Магнитное поле Земли: происхождение, элементы магнитного поля Земли, характеристика, значение в познании земных процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Магнитное поле Земли: происхождение, элементы магнитного поля Земли, характеристика, значение в познании земных процессов



Лекция 1

Тема: Электромагнитные поля Земли, их природа и связь с особенностями строения и взаимодействия геосферных оболочек. Электрические свойства горных пород. Глобальные, региональные, локальные геоэлектрические поля

Общие сведения о магнитном поле.

В отличии от гравитационного, магнитное поле Земли (геомагнитное поле) в значительно большей степени зависит от строения и свойств литосферы, поскольку многие источники магнитного поля, вносящие свой вклад в общее геомагнитное поле, располагающиеся именно в литосфере до глубин 100 км. История формирования литосферы самым тесным образом связана с магнитными свойствами пород, с магнитным полем Земли. Земля представляет собой гигантский магнитный диполь, поле которого проявляется на поверхности Земли и выходит далеко в околоземное пространство. Ось магнитного диполя приблизительно на 11,5^о отклонена от земной оси

Изучение магнитного поля Земли даёт качественно новую информацию о глубинном состоянии вещества её недр, которая не может быть получена другими геофизическими методами.

Магнитные явления и наличие у Земли магнитного поля были известны человечеству с глубокой древности. Так же давно эти явления использовались людьми для практической деятельности (например, применение компаса в Китае). Со второй половины XIX века измерение напряженности магнитного поля проводилось для поисков магнитных руд (Швеция), однако до сих пор природа как геомагнитного, так и гравитационного поля не выяснена.

Основными параметрами геомагнитного поля являются полный вектор напряженности и его составляющие по осям координат. Значения параметров магнитного поля Земли зависят, с одной стороны, от намагниченности всей Земли как космического тела (нормальное поле), а с другой стороны, разной интенсивности намагничения геологических формаций, обусловленной различием магнитных свойств пород и напряженности магнитного поля Земли, как настоящее время, так и в прошедшие геологические эпохи (аномальное поле).

Происхождение магнитного поля пытаются объяснить различными причинами, связанными с внутренним строением Земли. Наиболее достоверной и приемлемой гипотезой, объясняющей магнетизм Земли, является гипотеза вихревых токов в ядре (впервые высказана в 1916 году в Англии Лармором). Она основана на том установленном геофизическим путём факте, что на глубине 2900 км под мантией (оболочкой) Земли находится «жидкое» ядро с высокой электрической проводимостью. Благодаря так называемому гиромагнитному эффекту и вращению Земли могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком магнитном поле привело к индуцированию в ядре вихревых токов, которые создают (регенерируют) магнитное поле, как это происходит в динамо-машинах. Увеличение магнитного поля Земли приводит к новому увеличению вихревых токов в ядре, которое в свою очередь, вызывает увеличение магнитного поля. Процесс подобной регенерации не бесконечен и продолжается до тех пор, пока рассеяние энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не компенсируются добавочной энергией вихревых токов и другими силами.

Горные породы, слагающие литосферу, обладают разными магнитными свойствами, намагничиваются и приобретают под воздействием доминирующего магнитного поля планеты индуцированный магнетизм. Поэтому наблюдаемое на земной поверхности или вблизи неё магнитное поле обусловлено совокупным влиянием множества источников, располагающихся в объёме литосферы, особенно железорудных ел и горных пород, магнитные свойства которых велики и зависят от содержания и распределения в них ферромагнитных минералов, таких как магнетит, титаномагнетит, ильменит, пирротин, гематит и др.

Основными параметрами геомагнитного поля являются полный вектор магнитной индукции Т_н и его составляющие по осям координат: вертикальная (Z) и полная горизонтальная (Н), а также склонение - D и наклонение I (рис.4.1)

Рис. 4.1 Элементы магнитного поля Земли

Значения параметров магнитного поля Земли зависят, прежде всего, от намагниченности всей Земли как космического тела, близко по форме к намагниченной сфере, и считающееся нормальным полем

На фоне нормального поля выделяются аномалии, обусловленные различными причинами. В одних случаях причиной возникновения аномалий является резкая неоднородность магнитных свойств литосферы или большие скопления в её верхних частях железных руд. Аномалии подобного рода называют материковыми, и они могут вдвое превышать значение нормального поля. В других случаях аномалии геомагнитного поля возникают как следствие разно интенсивности намагничения геологических объектов (руд), обусловленной различием магнитных свойств пород и напряженности магнитного поля Земли в настоящее время и в прошедшие геологические эпохи. Такие аномалии называют локальными.

Магнитное поле Земли подвержено медленным изменениям - вековым вариациям. Помимо таких «медленных вариаций» наблюдаются более сжатые во времени (до нескольких часов или двух-трёх суток) изменения геомагнитного поля - магнитные бури. Во время прохождения магнитных бурь изменение магнитного поля может составлять несколько процентов от нормального магнитного поля. На рисунке (рис.4.2) отлично виден характер суточных вариаций магнитного поля Земли.

Рис.4.2 Солнечно-суточные вариации элементов земного магнетизма

Измеряемым параметром магнитного поля является вектор магнитной индукции (или плотность магнитного потока) Т = мТ_н, где Т_н - напряженность магнитного поля в вакууме, м - магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле в данной среде больше, чем в вакууме. Единицей магнитной индукции в системе СИ - тесла (Тл); более мелкие единицы - микротесла (мкТл), равная 10^-6 Тл, и нанотесла (нТл), равная 10^-9 Тл. Раньше, когда ещё не было квантовых и протонных магнитометров измерялись вертикальная (Z), и горизонтальная (H) составляющие вектора напряженности магнитного поля; в судоходстве практикуется измерение магнитного склонения (D).

