Физические поля Земли (естественные и искусственные), их параметры

Гравитационное поле Земли. Закон всемирного тяготения гласит, что каждая частица вещества притягивает остальные частицы с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

,

- гравитационная постоянная, равная 6,67 х10^-8см³г^-1с^-1.

Силу, действующую на тело, можно определить согласно второму закону динамики – сила равна массе умноженной на ускорение , гдеg – ускорение свободного падения тела с массой :

,

где - масса Земли, сконцентрированная в центре, а R - радиус Земли результате ускорение равно:

.

Очевидно, что ускорение под воздействием силы тяжести эквивалентно силе тяготения, действующей на единицу массы, или интенсивности гравитационного поля. Чтобы выразить вариации поля силы тяжести на поверхности Земли используют понятие ускорения, а не силы. Отсюда получаем, что интенсивность поля имеет размерность ускорения. В гравиразведке единица измерения интенсивности поля силы тяжести называется мГал.

Поле силы тяжести относится к потенциальным: изменение гравитационного потенциала или его первая производная равна ускорению силы тяжести. Следовательно, вертикальная составляющая гравитационного поля равна , где - гравитационный потенциал.Именно эту величину мы измеряем. Также можно определить производные высших порядков.

, , - вторые производные называются градиентами силы тяжести и представляют собой изменение вертикальной составляющей.

Магнитное поле Земли. Чтобы определить аномалии земного магнитного поля, необходимо знать его характер в невозмущенном состоянии. Весьма хорошим приближением регулярное геомагнитное поле можно представить как поле диполя, расположенного в центре Земли и имеющего магнитный момент, направленный в сторону Южного географического полюса. Физически это поле, по-видимому, генерирует система электрических токов внутри Земли. В любой точке на земной поверхности вектор магнитного поля ^ полностью определяется его горизонтальной ___________________________________________________________________________

* – принято рассматривать по составляющим прямоугольной системы координат , где - направлен на географический север, а- на географический восток.

составляющей - западной или восточной по отношению к направлению на истинный cевер. Компонента считается положительной, если направлена вниз, как в северном полушарии и отрицательной, если направлена вверх, как в южном полушарии. Наклонение– угол между плоскостьюи векторомиграет важную роль при интерпретации магнитных аномалий. Точки на земной поверхности, в которых=90°, называются северным и южным магнитными полюсами. Может существовать множество таких точек в связи с локальными возмущениями магнитного поля, выявить которые задача прикладной геофизики. Но если их не считать, то имеются два главных магнитных полюса - северный с координатами 72° с.ш., 102 ° з.д. и южный - на 68° ю.ш., 146° в.д.. Из-за наличия нерегулярной составляющей земного поля они не соответствуют точкам пересечения оси воображаемого диполя, помещенного в центре Земли, с земной поверхностью. Эти точки пересечения с поверхностью называются геомагнитными или осевыми полюсами. Можно показать, что в действительности северный геомагнитный полюс находится на юге, а южный на севере. Но для удобства оба магнитных полюса называют так же, как ближайшие географические полюса. Это всегда необходимо помнить. Воображаемая линия на земной поверхности, проходящая через точки, в которых , называетсямагнитным экватором. К северу от него - положительно, к югу - отрицательно. Магнитное поле Земли не является постоянным в любой точке на поверхности, а испытывает вариации с различными периодами. При измерениях в магниторазведке их возмущающее влияние должно быть полностью исключено. Подробнее о измерениях мы рассмотрим в разделе «магниторазведка».

Единица измерения напряженности магнитного поля - эрстеды.

Палеомагнетизм. Отдельные исследования, связанные с изучением естественной остаточной намагниченностью горных пород для получения надежной информации о магнитном поле Земли в разные геологические эпохи. Это сравнительно молодая область знаний, серьезно расширила представления об истории магнитного поля. В настоящее время наиболее впечатляющие результаты палеомагнетизма связаны с такими захватывающими воображение гипотезами как дрейф континентов, спрединг морского дна и тектоника плит.

Электрическое поле. Использовать электрический ток для исследования геологического разреза можно разными способами. Наиболее широко распространен метод, в котором через пару электродов в землю вводится электрический ток, а с помощью другой пары электродов, соединенных с чувствительным вольтметром, на поверхности оценивается распределение потенциалов и пути их протекания тока, если разрез однороден, аномальные условия или неоднородности в разрезе. Например, слои с более высокой или низкой проводимостью, выявляются по отклонению ими линий тока и нарушению нормального потенциального поля. В этом по существу и состоит принцип удельного электрического сопротивления в породе.

В природе встречаются и другие более сложные электрические эффекты, создающие потенциалы отличные от тех, которые обусловлены простой омической проводимостью. Например, за счет электрохимических реакций между минералами и растворами, с которыми они контактируют, могут возникать электрические потенциалы. Чтобы оценить характер распределения таких самопроизвольно возникающих потенциалов минерализации, внешние токи не нужны. Определение таких потенциалов составляет основу метода естественного поля.

