цепи, хотя и бывают исключения из этого правила.

Энергетическая классификация землетрясений

Для энергетической классификации землетрясений на практике пользуются его магнитудой (М или m). Под магнитудой (иногда неправильно называемой интенсивностью землетрясения по шкале Рихтера) понимается логарифм отношения максимального смещения земной поверхности в волне данного типа или максимальной скорости смещения к аналогичной величине для землетрясения, магнитуда которого условно принята равной нулю. Классификация землетрясений по магнитуде введена в 1935 г. американским сейсмологом Ч.Рихтером применительно к территории Калифорнии. В начале 40-х годов она применена Б. Гутенбергом и Рихтером для энергетической классификации землетрясений всего мира. Для расчета М используется эмпирический закон изменения максимальной амплитуды сейсмической волны (А) или скорости колебаний (А/Т) с эпицентральным расстоянием (), т.е. расстоянием до эпицентра землетрясения - это так называемая калибровочная функция ():