На магнитных полюсах Земли вертикальная составляющая магнитной индукции геомагнитного поля примерно равна ±60 мкТл (горизонтальная составляющая равна нулю), на экваторе горизонтальная составляющая приблизительно равна 30 мкТл (вертикальная составляющая равна нулю).

Приборы для изучения магнитного поля называются магнитометрами и служат для измерения либо относительных значений, т.е. приращения параметров поля (?T, ?Z, ?H) по отношению к какому-нибудь опорному пункту, или их абсолютные значения (T, Z, H) с погрешностями 0,01 - 1 нТл.

Измерение элементов магнитного поля производят в стационарных или походных обсерваториях. Геологические и геоэкологические задачи, как правило, решаются в ходе воздушных или наземных магнитометрических съёмок с использованием аэромагнитных станций или полевых магнитометров типа ММ-60М (квантовый магнитометр), МПП-203 (протонный магнитометр), или их более совершенных модификаций, в том числе и магнитометров-градиентометров.

Распределение значений элементов магнитного поля на поверхности земли изображаются на магнитных картах в изолиниях того или иного параметра. Карты значений T, H и Z называются картами изодинам; карты с изолиниями значений склонения (D) называются картами изогон; восточному склонению приписывают знак плюс, а западному - минус. Карты равных наклонения (I) называются картами изоклин. Для учёта магнитных вариаций на середину года каждого пятилетия строятся карты вариаций, которые называются картами изопор.

Магнитосфера и радиационные пояса Земли.

Магнитное поле земли существует не только вблизи земной поверхности, но и на больших расстояниях от неё, что обнаружено с помощью космических ракет и межпланетных космических станций. На расстоянии 10-14 земных радиусов геомагнитное поле встречается с межпланетным магнитным полем и с полем солнечного ветра, Солнечный ветер представляет собой истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. Скорость частиц солнечного ветра огромна - около 400 км/с, число протонов (корпускул) - несколько десятков в 1 см³, температура - до 1,5 - 2 млн. градусов. На границе магнитного поля Солнца и магнитного поля Земли напряженность составляет около (0,4 - 0,5) *10^-2 А/м.

Область действия магнитного поля Земли называется магнитосферой, а её внешняя граница - магнитопаузой (рис. 3.2). На геомагнитное поле существенно влияет солнечный ветер. Благодаря этому влиянию магнитосфера имеет сложную каплевидную сформу: на стороне, обращенной к Солнцу, она сжата, на противоположной стороне - сильно вытянута, образуя магнитный «хвост».

Рис. 4.3 Строение магнитосферы Земли

Простирается магнитосфера на огромные расстояния, наименьшее - в сторону Солнца - достигает 10 - 14 земных радиусов, наибольшее - с ночной стороны - около 16 радиусов Земли. Магнитный хвост имеет ещё большие размеры - простираясь на сотни земных радиусов.

В дальних областях хвоста плазма мантии за счет диффузии опускается в плоскость земного экватора и заполняет внутреннее пространство хвоста. В результате образуется плазменный слой. Сверху над этим слоем располагается положительно заряженный, а внизу - отрицательно заряженный слой.

Магнитосфера задерживает потоки солнечного ветра, не пропуская их к поверхности Земли. Солнечный ветер как бы огибает земной шар и смещается на ночную сторону, вытягивая в этом же направлении магнитные силовые линии. Деформация магнитных силовых линий связана с тем, что потоки солнечной плазмы несут с собой как бы «вмороженное» магнитное поле, которое взаимодействует с магнитосферой Земли.

Взаимодействие магнитного поля Солнца с магнитным полем Земли приводит к образованию ударного фронта, имеющего вид параболоида. На границе ударного фронта давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. При усилении солнечного ветра магнитосфера уплотняется, приближаясь к поверхности Земли, а при ослаблении - расширяется, удаляясь от неё.

В районе магнитных полюсов магнитосфера отсутствует, и частицы солнечного ветра могут достигать земной поверхности через так называемые полярные щели, или каспы, и вызывать полярные сияния. Однако основная доля солнечного ветра дрейфует в хвост магнитосферы, образуя плазменную мантию.

При встрече с магнитосферой Земли солнечные протоны в среднем имеют энергию около 1 кэВ, а электроны - значительно меньше - порядка нескольких электрон-вольт. Часть высокоэнергетических протонов и электронов способна проникать внутрь магнитосферы и удерживаться в ней в отдельных областях, получивших название радиационных поясов. При этом, электроны, обладающие меньшей энергии образую внешний пояс, а протоны - внутренний. - плазмосфере. Магнитное поле Земли оказывается более мощным и препятствует электронам и протонам проникать к поверхности Земли. В магнитосфере протоны и электроны совершают «бесконечные» спиралевидные перемещения то в верхних, то в нижних слоях атмосферы (до 100 км), которые стали для них магнитной ловушкой. Эти потоки электронов и протонов и образуют радиационные пояса. Лишь космические лучи с очень большой энергией (более 1 ГэВ) способны преодолеть магнитную оболочку и долететь до поверхности Земли независимо от географической широты.

Установлено, что на электроны действуют не только магнитные силы, но и электрические силы. В этом огромна роль магнитного хвоста - именно благодаря ему, электроны ускоряются и собираются в лентообразную структуру пучков.

Протоны тоже совершают перемещение в магнитосфере вдоль магнитных силовых линий, но поскольку их энергия больше, чем у электронов, то они более свободны в своём движении.

