Гравитационное поле и его аномалии
Гравитационное поле Земли следует рассматривать как один из основных видов геофизических полей, хотя в строгом смысле литосфера в ее границах не может считаться источником гравитационного поля ввиду малости вклада в его формирование. Тем не менее о ней следует обязательно упомянуть в этой связи, поскольку именно литосфера непосредственно контактирует с гидросферой и атмосферой. Только благодаря сильному гравитационному полю, на Земле удерживаются гидросфера и атмосфера, обеспечивающие существование жизни.
В целом гравитационное поле Земли характеризуется большой сложностью структуры и пространственной изменчивостью, которые определяются особенностями плотностного разреза, взаимным расположением и размерами гравитирующих тел на фоне общего планетарного поля силы тяжести. Гравитационное поле (ускорение свободного падения) в пределах поверхности планеты изменяется от 9,78 м/с2 на экваторе до 9,83 м/с2 на полюсах (табл. 60).
На фоне таких закономерных широтных изменений поля силы тяжести могут быть выделены гравитационные аномалии геологической природы, составляющие (3-30) • 10’4 м/с2, и временные вариации, обусловленные приливным воздействием космических тел, и в первую очередь Луны и Солнца, приводящим к периодическим изменениям высотного положения поверхности планеты, а также к медленному перераспределению масс внутри земного шара. Приливные вариации могут достигать 3,4 • 10″4м/с2, возможная величина вековых изменений силы тяжести в течение года предположительно составляет менее 1,0 • 10″4м/с2.
В последние годы все большее внимание обращает на себя проявление тех факторов изменения силы тяжести на поверхности литосферы, которые обусловлены инженерной деятельностью человека — извлечением из недр Земли значительного количества ископаемого сырья, искусственным снижением или повышением уровня подземных вод, созданием обширных водохранилищ, строительством крупных городских агломераций. Изменяющаяся в связи с осуществлением подобных мероприятий сила тяжести может в определенной мере отражаться на протекании многих экологически значимых процессов, таких, например, как сейсмотектонические подвижки, обвальные явления, оползне- и карстопроявление, процессы, связанные с проседанием земной поверхности, переработкой берегов крупных водохранилищ. Правомерно говорить об опосредованном через геологические процессы воздействии гравитационных аномалий техногенного происхождения на биоту.
Геомагнитное поле и его аномалии
Магнитное (геомагнитное) поле земли в значительно большей степени зависит от строения и свойств литосферы, поскольку многие источники магнитного поля, вносящие свой вклад в общее геомагнитное поле, располагаются именно в литосфере. Сама история формирования литосферы самым тесным образом связана с магнитными свойствами пород, с магнитным полем Земли. При этом наблюдаемое на поверхности планеты магнитное поле на 95% обязано своим существованием относительно стабильным источникам, находящимся в ее ядре. И лишь остальные 5% обусловлены инициируемыми солнечной активностью токами и связанными с ними магнитными полями в ионосфере и земной коре.
Земля представляет собой гигантский магнитный диполь, поле которого проявляется на поверхности планеты и выходит далеко в околоземное пространство, создавая так называемую магнитосферу. Многие физические тела на Земле и в том числе некоторые горные породы, слагающие литосферу, обладая некоторым собственным магнетизмом, приобретают под воздействием доминирующего магнитного поля планеты индуцированный магнетизм. Поэтому наблюдаемое на земной поверхности или вблизи нее магнитное поле обусловлено совокупным влиянием множества источников и в том числе источников, располагающихся в объеме литосферы — железорудных тел и горных пород, свойства которых зависят от содержания и распределения в них ферромагнитных материалов, таких как магнетит, титаномагнетит, ильменит, пирротин, гематит и другие.
На фоне нормального геомагнитного поля, составляющего величину 500-618 мЭ (см. табл. 60), выделяются аномалии, обусловленные различными причинами: в одних случаях — скоплением в пределах верхних слоев литосферы горных пород с ярко выраженными магнитными свойствами, в других — как следствие воздействия внешних по отношению к Земле источников на окружающую ее магнитосферу.
* Принятая в геофизике единица измерения напряженности магнитного поля миллиэрстед; 1 мЭ приблизительно равен 0,08 А/м. В настоящее время используется единица нанотесла (нТл), 1 мЭ = = 100 нТл.
В первом случае пространственное положение аномалии остается неизменным, а ее величина изменяется от единиц до 1300 мЭ; во втором случае возможны существенные изменения как пространственного положения, так и амплитуды аномалий.
Хорошо известно, что магнитное поле Земли подвержено медленным изменениям, так называемым вековым вариациям, максимальные величины которых могут достигать нескольких миллиэрстед в год.
