Фізичні поля Землі

Усередині Землі та у навколишнім її просторі існують енергетичні, так звані фізичні поля – гравітаційне, теплове, магнітне, електричне, сейсмічне. Вони зумовлені самим існуванням планети, особливостями її будови та складу. Ці поля впливають на геологічні процеси або самі є їх рушіями. Наприклад, гравітаційне поле, завдяки якому на Землі здійснюються переміщення в просторі матеріальних тіл, тобто взагалі здійснюються ендогенні та екзогенні процеси.

Дослідження фізичних полів Землі за допомогою спеціальних приладів - це геофізичний напрямок в геології. Він містить різні методи, спрямовані на вивчення будови і складу земної кори, пошуки родовищ корисних копалин, визначення гірничогеологічних умов розробки родовищ.

Теоретичною основою більшості геофізичних методів є наступне. Будь-які геологічні тіла, що характеризуються визначеною густиною речовини, масою і формою також створюють навколо себе фізичні поля малої сили. Останні взаємодіють із загальноземними полями, зменшуючи чи збільшуючи їх інтенсивність. За величинами та характером таких відхилень (аномалій) від звичайного рівня показників визначають глибини залягання і форми геологічних тіл, у тому числі корисних копалин. Вимірювання проводиться за допомогою приладів, що у залежності від їх конструкції застосовуються у звичайних умовах на поверхні, у гірничих виробках або на автомобілях.

Сейсмічні методи вивчення земної кори і Землі в цілому були розглянуті вище, де мова йшла про внутрішні геосфери. Іншими фізичними полями, що відіграють важливу роль у геологічних процесах, є гравітаційне, теплове і магнітне поле.

Гравітаційне поле.Величезна маса Землі зумовлює існування сил притягання до неї усіх тіл, що розташовані на поверхні планети, усередині та за її межами. Простір, в межах якого діють сили притягання, називається полем сили ваги чи гравітаційним полем (лат. гравітас - вага).

Відомо, що сила гравітаційної взаємодії двох тіл пропорційна їх масам і обернено пропорційна квадрату відстані між їхніми центрами. Тому напруженість гравітаційного поля на рівні Місяця майже в 4000 разів менша, ніж біля поверхні Землі. Однак цієї напруженості достатньо, щоб Земля утримувала Місяць як свого супутника. У цілому сила ваги в будь-якій точці простору оцінюється за величиною прискорення вільного падіння g, що існує у цій точці. Для поверхні Землі прийнято середню (еталонну) величину g, яка виміряна в Потсдамі і дорівнює 9,81274 м/с² (приблизно 9,81 м/с²). У центрі Землі g дорівнює нулю.

Гравітаційне поле на поверхні Землі розподілене нерівномірно, тому що величина сили ваги складається в основному з двох сил – сили притягання і відцентрової сили, які спрямовані у протилежні боки.

Сила притягання залежить від відстані до центру Землі, тобто від її радіусу в пункті виміру. Радіус для будь-якої точки земного сфероїда – відома величина, яка залежить від географічної широти.

Сила відцентрова також залежить від географічної широти через те, що визначається вона лінійною швидкістю обертання Землі саме в точці виміру. Для екватора, як відомо, ця швидкість, отже, і відцентрова сила, максимальні, а на полюсах вони дорівнюють нулю. Розрахункові величини на полюсах g = 9,83 м/с², а на екваторі g = 9,78 м/с², але вони відрізняються від істинних через вплив висоти місцевості, мас гірських порід, які розташовані між рівнем виміру і рівнем геоїда, а також через висоту рельєфу. Поправки, що вносяться в обмірюване поле сили ваги, називаються редукцією Буге. Вони дозволяють порівнювати між собою результати вимірів у різних умовах. Відхилення обмірюваних величин g від теоретично розрахованих одержало назву гравітаційних аномалій.

Якщо робити багато вимірів на великій площі, можливо виділити ділянки з негативними і позитивними гравітаційними аномаліями. Конфігурації аномальних ділянок та інші їх ознаки дозволяють робити висновки щодо будови земної кори, про наявність важких рудоносних мас або легких газонафтових відкладів. Такими дослідженнями займається гравіметрія.

Теплове поле.Теплове поле сформувалося як наслідок взаємодії двох джерел теплової енергії: внутрішнього – земного і зовнішнього – сонячного.

Біля половини сонячної енергії, яка спрямована на Землю, поглинає атмосфера, рослинність і поверхневий шар земної кори. Інша половина відбивається у світовий простір і розсіюється в ньому.