На широте 65^о внешний электронный пояс находится на расстоянии 4-6 земных радиусов (25-38 тыс. км).

Максимум внутреннего протонного пояса расположен на расстоянии 3,5 радиуса Земли (22 тыс. км).

Внутри плазмосферы , вблизи поверхности Земли существует второй электронный пояс . Вблизи полюсов он располагается на расстоянии 100 км , однако основная его част находится на расстоянии 4,4-10 тыс. км.

Мощность радиации в радиационных поясах огромна - сотни и даже тысячи биологических эквивалентов рентгена (БЭР) в сутки. Поэтому космические корабли с космонавтами на борту запускают на орбиты, располагающиеся ниже этих поясов, чтобы обезопасить их от воздействия губительной радиации. На орбитах радиусом 400 км космонавты получают в год дозы радиации, равные 5 БЭРам, считающимися безопасным для лиц, работающих с ядерными излучениями.

В жизни Земли магнитосфера играет огромную роль. Если бы она отсутствовала, то потоки солнечного ветра, не встречая сопротивления, устремлялись бы к поверхности Земли и оказывали губительное воздействие на все живые существа, включая человека. Магнитосфера препятствует этому и служит броневым щитом биосферы от заряженных частиц.

Аномалии геомагнитного поля.

Состояние окружающей среды в параметрах геомагнитно поля может быт оценено по его аномальным проявлениям на поверхности Земли. Поэтому давайте обсудим содержание понятия «магнитная аномалия». Магнитная аномалия - это отклонение величин элементов земного магнетизма от нормальных значений, которые наблюдались бы в данном месте в случае однородного намагничения Земли. На земном шаре есть много районов, где геомагнитное поле претерпевает резкие изменения на протяжении нескольких километров и даже метров. В таких районах по сравнению с окружающими территориями, магнитное склонение и наклонение могут отличаться на десятки градусов. Подобные скачки элементов магнитного поля указывают на наличие в земных недрах геологических тел, обладающих повышенной намагниченностью, с высоким содержанием ферромагнитных минералов, обладающих высокой магнитной восприимчивостью. Аномалии могут иметь большие размеры и интенсивность. В качестве примера можно назвать Курскую магнитную аномалию. Здесь склонение изменяется в пределах ±180^о и часто стрелка компаса вместо севера показывает запад, а иногда - юг. Напряженность аномального магнитного поля составляет 80 - 120 А/м, что в 2-3 раза превышает напряженность магнитного поля Земли.

Аномалии могут быть положительными и отрицательными. Положительной считается такая аномалия, когда вертикальная составляющая напряженности (или магнитной индукции) над телом совпадает по направлению с вертикальной составляющей нормального поля. В противном случае аномалия будет отрицательной. Классическим примером положительных аномалий являются Курская магнитная аномалия и аномалия Кривого Рога. Отрицательные аномалии, обусловленные обратным намагничиванием подстилающих пород, наблюдаются в Ангаро-Илимском районе над вулканическими «трубками взрыва». Большинство положительных аномалий находится в Северном полушарии, а отрицательных - в Южном. Иногда положительные и отрицательные аномалии соседствуют друг с другом.

В зависимости от размеров магнитные аномалии делят на материковые, региональные и локальнее. Предполагается, что причиной возникновения материковых аномалий являются процессы, происходящие н границе нижней мантии и ядра. Региональные и локальные аномалии обусловлены намагниченными породами земной коры.

Материковые аномалии имеют в длину в поперечнике до нескольких тысяч километров и соизмеримы с континентами. Из материковых аномалий (Восточно-Азиатской, Запдно-Африканской, Северо-Американской, Западно-Европейской) наиболее интенсивной и правильной по форме является положительная Восточно-Азиатская аномалия, охватывающая по площади всю Азию и часть Европы. Наиболее мощная отрицательная Западно-Африканская аномалия занимает Африку и часть Атлантического океана.

Региональные магнитные аномалии занимают площади в сотни и тысячи квадратных километров. Самая большая из них - Курская (КМА) площадью около 120 тыс. км² Интересно, что на КМА имеется ряд местных магнитных полюсов, т.е. таких точек, где магнитное наклонение равно 90^о. Эта аномалия образована пластами магнетитовых железистых кварцитов с содержанием железа более 50%.

Локальные аномалии обычно занимают площадь от километра. До 15-20 км² и, как правило, образованы скоплением металлических руд с высокой магнитной восприимчивостью.

Сильные магнитные аномалии могут образовываться при ударе молний в породы, содержащие железо. Размеры таких аномалий - несколько квадратных метров. При ударе о поверхность Земли астероидных тел происходит размагничивание горных пород на значительной территории вокруг места их падения.

В подавляющем большинстве случаев интенсивность магнитных аномалий не превышает 10% интенсивности главного магнитного поля Земли.

Объектом исследования геологов являются региональные и локальные аномалии, чья природа обусловлена их магнитными свойствами. Магнитные свойства в различной степени присущи всем горным породам. Важнейшими свойствами являются магнитная восприимчивость и остаточная намагниченность Магнитная восприимчивость (К) характеризует способность вещества менять свою намагниченность под воздействием внешнего магнитного поля. Это величина безразмерная и меняется от 10⁵ большинство осадочных горных и магматических горных пород) до ед СИ (магнетит, титаномагнетит, ильменит). В зависимости от числового значения и знака магнитной восприимчивости все природные тела делят на три группы: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. Для диамагнитных веществ магнитная восприимчивость очень низкая и отрицательная, для парамагнитных - тоже низкая, но положительная, ферромагнитные вещества обладают высокой положительной магнитной восприимчивостью. Правда разброс значений магнитной восприимчивости и для ферромагнетиков весьма высокий - от 10^-3 ед. МИ, до ед. СИ (магнетит).