Помимо таких «медленных» вариаций, наблюдаются более сжатые во времени (до нескольких часов или двух-трех суток) изменения геомагнитного поля — магнитные бури. Во время прохождения магнитных бурь изменение магнитного поля может составлять 10 мЭ.
Температурное поле него аномалии
Земля представляет собой гигантскую энергетическую машину, в которой различные виды энергии — упругой, гравитационного сжатия, приливного трения и радиоактивного распада — превращаются тем или иным путем в тепловую энергию, обусловливая температурный режим ее недр. Тепловое состояние Земли и закономерности его изменения определяются общим тепловым балансом массивов горных пород, зависящим от распределения приходящей энергии. Распределение энергии, в свою очередь, обусловлено рядом глобальных, региональных и локальных особенностей строения планеты и приповерхностных ее частей. Температурный режим верхней части земной коры устанавливается в энергетическом взаимодействии Земли с Солнцем и космическим пространством, с одной стороны, и, с другой стороны, с источниками тепловой энергии, расположенными во внутренних сферах планеты.
Распределение температуры и источников тепла в недрах планеты и в припо-верхностной ее части имеет фундаментальное значение. Действительно, все свойства вещества Земли на всех ее структурных «этажах», будь то вязкость, упругость, электропроводность, намагниченность, играющие важную роль в формировании геофизических полей, частично, а иногда и в значительной мере зависят от температуры той глубине, где это вещество находится. Совокупность источников тепловой энергии формирует не только тепловой режим грунтовой толщи, залегающей вблизи поверхности Земли, но и климат, а также условия, пригодные для существования живых организмов.
Источниками, поддерживающими температурное поле Земли (геотемпературное поле) в целом и в пределах верхних ее слоев — литосферы, являются внешние (космические) и внутренние (планетарные) процессы. К числу внешних процессов относятся солнечная радиация, излучение звезд, энергия метеоритов, падающих на Землю, гравитационное воздействие Луны и Солнца. Внутренними источниками тепловой энергии являются ядерные реакции внутри Земли и в первую очередь в пределах литосферы, гравитационная дифференциация вещества внутри планеты, замедление скорости ее вращения, экзотермические (идущие с выделением тепла) химические реакции, кристаллизационные и полиморфические трансформации и фазовые переходы, приливное трение, релаксация упругих напряжений и тектонические движения.
Внутренние (планетарные) источники тепловой энергии, уступая по мощности солнечному излучению, превосходят остальные космические источники. Основным внутренним источником тепла являются ядерные реакции. Мощность этого источника, составляющая 18,0 • 1020 Дж/год, приблизительно в 1,5 раза превышает суммарную мощность всех остальных планетарных источников тепловой энергии.
Для самой верхней части литосферы приобретают все большее значение техногенные источники тепловой энергии. Мощность такого рода источников на несколько порядков меньше мощности планетарных источников и мощности солнечного излучения. Но занимая всего около 5-10% территории суши, они, как правило, сосредоточены в ограниченном объеме литосферного пространства — в субстрате промышленно-городских агломераций и других интенсивно используемых территорий. Поэтому генерируемый ими тепловой поток может оказаться соизмеримым с тепловым потоком, обусловленным наличием более мощных планетарных источников тепла. Более того, в пределах территории больших городов и промышленно-городских агломерации суммарный поток из недр составляет всего около 28% общего теплового потока, достигающего земной поверхности, тогда как примерно 72% его приходится на долю техногенеза, оказывающего существенное тепловое воздействие на окружающее литосферное пространство и связанную с ним биосферу.
Таким образом, в формировании температурного поля в верхних слоях литосферы, где оно является существенным экологическим фактором, принимают самое непосредственное участие как естественные источники, находящиеся вне и внутри Земли, так и искусственные, располагающиеся непосредственно в пределах самой верхней освоенной человеком части литосферы.
Электрические и электромагнитные поля и их аномалии
В литосферном пространстве Земли существуют многообразные электрические и электромагнитные поля, различающиеся по своей природе и интенсивности проявления. По генетическому признаку источники, создающие поля электрических токов, подразделяются на естественные и искусственные (техногенные), а по отношению к литосферному пространству как среде-носителю — на внешние и внутренние.
Природа электрических полей разнообразна. Это, с одной стороны, естественные поля природных электронных проводников, фильтрационные и термофильтрационные, диффузионные, теллурических токов и грозовых разрядов. С другой стороны, существуют поля электрических токов техногенного происхождения, создаваемых человеком в процессе реализации современных технологий.
