Файл: Основы геологии.pdf

18
Тепловое поле Земли имеет сложный характер. Возникло оно из поверх- ностных и внутренних источников тепла в процессе развития Земли. Главным поверхностным источником тепла является Солнце, которое посылает на каж- дый квадратный сантиметр её поверхности в год около 170 ккал, из которых до
60 ккал поглощается атмосферой. А остальное тепло поступает непосредствен- но в литосферу и гидросферу, являясь причиной многих экзогенных геологиче- ских процессов (ветер, выветривание и т.д.). Незначительную роль в поверхностном тепловом поле играет тепло приливного течения.
Глубинные источники тепла играют заметно меньшую роль, количество такого тепла во много раз меньше, хотя роль глубинного тепла в эндогенных геологических процессах чрезвычайно велика.
Откуда же берётся тепло в недрах Земли? Считают, что существует два основных источника внутреннего тепла: радиационное, за счёт радиоактивного распада химических элементов в недрах Земли (термоядерные естественные ре- акции), а также за счёт сепарации вещества земного ядра.
Радиоактивный распад даёт основную часть эндогенного тепла. При этом основными источниками разогрева недр планеты называются уран, торий и ра- диоактивный изотоп калия. Радиоактивные элементы связаны, в основном, с гранитами и осадочными горными породами земной коры.
Как же распределяется и распространяется тепло в недрах Земли? Есть ли какие-нибудь закономерности в этом? Оказывается, есть. Так, в недрах Земли существует зона постоянных температур – это зона, в которой температура равна среднегодовой температуре этой области. Выше этой зоны температура целиком зависит от климатической и сезонной температуры для этого участка планеты. Ниже зоны постоянных температур она постепенно повышается за счёт внутренних источников тепла. При этом повышение температуры с глуби- ной в разных районах планеты происходит по-разному. Это зависит, прежде всего, от особенностей геологического строения этого участка (блока), а в связи с этим и от различной теплопроводности горных пород разного состава и строения, как и от различного количества тепла, поступающего из недр.
В среднем для Земли рассчитаны скорости увеличения температуры с по- гружением в недра – это геотермические градиенты. В верхней части земной коры средний геотермический градиент составляет 3,0 0
С на каждые 100 м, то есть через каждые 33 м в глубине температура повышается на 1 0
. Каждый кон- кретный участок земной коры характеризуется своим местным градиентом, ко- торый зависит от двух главных причин: геологического строения и близости или удалённости от него магматических очагов.

19
Поскольку радиоактивные элементы связаны, главным образом, с грани- тами (кислыми горными породами) и осадочными породами, а их количество с глубиной уменьшается, и нижняя часть земной коры сложена веществом ос- новного состава («базальтовым» слоем), то ниже 10-15 км прирост температуры начинает понижаться.
Считается, что в нижних слоях земной коры на континентах нижним преде- лом температур является 600-800 0
С, а в океанах – всего 150-200 0
С. Верхний предел определяется температурой плавления минерала оливина, который содержится в составе верхней мантии. Эта температура составляет 1950 0
С – она-то и принята за верхний предел температуры твёрдого вещества Земли, так как при более высоких температурах любое вещество в недрах будет расплавлено. Температура на границе мантии и земного ядра рассчитана теоретически и составляет предположительно от
1000 0
С до 5000 0
С. Вещество ядра Земли имеет температуру, также полученную пу- тём теоретических расчётов. Она оценивается в 3600-6000 0
С. Тепловое поле Земли играет огромную роль в геологических процессах, происходящих как на поверхно- сти, так и в недрах планеты. С солнечной энергией непосредственно связаны про- цессы выветривания любого типа, деятельность ледников, возникновение и работа ветра и др. Внутреннее тепло вызывает метаморфические и магматические процес- сы, является их главной действующей силой.
Температура оказывает большое влияние и на формирование целого ряда месторождений полезных ископаемых. Например, при формировании месторо- ждений нефти и газа температура определяет фазовый состав образующихся скоплений углеводородов: газовые, нефтяные, газоконденсатные и др. Поэтому данные о пластовых температурах могут использоваться при прогнозе и прове- дении поисковых работ на месторождениях углеводородов. Температурными режимами определяется и формирование в разных условиях рудных минералов, среди которых по этому признаку выделяют высоко- , средне- и низкотемпера- турные минеральные ассоциации.
Волновое поле упругих сейсмических волн. Сейсмические волны являют- ся одним из главных источников информации о внутреннем строении Земли.
Изучением закономерностей распространения этих волн, изучением землетря- сений, регистрацией сейсмических волн и обработкой всех материалов по ним занимается наука, которая называется сейсмологией.
Упругие сейсмические волны возникают в очаге землетрясения и распро- страняются с некоторой скоростью, которая зависит от состава и внутреннего строения горных пород, а также от условий их залегания. Распространение этих волн происходит по всем направлениям путём упругих перемещений частиц