У диамагнитных веществ (кварц, мрамор, графит, медь, золото, серебро, свинец, вода и др.) намагниченность пропорциональна напряженности магнитного поля и направлена навстречу ему, т.е. такие тела не притягиваются к магниту, а отталкиваются от него. Диамагнитные вещества способствуют ослаблению магнитного поля и способствуют образованию отрицательных магнитных аномалий.

У парамагнитных веществ (метаморфические и изверженные породы, щелочные металлы и др.) намагниченность также пропорциональна напряжённости магнитного поля, но в отличие от диамагнетиков, имеет одинаковое направление с современным магнитным полем.

У ферромагнитных веществ (железо, никель , кобальт и содержащие их породы) намагниченность значительно больше, чем у диа- и парамагнитных веществ, не пропорциональна напряжённости магнитного поля, сильно зависит от температуры и «магнитной предыстории» вещества, те. обладают остаточной намагниченностью.

Экспериментально установлено, что при увеличении напряженности магнитного поля, действующего на ферромагнетики, намагниченность их экспоненциально возрастает до некоторого, различного для разных ферромагнетиков, до «намагниченности насыщения». Затем, если напряженность постепенно снижать, то даже при нулевой напряженности, намагниченность будет сохраняться. Чтобы полностью размагнитить ферромагнетик, необходимо приложить напряженность противоположного знака. Величина такой силы называется коэрцитивной силой. Если проделать эксперимент в обратном направлении, то получим график намагниченности, который называется «петлей гистерезиса».

Магнитная восприимчивость пара и ферромагнетиков уменьшается с повышением температуры и практически исчезает при температуре Кюри, которая у разных минералов меняется от +400 до +700^оС. Таким образом, с учетом сказанного, глубинность магниторазведки примерно составляет 25-50 км. На больших глубинах температуры недр превышают точку Кюри, и все залегающие здесь породы становятся практически одинаково немагнитными.

Наличие остаточной намагниченности ферромагнетиков послужило средством изучения характера изменения магнитного поля в истории Земли, для реконструкции миграции полюсов и инверсий знака полярности, для оценки скорости движения литосферных плит, в решении задач экологии и археологии.

При выполнении магнитометрических (магниторазведочных) работ производят измерения элементов магнитного поля, и по ним выявляет аномалии.

Процедура определения аномалии такова: из измеренного значения, например, полного вектора магнитной индукции, Т_и вычитают значение нормального поля в данной точке. Значение нормального поля берут из таблиц магнитных обсерваторий, в которое вносят поправку за дрейф, которая берётся с карты изопор ближайшего пятилетия и, учитывая скорость дрейфа, умножают на число лет, прошедших после составления карт изопор. Например, измерения производились в 2007 г. тогда, берём карту изопор, составленную на середину 2005 года («эпохи» 2005 года), и умножаем это значение на 2. Внеся эту поправку, мы узнаем значение нормального поля в пункте измерений:

Т_а = Т_и - Т_н.

В свою очередь Т_н складывается из значения поля магнитного диполя, плюс материковой аномалии и космической составляющей магнитного поля (считается постоянным и находится по таблицам). Таким образом, Т_а будет отражать локальную аномалию. В измеренное значение магнитной индукции также вносится поправка за вариацию магнитного поля.

В магниторазведочной практике, как правило, для выявления аномалий пользуются не абсолютными, а относительными значениями измеренных параметров - ?T_а, ?Z_а, ?H_а, т.е. приращение параметров относительно опорного (контрольного) пункта с известным значением этого параметра - T_o, и Z_o.

Часто, в выражениях для относительных параметров ?T_а, ?Z_а, ?H_а, принимается, что T_o и Z_o на опорном пункте равны нулю. Это допустимо , если изучаемая площадь не превышает нескольких дестков квадратных километро. Для съёмок больших территорий необходимо знать T_o, и Z_o, т.е. «привязывать» опорные пункты к системам сети нормального магнитного поля Земли.

Результаты магнитных съёмок (воздушных, наземных, аквальных) изображаются в виде графиков T_a, ?T_a, ? Z_a .(профилей), карт профилей и карт изодинам. На графиках по горизонтальной оси откладываются пикеты, по вертикали - аномалии магнитного поля (положительные значения - вверх, отрицательные - вниз). При построении карт профилей на карте наносятся профили наблюдений, а перпендикулярно им откладываются аномалии. На картах у каждой точки записываются аномальные значения магнитного поля и проводятся линии равных значений - изолинии. Сечение изолиний при построении карт должно быть в 2-3 раза больше точности определения аномалии.

Результаты магнитных исследований в дальнейшем подвергаются интерпретации, которая может быть качественной, когда даётся визуальное описание аномалий и их характеристика.

Для определения формы, размеров и свойств аномалообразующих объектов выполняется количественная интерпретация, которая выполняется по известным методикам, притом при участии, как геофизиков, так и геологов, геоэкологов.

Помимо задач изучения глубинного строения земной коры, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, магниторазведка находит широкое применение для изучения геологической среды. При изучении географической оболочки, включая верхнюю часть геологического разреза При решении экологических задач, магниторазведка используется, прежде всего, на этапах как общего, так и специализированных видов картирования.