Электромагнитное поле Земли естественного происхождения проявляется в виде разнопериодных электромагнитных колебаний (вариаций), частотный спектр которых представлен полосой от 10~4 до 102 Гц. Интенсивность (амплитуда) вариаций зависит от солнечной активности, географического положения и геологического строения места наблюдения. Амплитуда вариаций электрической составляющей естественного электромагнитного (магнитотеллурического) поля может достигать 100-200 мВ/км (см. табл. 59) при средних значениях 30-40 мВ/км и фоновом уровне 0,1-10,0 мВ/км.
Особенности геологического строения в большей степени отражаются на поведении электрической составляющей электромагнитного поля как более чувствительной к гетерогенности строения литосферы, но, хотя и слабее, проявляются также в поведении магнитной составляющей. Максимумы интенсивности вариаций естественного электромагнитного поля приходятся на годы солнечной активности.
Электрическая составляющая электромагнитного поля любого генезиса весьма чувствительна к геологическим неоднородностям в строении земной коры, связанным с изменением электропроводности горных пород. Как следствие этого, все без исключения тектонические элементы оказываются отображенными в аномалиях электрической составляющей естественных электромагнитных полей. Поскольку аномалии электромагнитных полей, сопутствующие структурным элементам литосферы, могут вдвое и более того, превышать фоновый уровень, интерес к ним с экологических позиций как к фактору, могущему влиять на условия жизни, достаточно велик.
Хорошо известны естественные электрические поля электрохимической, термофильтрационной, фильтрационной и другой природы, которые можно относить к категории квазипостоянных или медленно меняющихся полей. Электрические поля, наблюдаемые на поверхности Земли и обязанные своим существованием протеканию в реальных геолого-геохимических условиях рудных и некоторых
других месторождений электрохимических окислительно-восстановительных процессов, могут создавать естественные потенциалы в пределах мВ при фоновых значениях, характерных для естественных электрических полей разной природы, 5-100 мВ.
Особый вид земных электрических полей представляют термофильтрационные поля, возникающие в породах различного типа, за исключением рыхлых пес-чано-глинистых водонасыщенных образований. Идентификационный признак полей этого вида- изменение электрического потенциала в зависимости от суточных вариаций температуры в приповерхностной части геологического разреза от 40 до 400 мВ (см. табл. 60).
Естественное электрическое поле фильтрации обусловлено движением подземных вод через пористые горные породы. Своим происхождением электрофильтрационные поля обязаны существованию двойного электрического слоя на границе твердой и жидкой фаз горной породы, рассматриваемой в данном случае в качестве двухфазной системы. Величина потенциала фильтрации может достигать 40-200 мВ и зависит от целого ряда факторов: перепада давления в фильтрующем пласте, электрического сопротивления фильтрата, подстилающих и перекрывающих водопроводящий слой горных пород, вязкости флюида, а также структурных особенностей геологического пространства, в пределах которого реализуется процесс фильтрации. Электрические фильтрационные поля обнаруживают, как правило, устойчивую связь с геоморфологической и литолого-гидрогеологической обстановкой областей, где они наблюдаются.
В пределах верхней части литосферы весьма часто можно наблюдать условия, благоприятные для появления диффузионно-адсорбционных потенциалов, возникающих на контактах пород разного литологического состава или вследствие изменения химического состава вод, насыщающих породы одной и той же литологи-ческой разности. Как правило, диффузионно-адсорбционные электрические поля, величина потенциала которых может достигать мВ (см. табл. 60), наблюдаются на поверхности в области контактов песчаных и глинистых пород, а также ч пределах участков смены минерализации подземных вод.
Весьма существенную роль в формировании энергетического пояса вблизи поверхности Земли играет атмосферное электричество (электростатическое поле), играющее большую роль и в качестве экологического фактора. Атмосферное электричество проявляет себя в виде следующих наблюдаемых нами феноменов: молний, «сухих» грозовых разрядов (зарниц), огней св. Эльма*.
В случае электростатического поля Земли мы имеем дело с гигантским кон-денсатором, обкладками которого являются земная поверхность и слой ионосферы. Силовые линии поля атмосферного электричества направлены сверху от положительно заряженных слоев ионосферы вниз к отрицательно заряженной поверхности планеты. Движение положительных зарядов вниз и встречное движение отрицательных зарядов приводит к возникновению тока проводимости, средняя величина плотности которого составляет приблизительно 2,9 • 10~20А/м2. Между атмосферой и поверхностью Земли существует разность потенциалов, составляющая у поверхности Земли величину 100 В/м, могущая, однако, во время гроз достигать 40 кВ/м.