Установлено, що за одиницю часу Земля випромінює у світовий простір більше тепла, ніж одержує від Сонця і тому вона в цілому продовжує остигати.

До внутрішніх джерел тепла вчені відносять: залишкове тепло земної кулі, що збереглося відтоді, коли Земля внаслідок гравітаційного стиску була розпеченою; тепло, генероване радіоактивним розпадом, хімічними реакціями і процесами кристалізації; тепло приливного тертя.

Величина теплового потоку (ВТП), який постійно випромінює Земля у світовий простір піддається вимірам за допомогою спеціальної апаратури і є важливою геологічною характеристикою окремих ділянок земної кори. У середньому для планети ВТП складає близько 6•10^-6 Дж/см².с, змінюючись у різних місцях від 0 до 60 Дж/см².с. Найнижча ВТП спостерігається в межах континентальних рівнин (платформ), у горах вона підвищується і максимальних значень сягає в районах розташування діючих вулканів і центральних частин серединних океанічних хребтів.

Теплові потоки від внутрішнього і зовнішнього – сонячного джерел спрямовані назустріч один одному. Їх відносна сталість у часі зумовила те, що для кожної ділянки на Землі встановилася теплова рівновага. Вона виявилась у тому, що на визначеній глибині температура гірських порід завжди залишається постійною. Рівень розташування таких глибин утворює у земній корі своєрідну поверхню, яка поділяє простір теплового поля на дві області – нижню геотермічну і верхню – геліотермічну.

Неважко здогадатися, що ця поверхня відповідає рівню, на якому цілком згасають сезонні (зима – літо) коливання температури. А за величиною ця температура дорівнює середньорічним її значенням для конкретної місцевості.

Глибина залягання цього так званого пояса постійних температур(ППТ) змінюється в межах від 20 до 40 м і залежить від кліматичних умов, теплофізичних властивостей гірських порід, рельєфу місцевості. Таким чином, у зимовий період від денної поверхні вбік ППТ відбувається зростання температури гірських порід, а влітку навпаки – зниження до середньорічного рівня. І тільки нижче ППТ, у геотермічній зоні, відзначається стійке зростання температури, яке не залежить від пори року.

Для оцінки швидкостей зростання температур нижче ППТ прийнято використовувати два параметри – геотермічний градієнт (ГТГ) (˚С/100 м) і геотермічний ступінь (ГТС) (м/1˚С). Градієнт показує приріст температури на кожні 100 м глибини, а геотермічний ступінь, як зворотна величина, вказує на скільки метрів необхідно заглибитися, щоб температура підвищилася на 1˚С. ГТГ на планеті змінюється у широких межах і в середньому складає приблизно 3˚С/100 м.

Зміни ГТС, як показує термометрія, пов'язані з будовою літосфери, складом земної кори і, головне, з тепловим потоком, що надходить з надр Землі. У гірських породах, що мають більшу теплопровідність ГТС зменшується. Поблизу денної поверхні він збільшується під впливом циркуляції підземних вод, а також значної розчленованості рельєфу. Різко зменшується ГТС у районах вулканічної діяльності, а також в межах газонафтових і вугільних родовищ, де мають місце екзотермічні процеси.

Глибина ППТ і величина ГТС визначаються геологами шляхом виміру температур порід у розвідницьких та спеціальних свердловинах. Ці дані використовуються під час розв’язання ряду технологічних завдань у гірничий справі. Перш за все це відноситься до питань забезпечення провітрювання глибоких виробок та організації безпеки гірничих робіт.

Магнітне поле.Планета Земля являє собою своєрідний лінійний магніт з полюсами, які не збігаються з географічними. Північний магнітний полюс розташований у даний час до півночі від Гудзонової затоки в Канаді, а південний – до півдня від Нової Зеландії, в Антарктиді. Тому магнітна вісь Землі відхилена від осі її обертання (географічної осі) на кут, який дорівнює 11,5˚. Лінії, що з'єднують магнітні полюси вздовж земної кулі, називаються магнітними меридіанами.

Магнітне поле Землі поширюється на весь внутрішній простір планети і за її межі на відстань до 14 земних радіусів. Спочатку, на відстані близько 10 радіусів поле упорядковане, а далі воно стає хаотичним, нерегулярним, деформованим – витягнутим у напрямку «сонячного вітру» – потоку заряджених часток, що входять у спектр сонячного випромінювання.