Высокая точность современных полевых магнитометров (погрешность около 1 нТл) обеспечивает возможность разделения по литологии пород по степени их намагниченности. Детальные, в том числе микромагнитные, съёмки можно использовать для изучения участков под ответственное строительство с целью литолого-стратиграфического расчленения пород и выявления их трещиноватости. Эти же методики можно применять для выявления трещино-картсовых полостей. Периодически повторяемые детальные съёмки оползней, в которых заглублены металлические стержни, обеспечивают возможность определения направления и скорости их движения. Детальная магнитная съёмка и каппаметрия (полевые определения магнитной восприимчивости) несут информацию о концентрации гумуса и солей в почвах, загрязнённости грунтов тяжелыми металлами, отходами промышленного производств, нефтехимическими продуктами.

Нельзя не сказать и о воздействии магнитного поля на живые организмы. Аномальные проявления геомагнитного поля способно негативно воздействовать на биоту в целом и на человеческий организм в частности. Магнитное поле может быть раздражающим фактором, не приводящим к серьёзным экологическим последствиям. Однако при достижении определённой интенсивности (поле техногенного происхождения) оно может стать поражающим фактором.

Способность организмов реагировать на магнитное поле Земли может быть обусловлена наличием в их клетках скоплений магнетита органического происхождения. Кроме того, организм сам является источником магнитного поля, которое может взаимодействовать с внешним полем.

· Комплексная цель.

Получение слушателями системы знаний о естественных и искусственно созданных электромагнитных и сейсмоволновых полях Земли, электроразведочных и сейсморазведочных методах (дистанционных, наземных (полевых) и подземных (скважинных и шахтных)) и технических средствах их изучения с целью поисков, разведки и эксплуатации месторождений полезных ископаемых и решения других геологических и геоэкологических задач для возможной дальнейшей работы в полевых экспедициях, научных лабораториях, вычислительных центрах при проведении научно-исследовательских и производственных геологических работ, включая основные приемы качественной и количественной интерпретации полевых наблюдений и их геологическое истолкование.

· Содержание модуля



Лекция 2. Раздел геофизики - Геоэлектрика Земли

Тема: Электромагнитное поле Земли: происхождение, электромагнитные свойства горных пород, характеристика региональных и локальных электромагнитных полей Земли

С геомагнитным полем тесно связано электрическое поле. Эта связь проявляется, прежде всего, в индицировании теллурических токов (солнечная активность, грозы); кроме ТОО, локальные электрические поля возникают на границах сульфидных рудных тел при циркуляции минерализованных вод и т.д. Переменные электрическое и магнитное поля нельзя рассматривать как независимые - изменение во времени одного из них приводит к появлению другого. Поэтому имеет смысл лишь совокупность этих полей - единое электромагнитное поле, которое определяется не только внешними силами, но и физическими свойствами вещества, слагающего земную кору.

Электромагнитные свойства вещества - это его способность откликаться на внешнее электромагнитное поле. Они могут быть описаны основными электромагнитными параметрами: удельной проводимостью G_Э (способность получения электрического тока в веществе под действием электрического поля), диэлектрической проницаемостью е (способность вещества создавать электрическое поле под воздействием внешнего электрического поля) и магнитной проницаемостью м (способность вещества создавать своё магнитное поле при воздействии внешнего магнитного поля). Часто вместо G_Э используется удельное электрическое сопротивление с = 1/G_Э (способность вещества препятствовать прохождению электрического тока).

Измеряя электрические токи и электромагнитные поля в веществе, можно судить о его электромагнитных свойствах.

В геоэлектрике изучаются электромагнитные поля и токи, распространяющиеся в Земле и её ближайших окрестностях (вплоть до ионосферно- магнитосферных токов). Электромагнитные поля и токи делятся на два больших класса - искусственного и естественного происхождения по типу источников, а методы их исследования также делятся на два основных метода - метода переменного электромагнитного поля и методы постоянного тока.

Теория электромагнитного поля базируется на уравнениях Максвелла, устанавливающих связь между напряженностью электрического E и магнитного H полей, электрической D и магнитной B индукциями и плотностью тока j. Закон изменения этих величин во времени одинаков; например, для мгновенного изменения напряженности электромагнитного поля H справедливо будет выражение

H = H₀cos(щt + ц), (4.1)

где щ угловая частота, t - время, ц - начальная фаза. Аналогичные выражения можно записать для E, B, D и j.

С электрической частью связывают поля циркуляции токов (направленное движение электронов) проводимости, а с электромагнитной частью поля (переменного магнитного поля) - поля преобладания токов смещения.

Теория постоянного электрического поля развивается на основе закона Ома, устанавливающего связь между напряженностью электрического тока, электропроводностью и плотностью тока

j = G_Э E = 1/ с.



Электропроводящие среды наиболее благоприятны для протекания проводимости, а диэлектрики для токов смещения. Подобное различие характеристики сред определяет и методы их изучения.

Во всех оболочках Земли, включая атмосферу, гидросферу, литосферу, происходят различные электрокинетические процессы, включая электрохимические и электродинамические, которые приводят к возникновению и циркуляции вихревых токов. Вихревые токи, в свою очередь, порождают электромагнитную индукцию. Далее процесс веерообразно развивается, что предопределяет существование неуправляемых электрических и электромагнитных полей Земли.

Электромагнитные поля Земли имеют преимущественно естественное происхождение. К ним относятся магнитотеллурические поля (возникают за счет вариаций короткопериодных колебаний магнитного поля Земли), поля грозовой активности, электродинамические поля, образующиеся в результате геодинамических, в том числе акустических процессов.

В отдельную группу полей следует выделить электромагнитные поля техногенного происхождения. К таким полям относятся поля дальних и ближних радиостанций, теле- и радиокоммуникаций, линий ЛЭП и т.д.

