Общие сведения о геофизических методах изучения природных процессов и свойств

Общие сведения. Изменения напряженного состояния земной коры во времени и пространстве вызывают современные медленно протекающие и катастрофические ее движения, изменяющие или преобразующие ландшафтную оболочку и экологическую среду. Наиболее ярким их проявлением, такие как землетрясения, вулканизм, цунами и др. удается обнаружить с помощью наблюдений за изменением физических полей. Методы изучения этих и других явлений называются геофизическими.

Геофизические методы включают несколько видов. Каждый из них позволяет изучать различные свойства земной коры и состояние ландшафтной оболочки Земли. Например, 1) изучением изменениями силы притяжения занимается гравиметрические методы, 2) магнитную восприимчивость горных пород изучает магнитометрические методы, 3) тепловые свойства – геотермические методы, 4) скорость прохождения сейсмических волн в различных средах – сейсмические методы, 5) способность проводить электрические токи – электрозондирование, 6) структуру рыхлых пород на дне океанов, морей и озер – сейсмоакустическое зондирование, 7) оптические свойства ландшафта – дистанционное зондирование и многие другие (их более 100), т.е. те, которые в рамках данного курса рассмотрению не предусмотрено. С важнейшими из них мы познакомимся в первой части курса учебных занятий.

Мы ознакомимся также с тем, как знания о геофизических полях можно использовать для решения практических задач: 1) изучения карстово-суффузионных зон, 2) погребенных речных долин, 3) использования гравиметрических методов и радиолокационного зондирование в гляциологии, при изучении подледного рельефа и вечной мерзлоты, 4) при изучении дна мирового океана, 5) прогноза землетрясений, 7) изучения проблемы геопатогенеза, 6) при прогнозировании и поисках минеральных месторождений.

Геофизические методы – это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для изучения верхних слоев Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, инженерно-геологических, гидрогеологических, мерзлотно-гляциологических, инженерно-геоморфологических и других изысканий. Он основан на изучении естественных и искусственно создаваемых полей Земли.

Геофизика как наука о физических свойствах горных пород, тектонических блоков и погребенных форм рельефа находится на стыке точных и естественных наук: астрономии, физики, математики, химии, географии геологии и криологии. Она изучает происхождение и строение различных физических полей Земли и протекающих в ближнем космосе физических процессов. Геофизику подразделяют на несколько разделов: 1) на физику Земли, включающую сейсмологию, земной магнетизм, глубинную геоэлектрику, геодезическую гравиметрию, геотермию; 2) физику гидросферы (физику мирового океана); 3) физику атмосферы и космоса; 4) физику криосферы и 5) геофизические методы исследований, подразделяющиеся на региональные (объект нашего изучения), разведочные и скважинные. Предметом же научно-прикладных разделов геофизики является рельеф земной поверхности, осадочный чехол, кристаллический фундамент, земная кора и верхняя мантия с общей глубиной до 100 км.

Все геофизические поля подразделяются на естественные или пассивные и искусственно наведенные или активные. К естественным полям относятся гравитационное поле или поле тяготения, геомагнитное, электромагнитное, поле упругих колебаний при землетрясениях или сейсмическое, радиоактивное и геотермическое. К искусственным или активным полям относятся следующие физические поля: электрическое, электромагнитное, сейсмическое – поле упругих колебаний, вызваных искусственным путем, вторичных ядерных излучений, термическое или поле температур.

Каждое физическое поле определяется набором свойств или параметров. Например, гравитационное поле характеризуется ускорением свободного падения g и вторичными производными потнециала – W xz, W yz, W zz и др. Геомагнитное поле определяется полным вектором напряжений T и разными его составляющими. Важнейшими из них являются вертикальная – Z и горизонтальная – H. Электромагнитное поле характнризуется векторами магнитной (H) и электрической (E) компонент. Упругие колебания определяются временем и скоростью распространения упругих волн. Ядерно-физические – интенсивностью естественного и искусственно вызванных излучений. Геотермическое – распределением температур и тепловых потоков.

Принципиальная возможность проведения геологической разведки на основе изучения различных свойств физических полей Земли определяется не только нормальным распределением свойств, но и аномальным. Таким образом, геофизика служит для выделения и изучения природы аномальных физических полей, обусловленных неоднородностями геолого-тектонического строения геологических, геоморфологических или техногенных объектов.

Геофизическая информация отражает физико-геологические неоднородности среды в плане, на глубину и во времени. Возникновение аномалий физических свойств геологических объектов связано с геодинамическими причинами возникновения того или иного объекта. Причины же могут носить как активный характер – бурный обмен веществом и энергией в системе «поверхность Земли - мантия», так и пассивный – изменения свойств горных пород в процессе эволюции земной коры из зрелой стадии в дряхлую. Например, в процессе метаморфизма существенно гранитоидной земной коры, как правило, немагнитной происходит накопление железа и породы становятся намагниченными.

Если геологические или геохимические методы являются прямыми методами изучения вещества, то геофизические и дистанционные являются косвенными, обеспечивающими равномерность, объемный характер получаемой информации и практически неограниченную глубинность. При этом стоимость глубинных изысканий геофизическими и дистанционными методами во много раз ниже, нежели затраты на геологоразведку или глубокое бурение. Повышая геологическую и экономическую эффективность изучения недр, геофизические методы исследования являются важнейшим инструментом ускорения научно-технического прогресса в геологии и горном деле, в проектировании инженерных объектов и предупреждении техногенных и экологических катастроф. По этой причине распределение средств на изучение недр во всех горно-геологических службах мира происходит в следующем порядке: на геологические исследования –30%, на геофизические методы – 60% и на дистанционное зондирование – 10%.