20 среды. Различают два типа сейсмических волн: продольные и поперечные.
Продольные волны перемещают частицы в направлении распространения волн, а поперечные – в направлении, перпендикулярном к направлению перемещения сейсмических волн. Поэтому скорость распространения продольных волн зна- чительно больше, чем скорость распространения поперечных.
В связи с неоднородностью и сложностью геологического строения лито- сферы, наличием многочисленных литологических границ между слоями и те- лами горных пород упругие сейсмические волны не могут распространяться прямолинейно, направление их перемещения постоянно искривляется. При этом распространение этих волн подчиняется законам распространения оптиче- ских волн, то есть на границах между разными по составу или строению геоло- гическими телами сейсмические волны могут отражаться и преломляться. При сейсмологических исследованиях регистрируются все волны: прямые, отра- жённые и преломлённые, которые несут наиболее полную информацию о внут- реннем геологическом строении геосфер Земли (рис. 7).
Рис. 7. Принцип-схема работы метода отраженных волн (МОВ):
В – источник излучения; 1 – сейсмоприемник, 2 – направление отраженных волн,
3 – отражающая поверхность, 4 – горные породы нижнего комплекса
На всей планете развёрнута сеть сейсмостанций, которые постоянно ре- гистрируют упругие сейсмические волны. Особое значение эти наблюдения имеют для сейсмоопасных, сейсмоактивных районов.
На использовании законов распространения упругих сейсмических волн в недрах Земли основан сейсмометрический метод исследований внутреннего строения планеты, а также сейсмологический метод. Суть этих методов одинако- ва. Разница заключается в том, что сейсмологический метод основан на изучении распространения естественных упругих сейсмических волн, образующихся в ре-

21 зультате проявления землетрясений; сейсмометрический метод использует для исследований распространение искусственных сейсмических волн, образован- ных в результате искусственных взрывов зарядов в стволах буровых скважин, специально подготовленных для этого.
Суть же того и другого методов заключается в фиксировании, изучении и анализе особенностей прохождения упругих сейсмических волн через разные зоны или геосферы планеты. Это даёт возможность предположительно гово- рить об определённом положении (условиях залегания) и составе горных пород на разных глубинах в недрах Земли. Сейсмические методы весьма разнообраз- ны, вот некоторые из них: МОВ – метод отражённых волн; МПВ КМПВ – ме- тод преломлённых волн; МНРП – метод направленного регулируемого приёма и т. д. Для изучения малых и средних глубин применяется метод ВЧС – высо- кочастотной сейсморазведки, а для глубинных зон планеты – метод ГСЗ – глу- бинного сейсмического зондирования.
Гравитационное поле Земли обусловлено геологическим строением и раз- ной плотностью горных пород, слагающих земную кору, а также более глубинные зоны. Изучением величин, характеризующих гравитационное поле, их использо- ванием для определения фигуры Земли, общего внутреннего строения и других проблемных вопросов занимается наука, которая называется гравиметрией.
Гравитационное поле задаётся полем силы тяжести, которое является ре- зультирующей двух основных сил: силы притяжения (тяготения) Земли и цен- тробежной силы, вызванной её суточным вращением. Центробежная сила уменьшает силу тяжести от полюсов к экватору – на экваторе она на 0,5% меньше, чем на полюсах.
Величина силы тяжести зависит от фигуры и распределения плотности внутри Земли. Сила тяжести определяется специальными приборами, которые называются гравиметрами. Измерения силы тяжести могут производиться на поверхности Земли стационарно или с движущихся объектов: лодок, самолётов, вертолётов, машин, кораблей с непрерывной записью измерений ускорения си- лы тяжести по пути следования движущегося объекта.
Гравитационное поле Земли имеет очень сложный характер, что объясня- ется неоднородным строением планеты по плотности (разный состав и условия залегания горных пород) и неправильной формой самой Земли. Для решения практических задач гравитационное поле рассматривают состоящим из двух частей: нормального поля, изменяющегося с широтой, и аномального поля, сложного по распределению, обусловленного неоднородностями плотности по- род в верхних слоях земной коры.