В верхней части литосферы, вследствие электрохимических и электрофизических процессов, возникают естественные постоянные электрические поля.

Электротеллурическое поле представляет собой поле слабых естественных электрических токов в поверхностных слоях земной коры. Эти поля включают региональную и локальную составляющих единого элетротеллурического (земного) поля. Первая часть поля обусловлено действием регионального, а вторая - локального факторов. Действие регионального фактора сказывается на значительных территориях, соизмеримых с континентами или океанами. Локальные факторы проявляются на сравнительно небольших площадях земно или водной поверхности. При этом эффект действия регионального фактора в пределах незначительных территорий ничтожно мал. Локальные факторы рассеяны по всей земной поверхности. Их эффект в какой-либо большой области на значительном удалении от источника поля практически равен нулю. Таким образом, электротеллурическое поле по своей природе представляет не просто сумму двух полей, а сумму двух полей, имеющих различное происхождение и неодинаковые пространственно-временные изменения напряженности E.

Наблюдение показали, что региональное поле является нестационарным переменным полем, особенно в периоды электромагнитных возмущений. В спокойные периоды оно имеет в среднем характер затухающих колебаний с более или менее выдержанной напряженностью по форме в различные интервалы времени. Локальные поля в основном выдерживают постоянный стационарный режим, хотя в некоторых случаях могут наблюдаться вариации поля. В целом, величина и направление электротеллурических полей не постоянны. В среднем градиент потенциала земных токов на суше колеблется от 1 до 30 мВ/км, но иногда достигает 10 B/км.

Своим возникновением электротеллурические токи обязаны целому ряду факторов, которые условно объединяют в три группы:

- ионосферно-электрические процессы (изменения электрического состояния ионосферы, полярные сияния, магнитные бури);

- погранично-электрические процессы (фильтрационно-электрические процессы, конвекционные токи в нижних слоях атмосферы, грозовые разряды и т.д.);

- литосферно-электрические процессы (контактные напряжения, термоэлектрические и химико-электрические процессы).

Имеются и другие возбудители электротеллурических полей. К их числу относятся процессы взаимодействия корпускулярного излучения Солнца и космических лучей с геомагнитным полем Земли, приливные эффекты в гравитационном взаимодействии Солнца, Луны и Земли, электрические процессы, обусловленные энергетическим обменом в системе ядро - мантия- земная кора и др.. Под совместным влиянием указанных источников возникают электротеллуричекие поля региональных масштабов.

Региональные электрические поля.

К региональным полям относят переменные квазигармонические низкочастотные (от 10^-5 до 10 Гц) поля космической и атмосферной природы. Одна из основных причин возникновения региональных теллурических токов состоит в изменении электрического состояния ионосферы под воздействием солнечного ультрафиолетового и корпускулярного излучений. Особенно мощные всплески интенсивности ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучений возникают при появлении на поверхности Солнца хромосферных вспышек, которые указывают на бурные термоядерные процессы в его недрах, а на Земле вызывают электромагнитные бури.

Проникая в слой ионосферы F, расположенный на высоте 220 - 280 км, или в более низкий слой E на высоте 80 - 100 км, солнечные корпускулы, движущиеся по траекториям в магнитном поле Земли, вызывают в этих сдоях неравномерную ионизацию ионосферы. Электрические неоднородности ионосферы увлекаются сильными высотными ветрами и создают переменные электромагнитные поля в верхних слоях атмосферы и индуцируют переменные поля в земной коре. На ночной стороне они перемещаются со скоростью 200 - 300 м/с, а на дневной - со скоростью 50 - 100 м/с.

Большое влияние на величину напряжения электротеллурических токов оказывает геологическая обстановка. Там, где на большую глубину простираются горные породы с низким электрическим сопротивлением, напряжение полей слабое; в области распространения пород высокого сопротивления наблюдаются поля с повышенным напряжением.

В спокойные дни токи в земной коре сравнительно устойчивы. В такие периоды их плотность j для различных участков земной поверхности примерно одинакова и составляет 2А/м². Принимая среднее значение удельного электрического сопротивления поверхностного слоя земной коры для континентов 10 Ом*м, для океанов 0,2 Ом*м, получаем среднее напряжение электротеллурического тока E, равным для континентов 2*10^-5 В/м, для океанов 0,4*10^-6 В/м.

Приведенные значения являются усреднёнными и реальные значения напряженности электротеллуричеких токов в различных районах Земли различаются значительно. В целом для Земли напряжение электротеллурических токов регионального масштаба увеличивается от низких широт, где E «(2 - 6)*10^-5В/м, к высоким; в полярных районах оно может достигать 10^-3В/м и более. Амплитуды напряжения регионального поля обычно колеблются около(0,3 - 1)*10^-6В/м; в средних широтах они достигают на суше 1*10^-5В/м, в морях (0,5 - 1,5)*10^-5В/м. Наиболее сильные электротеллурические поля наблюдаются во время интенсивных магнитных бурь. Будучи по своей природе низкочастотными, теллурические токи способны проникать в Землю до глубины в десятки, и даже первые сотни километров, что позволяет изучать свойства литосферы и верхней мании.

Истинное направление электротеллурических токов определить весьма сложно, так как они непрерывно меняют направление. Однако среднестатистические данные показывают, что на равнинах в умеренных широтах отмечаются меридиональные токи, в полярных и экваториальных зонах - широтные. Причины такой резкой смены направленности пока не выяснены.

Структура электротеллурического поля изучена слабо, по имеющимся данным её можно представить лишь приближенно и к определённому времени (к 18 часам гринвичского времени, рис. 5.1). За период времени равный суткам, электротеллурическое поле по величине и направлению претерпевает полный цикл вариаций.