В атмосфере всегда наличествуют ионы (аэроионы) обоих знаков (полярностей). В среднем на 1 м2 поверхности планеты приходится примерно 6,7 • 109 элементарных зарядов. Измерения показывают, что в большинстве случаев преобладают положительные аэроионы. Количественно соотношение аэроионов обеих полярностей оценивается по величине так называемого коэффициента униполярно-сти — безразмерного отношения числа положительных аэроионов к числу отрицательных (q =п+/п). При средней концентрации положительных ионов 800 ион/см3 и отрицательных ионов 700 ион/см3 величина q составляет 1,14.
Наблюдения показывают, что в нормальных условиях в 1 см3 воздуха в приповерхностном слое атмосферы содержится 1000-1400 аэроионов обоих знаков (см. табл. 59). В крупных городах удельное содержание аэроионов увеличивается до 1500 в 1 см3 и, что имеет большое значение с позиций экологии, в основном за счет «тяжелых» аэроионов, оказывающих вредное воздействие на живые организмы. Значительное увеличение числа ионов наблюдается в атмосфере так называемых «электрокурортов» — до 3700 ион/см3, а также вблизи водопадов и в зоне морского прибоя — 50-100 тыс. ион/см3. При этом соотношение количества положительных и отрицательных аэроионов варьирует, что отражается на коэффициенте униполярности, который изменяется от 1,0 в местностях, относимых к «электрокурортам», до 1,25 в крупных городах, промышленных центрах и т.п.
Хотя из названия «атмосферное электричество» следует, что упоминаемое электростатическое поле присуще атмосфере, тем не менее роль литосферы в формировании поля этого вида достаточно велика. Насыщение воздуха ионами происходит вследствие распада радиоактивных веществ, находящихся в воде, почве и горных породах. Радиоактивное излучение почвы и горных пород является, наряду с космическим и солнечным корпускулярным видами излучения, естественным ионизатором воздуха в приземном слое атмосферы. Локальными ионизаторами служат гранитные породы, сланцы, металлические руды, не говоря уже об урансодержащих горных породах.
* Огни св. Эльма — наблюдаемое стекание земного электричества с различных острий, например, вершин гор, мачт кораблей, пальцев руки человека и т.п.
Поле ионизирующего излучения
Поле ионизирующего излучения (чаще его называют радиационным полем, или полем радиоактивности), наблюдаемое на поверхности Земли, имеет двойную природу. В формировании нормального радиационного фона, с одной стороны, большую, хотя и не самую главную, роль играет излучение, приходящее к поверхности планеты извне, из дальнего Космоса и околоземного пространства. С другой стороны, основная часть радиационного фона вблизи поверхности Земли обязана своим происхождением наличию в верхней части литосферы (в земной коре) радиоактивных веществ и процессу дегазации планеты, в ходе которого на поверхность ее выносится большое количество радиоактивных газов — радона-222 и торона (радона-220).
Космический фон, на долю которого приходится всего около 12% общего уровня радиоактивности, характеризуется мощностью дозы излучения в 0,030,06 мкГр/ч (3-6 мкР/ч) . В высокогорье космический радиационный фон возрастает на 0,015 мкГр/ч (1,5 мкР/ч) на каждый километр превышения отметки рельефа местности.
Нормальная радиоактивность горных пород обусловлена кларковым содержа-
нием в ней радионуклидов (радиоактивных элементов). «Нормальными» в радиа-
ционном отношении принято считать горные породы, в которых содержание ра-
диоактивных элементов (продуктом распада которого является ра-
дон-222) и тория-232 (в результате распада которого образуется радон-220, или то-
рон) не превышает 2,5 г/т (2,5 кларка). Содержание урана в породах в количестве
создает аномалию радиоактивности, характеризующуюся мощностью до-
зы излучения в 0,05 мкГр/ч (5 мкР/ч), а повышение содержания до 2% обусловли-
вает поле радиации на уровне 100 мкГр/ч (10 000 мкР/ч). Радиационный фон
в угольных и других «неурановых» шахтах фиксируется на уровне 0,04-0,06 мкГр/ч
(4-6 мкР/ч), но может достигать 2,97 мкГр/ч (297 мкР/ч).
Горные породы, такие как известняки, доломиты, ультраосновные магматические породы создают поле в п «0,01 мкГр/ч, кислые магматические породы, некоторые глинистые породы и поверхностные моренные отложения — на порядок выше -в п 0,1 мкГр/ч.
К зонам повышенного риска относятся регионы, где на поверхность Земли выходят граниты, гнейсы, вулканические туфы, фосфориты и другие породы, содержание урана и тория в которых может достигать г/т кларков) и более. Эманирование радона существенно повышается там, где горные породы дезинтегрированы, т.е. в зонах разломов, выветривания, трещиноватости. Повышенное выделение радона из почвы наблюдается также в сейсмически активных областях.
Грей (Гр) — единица измерения дозы излучения в Международной системе единиц СИ. 1 Гр = 100 Р.