22
Разность между наблюденной силой тяжести и нормальной, рассчитанной по формуле распределения нормальной силы тяжести, называется аномалией
силы тяжести.
На основании гравиметрических измерений составляются карты гравиметрического поля в изолиниях силы тяжести, то есть линиях равной силы тяжести. С помощью этих карт изучается распределение плотностных неодно- родностей в теле планеты на разных глубинах, что отражает основные черты геологического строения того или иного участка земной коры.
Магнитное поле Земли. Источниками магнитного поля являются намагни- ченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела.
Магнетизм планеты обусловлен действием постоянных источников, рас- положенных в недрах Земли. Эти источники испытывают медленные вековые изменения. Магнетизм обусловлен также переменными источниками, располо- женными в магнитосфере Земли и ионосфере.
Различают основное магнитное поле – главное, и переменное магнитное поле, при этом главное магнитное поле составляет около 99% всего магнитного поля Земли.
Установлено, что главное магнитное поле образовалось в результате сложных интенсивных движений в электропроводящем жидком слое Земли.
Эти движения привели к самовозбуждению магнитного поля планеты. Земной магнетизм тесно связан с вращением планеты вокруг своей оси. Геомагнитное поле испытывает колебания в истории Земли, но в среднем оно сохраняется от- носительно стабильным в течение длительного времени – сотен миллионов лет.
Переменное магнитное поле Земли связано с проявлениями Солнечного ветра, что приводит к нарушению дипольной структуры поля. Магнитные воз- мущения охватывают всю планету в течение одного или нескольких дней. Они возникают при резком изменении параметров солнечного ветра и выражаются в верхней части атмосферы Земли в виде полярных сияний, ионосферных возму- щений, рентгеновского и низкочастотного излучений. Единицей индукции маг- нитного поля является гаусс (гс). У поверхности Земли магнитное поле равно примерно 0,5 гс, а на границе магнитосферы – 10
-3
гс.
Магнитное поле тесно связано с электрическим полем.
Так как основное магнитное поле Земли связано с внутренними источни- ками, то знание законов распределения магнитного поля позволяет судить об особенностях геологического строения внутренних частей планеты. Магнитное поле измеряется специальными приборами, которые называются магнитомет-
рами. Наука, изучающая магнитное поле, называется магнитометрией.

23
Результатом изучения магнитных полей Земли является построение маг- нитных карт, на которых характеристика магнитного поля даётся в виде изоли- ний магнитного поля, то есть линий равного значения магнитного поля. В районах, где магнитное поле является неоднородным, по магнитным свойствам горных пород выявляются аномалии магнитного поля – участки или зоны с рез- ко отличающимся магнитным полем, что свидетельствует о наличии в этом районе горных пород с отличающимися магнитными свойствами. Анализ карт магнитных полей позволяет высказывать обоснованные предположения о гео- логическом строении различных участков земной коры.
Для расшифровки – интерпретации материалов магнитометрических ис- следований и высказывания представлений о геологическом строении того или иного участка земной коры разные горные породы по всему геологическому разрезу изучаемого района предварительно исследуются лабораторными мето- дами с определением их физических свойств: в данном случае, при интерпрета- ции магнитометрических данных изучается их магнитная восприимчивость.
Полученные материалы используются в качестве эталонов при интерпретации геофизических материалов. Подобным же образом действуют и при интерпре- тации гравиметрических материалов, используя лабораторные исследования плотностных характеристик горных пород; при интерпретации электроразве- дочных материалов опираются на предварительное изучение электрических свойств (электрического сопротивления и проводимости горных пород) и т.д.
Изучение электрического поля производится с помощью специальных приборов, которые называются потенциометрами. Наука, изучающая электри- ческое поле, называется электроразведкой. Основана она на том, что разные горные породы обладают различными способностями проводить электрический ток или сопротивляться его прохождению. Отсюда и два наиболее распростра- нённых электроразведочных метода исследований: метод электропроводимости и метод сопротивлений. Исследования проводятся зондированием изучаемого разреза специальными приборами. Сравнение полученных с помощью прибо- ров данных с эталонными измерениями для различных типов горных пород по- зволяет высказывать предположения о геологическом строении данного участка с последующим контролем прямыми геологическими методами, чаще всего бурением скважин.
Таким образом, физические поля Земли отражают особенности геологи- ческого строения изучаемых участков земной коры через проявление опреде- лённых физических свойств слагающими этот участок породами.
Сами горные породы залегают на разных глубинах, в связи с чем изучить