Рис.5.1 Солнечно-суточные вариации элементов земного магнетизма

В поверхностном слое Земли в любой момент времени циркулируют электротеллурические токи, образующие обширные замкнутые токовые системы (вихри). На территории нашей страны располагается два вихря с центрами в районе Белого моря и в районе Якутии.

Напряженность токовых систем связана с относительным движением Солнца таким образом, что наибольших значений в умеренных широтах она достигает в дневное время теплого периода года. Кроме того она нестабильна и изменяется с периодами, равными 11 годам (период активности Солнца), 27 суткам (период обращения Солнца вокруг оси), и в течение суток. Суточные вариации регионального электротеллурического поля характеризуются наличием двух ярко выраженных пиков широтной и меридиональной компонент. Экстремальные значения обеих компонент наблюдаются около 6 ч утра и около 4 - 6 ч пополудни (рис. 5.2). Фазы колебаний обеих компонент в одних пунктах совпадают, в других могут не совпадать или даже быть противоположными.

Наличие 11-летних, 27-суточных и односуточных вариаций регионального электротеллурического поля свидетельствует о зависимости его напряженности от активности Солнца.

Глубинный электроток.

В результате обширного геомагнитного обследования Австралии, проведенного в 90-х годах прошлого столетия, удалось обнаружить на глубине 15-45 км под поверхностью Земли гигантскую U-образную дугу с циркулирующим слабым электрическим током. Длина этого естественного токопровода более 6000 км, ширина в разных местах от 50 до 200 км. Аналогичный токопровод длинной около 2000 км обнаружен и в Канаде. Природа этих токопроводящих слоёв пока не выяснена.

Сигнал короткопериодных колебаний (КПК) теллурических полей 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 E_х к Н_у имеют название импеданса Z и зависит от удельного электрического сопротивления слоев горных пород. То есть, Z - f(T). 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 Z в нормальном геоэлектрическом разрезе в интервале глубин от 30 до 300 км.

Особенностями геоэлектрического разреза обусловлены увеличением с глубиной температуры и давления. В некоторых геосинклинальных областях обнаруживаются 1-2 контрастных проводящих слоя.

Один из примеров - изучение по параметру Z геологического разреза Приазовской части Украинского щита в диапазоне Т = 10 - 1600с. 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 по горизонтали. Эти данные подтверждают блоковое строение земной коры.

Проблема горизонтальной расслоенности 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.

Атмосферное электричество.

Атмосферное электричество является заметным субъектом окружающей среды. Атмосферное электричество проявляет себя в виде молний, «сухих» грозовых рязрядов (зарниц), огней святого Эльма, которые наблюдаются при стекании земного электричества с различных острых предметов - вершин гор, мачт кораблей и т.п. Механизм возникновения атмосферного электричества таков: силовые линии поля атмосферного электричества направлены сверху, от положительно заряженных слоёв ионосферы, вниз, к поверхности Земли. Движение положительных зарядов вниз и встречное движение отрицательных зарядов вверх приводит к возникновению тока проводимости, средняя величина плотности которого составляет приблизительно 2,9*10^-20 А/м². Между атмосферой и поверхностью Земли существует разность потенциалов, составляющая у поверхности Земли величину 100 В/м.

В атмосфере всегда присутствуют аэроионы обоих знаков. В среднем на 1 м² поверхности планеты приходится примерно 6,7*10⁹ элементарных зарядов. В большинстве случаев преобладают положительные аэроионы. Количественное соотношение аэроионов обоих знаков оценивается по величине коэффициента униполярности - безразмерного отношения числа положительных аэроинов к числу отрицательных: q = n⁺/n^-. При средней концентрации положительных ионов 800 ионов/см³ и отрицательных 700 ионов/см³ величина q составляет 1,14. В нормальных условиях в 1 см³ воздуха в приповерхностном слое атмосферы содержится 1000 - 1400 аэроионов обоих знаков. В крупных городах удельное содержание аэроионов увеличивается до 1100 - 3500 в 1 см³. Это имеет большое значение с позиций экологии «тяжелые» аэроионы оказывают вредное воздействие на живые организмы. Значительное увеличение числа ионов наблюдается в атмосфере Сочи, Кисловодска - «электрокурортах» (до 1800 -3700 ионов/см³) и еще больше аэроинов наблюдается в зоне морского прибоя (50 - 100 тыс. ионов /см³). Однако коэффициент униполярности равен единице, что отвечает комфортным условиям обитания всего живого.

В электрическое поле приземной атмосферы вносят ионы, поступающие из почвы, образуемые за счет распада радиоактивных элементов. Локальными ионизаторами служат граниты, сланцы, металлические руды, ураноносные породы. Через породы и почву по системе капилляров непрерывно просачивается воздух (дыхание Земли), несущий с ювенильными газами радиоактивные эманации. Так, содержание эманаций радия (²²²Rn) в почвенном воздухе примерно на три порядка выше , чем в приземной атмосфере, вследствие чего проводимость почвенного воздуха в 30 раз превышает проводимость атмосферного воздуха. При этом отрицательные ионы более подвижны и активно диффундируют к поверхности.

Таким образом, можно считать, что геологическое строение и состав горных пород верхней части земной коры в значительной степени обусловливает уровень общей ионизации воздуха в приземной атмосфере.

Электромагнитное поле грозовых разрядов

Электромагнитное поле грозовых разрядов представляет собой 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.

Локальные естественные электрические поля

Локальные электрические поля постоянного тока возникают и постоянно существует в земной коре, вследствие электрохимических и электрофизических процессов, в результате которых на границах разделов геологических (природных) сред возникают двойные электрические слои.