Кроме того, под действием тока от внешнего источника иногда на границах раздела между некоторыми минералами накапливаются электрические заряды. На этом явлении основан метод вызванной поляризации, предназначенный для поисков вкрапленных руд и глинистых минералов. Естественные (теллурические) токи, распространяющиеся в Земле, также создают медленно меняющееся электрическое поле. Предполагается, что эти токи возбуждаются внутри Земли ионосферными токами и, в общем, могут проникать глубоко в земную кору.

Электромагнитное поле связано с переменными токами, возбуждаемыми в породах первичным полем. Первичное поле искусственно создается, пропускается через рамочную антенну или по удлиненному проводу, положенному на земную поверхность первичное поле распространяется как выше, так и ниже поверхности и индуцирует в подземных проводниках токи в соответствии с законами электромагнитной индукции. Эти токи создают электромагнитные поля, которые искажают первичное поле. Результирующее поле, которое фиксируется приемной антенной, будет отличаться от первичного поля по напряженности, фазе и направлению, что позволит нам обнаружить присутствие проводящих тел в Земле. Главной задачей геофизика при исследовании электромагнитного поля является выявление тел с высокой электропроводимостью.

Электромагнитное поле описывается четырьмя векторами:

- напряженность электрического поля ();

- напряженность магнитного поля (;

- магнитная индукция или плотность магнитного потока ();

- электрическое смещение ().

Сейсмическое поле. Наиболее самостоятельной высокоразвитой областью геофизики является сейсмология. По сути дела, сейсмология занимается регистрацией и интерпретацией волн, возникающих при землетрясениях. Под изучением сейсмического поля понимается изучение поведения сейсмических волн, проходящих по горным породам. Принцип работы состоит в следующем. В какой-либо точке возбуждают упругие волны. А в ряде других точек определяют время прихода преломленных и отраженных волн от границ разделов между различными слоями Земли. По этому времени определяют положение этих границ. Обычно сейсмические волны возбуждают, взрывая заряд динамита в скважине, электродинамической вибрацией или сбрасыванием груза и т.д.

Тепловое поле. Тепло, которое ощущается на земной поверхности, поступает главным образом от Солнца. Однако большая часть солнечного тепла излучается в космическое пространство. И лишь малая доля может проникать до глубин нескольких сотен метров и глубже. Поэтому его влияние на недра Земли пренебрежимо мало по сравнению с теплом, имеющимся внутри Земли.

Предполагается, что главным источником тепловой энергии внутри Земли является радиоактивный распад долгоживущих изотопов. На более ранних этапах истории Земли значительную роль могли играть и другие источники тепла, такие как начальная температура и тепло, высвобожденное при аккреции (вследствие работы сил гравитационного притяжения, вызывающих объединение малых частиц в единое тело и последующее его уплотнение).

Тепло постепенно, а иногда и быстро, передается из внутренних областей Земли к поверхности. Примерами более быстрой передачи тепла являются вулканы и термальные источники. Тепло, выделяющееся внутри Земли, прямо или косвенно стимулирует различные геологические процессы, которые связаны с тектоническими движениями, магматической и метаморфической активностью.

Исследование термического поведения Земли является одним из наиболее умозрительных разделов геофизики. Ниже глубины 100 км ход температуры является весьма неопределенным. А распределение источников тепла и механизмы теплопереноса неизвестны. Этот вопрос представляет огромный интерес, поскольку он имеет непосредственное отношение ко всем гипотезам происхождения и развития Земли.

В последнее время благодаря многочисленным исследованиям потока тепла из Земли была получена информация об общих региональных характеристиках термического режима под главными геологическими структурами континентов и океанов. Эта информация имеет особое значение для изучения конвекций мантийного вещества, с которыми тесно связана гипотеза перемещения литосферных плит. В локальном масштабе термические изменения помогают определить положение таких структур, как небольшие соляные купола, антиклинали, разломы и т.п. Кроме того, измерения температуры в буровых скважинах используются при корреляции стратиграфических горизонтов.

Почти повсеместно на Земле температура увеличивается с глубиной. Следовательно, тепловой поток направлен вверх. Величина теплового потока зависит от удельной теплопроводности горных пород и градиента температуры. Интенсивность возрастания температуры с глубиной измеряется .

Все геофизические исследования, связанные изначально с физическими полями, сводятся к изучению физических свойств горных пород - плотность, магнитная восприимчивость, остаточная намагниченность, удельное сопротивление, диэлектрическая и магнитная проницаемость, поляризация, скорость распространения упругих волн, теплопроводность и теплоемкость. На основе этих свойств и были разработаны геофизические методы.