Силові лінії дуже слабкого магнітного поля Землі виходять з південного магнітного полюсу, обгинають планету, згущуються і занурюються в її північний полюс. Така конфігурація поля визначає усі особливості параметрів, що використовуються для його характеристики.

Основною характеристикою магнітного поля є його напруженість. Вона, образно кажучи, пропорційна кількості (щільності) магнітних силових ліній, що перетинають одиницю площі, орієнтовану перпендикулярно до цих ліній. Напруженість – векторна величина. Це стає зрозумілим, якщо взяти до уваги зміну напрямків магнітних силових ліній у просторі – на полюсах вони розташовуються перпендикулярно до поверхні Землі, при віддаленні від полюсів вони поступово зменшують свій нахил і, нарешті, в екваторіальній області займають горизонтальне положення, тобто паралельне поверхні Землі.

Для характеристики вектора напруженості магнітного поля в будь-якому пункті використовують величини кутів, які він утворює з горизонтальною площиною і з напрямком географічного меридіану. Перша з цих величин називається магнітним нахиленням, а друга – магнітним схиленням. Вимірюються параметри магнітного поля магнітометрами.

Нахилення в екваторіальній області дорівнює 0˚ і поступово зростає вбік полюсів до 90˚. Лінії на картах, що з'єднують точки з однаковими величинами нахилення, називаються ізоклінами, а такі ж лінії, що характеризують положення точок з рівними величинами горизонтальних і вертикальних складових вектора напруженості магнітного поля називаються ізодинамами.

Магнітне схилення може бути східним, якщо вектор напруженості (напрямок стрілки компаса) відхиляється праворуч від географічного меридіана, і західним – якщо ліворуч. Земна куля за цією ознакою поділяється на півкулі – відповідно зі східним та західним схиленням. Величини схилень лише в окремих пунктах перевищують 10˚. У Дніпропетровську, наприклад, схилення східне і дорівнює близько 2˚. Величина магнітного схилення повинна враховуватися у вигляді поправки при орієнтуванні на місцевості за допомогою компаса і карти, тому що складання усіх карт здійснюється за географічними меридіанами та широтами.

Напруженість магнітного поля змінюється не тільки у просторі, але і в часі. У просторі вона змінюється дуже складно у зв'язку з існуванням численних, різних за інтенсивністю і розмірами магнітних аномалій. Методами магнітометрії з урахуванням таких аномалій ведуться пошуки родовищ корисних копалин. Наприклад, в Курській магнітній аномалії (КМА) напруженість магнітного поля зростає у порівнянні з фоновою в 4 рази, а на території Криворізького залізорудного басейну вона варіює і сягає ще більших величин. Крім зазначених аномалій існують світовіаномалії напруженості. Вони займають цілі континенти й обумовлені особливостями джерела магнітного поля Землі.

Зміни магнітного поля у часі називаються його варіаціями. У залежності від тривалості, інтенсивності, періодичності та інших ознак розрізняють декілька видів варіацій магнітного поля – збурювання, магнітні бурі, вікові, палеомагнітні, інверсії поля, переміщення полюсів.

Збурювання – це швидкі зміни поля тривалістю до декількох днів.

Магнітні бурі – могутні, нерегулярні збурювання магнітного поля, пов'язані зі спалахами (активізацією термоядерних реакцій) на Сонці.

Вікові варіації - це зсуви світових аномалій магнітного поля на захід зі швидкістю біля двох кутових хвилин довготи за рік (західний дрейф магнітного поля).

Палеомагнітні варіації – періодичні (приблизно через кожні 10 000 років) зменшення або зростання напруженості поля. Ці варіації встановлені шляхом виміру залишкової намагніченості гірських порід.

Інверсії магнітного поля – це швидкі зміни його полярності, коли полюси міняються місцями. Відбувається це з різною періодичністю. Чим ближче до нашого часу, тим частіше – через кожні 0,1 – 1,0 млн. років.

Переміщення магнітних полюсів відбувається безупинно. Це викликає необхідність складання щомісячних карт магнітного схилення для виконання точних геодезичних робіт.

Природа земного магнетизму зрозуміла лише взагалі. Більшість дослідників вважає, що магнітне поле виникло під впливом електричних струмів, що утворюються внаслідок механічних взаємодій між твердою мантією Землі і її рідким зовнішнім ядром. Ця взаємодія у вигляді взаємного прослизання зазначених оболонок повинна мати місце через те, що режим обертання планети безупинно змінюється внаслідок його загального уповільнення і змін розташування осі обертання Землі.