К локальным электрическим полям относятся естественные постоянные электрические поля электрохимической и электрокинетической природы. Основной причиной возникновения в земной коре локальных полей электрохимической природы являются контакты горных пород, различающиеся химическими свойствами, и особенно химическим составом. Контакт двух пород при различных агрегатных (лёд - вода, мёрзлая порода - талая порода), аллотрофических (графит - каменный уголь) и метаморфических (известняк - мрамор) состояниях, а также при неодинаковых плотностях пород может быть причиной появления локального поля.

Локальное поле электрохимической природы может возникнуть и при концентрации растворённых веществ в водах, насыщающих породы и при разных температурах одной и той же породы. Во многих случаях на контактах пород-проводников (с электронной и ионной проводимостью) происходят окислительно-восстановительные реакции, приводящие к возникновению электродвижущей силы -э.д.с. (рис.5.1).

Локальные поля электрокинетической природы связаны с движением природных вод: морскими речными течениями, водопадами, фильтрацией грунтовых и подземных вод. При своём движении вода возбуждает собственные электрические токи, систему теллурических токов и выделяя этим водный объект на фоне стационарных локальных полей, обусловленных электрохимическими явлениями.

Рис. 5.2 Схема возникновения э.д.с. локального электрического поля электрохимической пророды

Речные потоки создают собственные электрические поля за счёт диффузии ионов на границе русла и речного потока, фильтрации воды через русло реки и т.п. Подсчитано, что суммарное напряжение локальных полей составляет 2- - 250 мВ/м. Горные реки создают электрические поля с напряжением 300 - 600 мВ/м и даже до 2В/м.

Поля фильтрационной активности обусловлены движением подземных вод (возникают потенциалы течения). Эти поля наиболее интенсивно проявляются на склонах гор и оврагов, на берегах и в руслах рек.

Поля диффузионные - образуется 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:

E_Д = -11,6lg с₂/ с₁

где с₂ и с₁ - удельное электрическое сопротивление контактируемых растворов.

В Земле также существует поле электрических шумов. Шумовая составляющая поля существует постоянно, но ее уровень плавно изменяется во времени. Электромагнитные шумы возникают как следствие геодинамических процессов (землетрясений разной природы, медленных движений массивов горных пород, оползней, обвалов и т.п.), а также искусственных взрывов и мощных электромагнитных разрядов. Возникающая при этом электромагнитная эмиссия характеризует напряженное состояние среды и происходящие в земной коре деформации.

К естественным электромагнитным шумам относятся электромагнитные поля электромагнитной эмиссии от геофизических процессов (землетрясений, оползней, обвалов, метеоритных ударов). Эти поля носят название ЕИЭМПЗ (естественное импульсное электромагнитное поле Земли). Они особенно интенсивно проявляется в зонных тектонических разломов, карстовых зонах, областях пород с повышенными сейсмоэлектрическими свойствами.

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. Преимущественно частота поля 10 - 20 кГц. Глубина проникновения вихревых токов в высокоомных породах достигает несколько десятков метров.

Описанные электромагнитные поля, существующие в Земле и окружающем околоземном пространстве являются значительным фактором экологи, так как оказывают существенное воздействие на биосферу Земли, в том числе и на людей.

Электромагнитное поле - это сумма электрического и магнитного полей приводящих к существованию в земной коре электромагнитных волн. В классической физике электромагнитной поле описывается системой уравнений Максвелла. Основные параметры поля:

- напряженность электрического поля;

- напряженность магнитного поля;

- электрическая индукция;

- магнитная индукция;

- плотность тока.

Взаимодействие электромагнитного поля с материальными средами вызывает деформацию этого поля в зависимости от их электрических свойств.

Электрические свойства:

1) с - удельное электрическое сопротивление 1/с=_э - удельная электропроводность;

2) е - диэлектрическая проницаемость;

3) h - поляризуемость;

4) м - магнитная проницаемость.

5) б - Электрохимическая активность.

Показатели r, e основные. Они характеризуют способность создания электромагнитных полей в земной коре. Эти показатели носят название материальных и связаны с параметрами поля определенными соотношениями. Последние называются материальными уравнениями.

- закон Ома в дифференциальной форме (2.1)

Электромагнитные поля характеризуется частотой f, и в зависимости от используемого диапазона частот в электроразведке условно выделяют три модели:

1) Стационарную, где f > 0 (постоянное электрическое поле). Основную роль играют токи проводимости (направленное движение электронов, ионов).

Электромагнитные поля разделяют на естественные и искусственные. К первым из них относятся:

1) Постоянное естественное электрическое поле, как поле естественных потенциалов (ЕП), возникающих в земной коре вследствие электрохимических и электрокинетических процессов.

2) Магнитотеллурическое поле, как поле космического происхождения вследствие корпускулярного излучения солнца (солнечного ветра).

3) Поле дальних радиостанций, как поле электромагнитных излучений относительно низких (первые десятки килогерц) частот от радиовещания.

4) Поле ЕИЭМПЗ (естественное импульсное электромагнитное поле Земли), как поле механических напряжений вследствие сейсмоакустических и динамических процессов в земной коре.

Ко вторым, искусственным, относятся поля, создаваемые в земной коре принудительно с использованием электрических батарей или специальных генераторных устройств. Этих полей также несколько:

1) Постоянное и (или) инфранизкочастотное (квазипостоянное) электрическое поле, как поле, описываемое в рамках стационарной модели и возникающее вследствие пропускания («задавливания») постоянного электрического тока в земной коре.