Геофизические поля Земли

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Геология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Министерство образования и науки

Российский Государственный Университет

нефти и газа имени И.М. Губкина

Кафедра геологии

Курсовая работа

НА ТЕМУ: Геофизические поля Земли

Оглавление

тепловой поле магнитный зондирование

  • Введение
  • 1. Тепловое поле Земли
    • 1.1 Параметры теплового поля Земли
    • 1.2 Применение терморазведки
  • 2. Поле силы тяжести
    • 2.1 Параметр поля силы тяжести
    • 2.2 Интерпретация и задачи, решаемые гравиметрической разведкой
    • 2.3 Применение гравиметрической разведки
  • 3. Магнитное поле Земли
    • 3.1 О происхождении магнитного поля Земли
    • 3.2 Главные элементы магнитного поля
    • 3.3 Магнитометрическая, или магнитная, разведка
    • 3.4 Намагниченность горных пород и их магнитные свойства
    • 3.5 Применение магниторазведки для картирования, поисков и разведки полезных ископаемых
  • 4. Электромагнитное поле Земли
    • 4.1 Электромагнитные поля
    • 4.2 Электромагнитные свойства горных пород
    • 4.3 Электромагнитная разведка
    • 4. 4Особенности применения электромагнитных зондирований
  • 5. Вывод
  • 6. Список литературы

тепловой поле магнитный зондирование

Введение

Геофизика -- комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Геофизика в широком смысле изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озёр, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию).

К геофизическим полям относятся:

1. Тепловое поле земли.

2. Поле силы тяжести.

3. Магнитное поле Земли.

4. Электромагнитное поле Земли.

1. Тепловое поле Земли

Земля относится к группе холодных небесных тел. В космическое пространство она излучает меньше энергии, чем получает извне. На ее поверхность воздействует огромный энергетический поток, поступающий от Солнца. По данным М. Д. Хуторского, он составляет 5,5 *1024 Дж в год, что в 10 тыс. раз больше собственного теплового поля Земли. Около 40% этой энергии отражается в космическое пространство. Лишь 2% энергии идет на разрушение горных пород.

О том, что в недрах Земли температура значительно выше, чем в приповерхностном слое, ученые знали давно, основываясь на таких фактах, как вулканическая деятельность, наличие гидротермальных источников. Все это свидетельствует о собственных энергетических ресурсах Земли.

1. 1 Параметры теплового поля Земли

А) геотермический градиент.

Б) геотермическая ступень.

В) коэффициент теплопроводности.

Г) теплоемкость.

Д) плотность теплового потока.

Е) величина теплогенерации.

Геотермический градиент характеризует изменение температуры горных пород на единицу расстояния. В зависимости от того, изменяется температура по площади или в вертикальном разрезе, выделяют горизонтальный и вертикальный геотермический градиент.

Величина обратная геотермическому градиенту называется геотермической ступенью. Она характеризует длину интервала пород, в пределах которого температура повышается на один градус.

По данным Б. Гуттенберга, геотермический градиент в разных точках земного шара отличается. Его максимальное значение более чем в 15 раз превосходит минимальное, что свидетельствует о различной эндогенной активности регионов и разной теплопроводности слагающих их горных пород.

Способность пород проводить тепло характеризует коэффициент теплопроводности (К), который равен количеству тепла, переносимого через единицу поверхности за единицу времени при градиенте температур, равном единице.

Наиболее полную характеристику тепловому полю дает плотность теплового потока, который равен произведению геотермического градиента на коэффициент теплопроводности.

В среднем на планете плотность теплового потока составляет 75 мВт/мм, не отличаясь значительно для континентов и океанов. Отклонения теплового потока от средних значений получили название аномалий, которые делятся на региональные и локальные.

1. 2 Применение терморазведки

В различных природных условиях получаемые геотермические профили и карты служат для оконтуривания многолетнемерзлых и талых горных пород с различными тепловыми свойствами; изучения динамики подземных вод; прогноза приближения забоя выработок обводненным зонам и решения других задач.

2. Поле силы тяжести

2. 1 Параметр поля силы тяжести

Основным измеряемым параметром в поля силы тяжести является ускорение свободного падения g, которое определяется либо абсолютно, либо относительно.

Гравиметрическая или гравитационная разведка (сокращенно гравиразведка) — это геофизический метод исследования земной коры и разведки полезных ископаемых, основанный на изучении распределения аномалий поля силы тяжести Земли вблизи земной поверхности, акваториях, в воздухе. Поле силы тяжести обусловлено в основном Ньютоновским притяжением Землей всех тел, обладающих массой. Так как Земля сферически неоднородна, да еще вращается, то поле силы тяжести на земной поверхности непостоянно. Изменения эти малы и требуют высокочувствительных приборов для их изучения. Основными измеряемыми параметрами гравитационного поля являются ускорение силы тяжести и градиенты (изменения ускорения по разным направлениям). Величины параметров поля силы тяжести зависят, с одной стороны, от причин, обусловленных притяжением и вращением Земли (нормальное поле), а с другой стороны — от неравномерности изменения плотности пород, слагающих земную кору (аномальное поле). Эти две основные причины изменения силы тяжести на Земле послужили основой двух направлений гравиметрии: геодезической гравиметрии и гравитационной разведки.

2. 2 Интерпретация и задачи, решаемые гравиметрической разведкой

В результате гравиразведки получаются карты и графики аномалий Буге ?, на которых выделяются латеральные плотностные неоднородности горных пород, залегающих на разных глубинах. Положительным аномалиям соответствуют более плотные, а отрицательным — менее плотные породы, но всегда они представляют собой суперпозицию гравитационных полей, обусловленных аномалосоздающими объектами разных по глубине структурных этажей.

Интерпретация данных гравиразведки бывает качественной и количественной и сопровождается геологическим истолкованием результатов. При качественной интерпретации выделение аномалий ведется визуально или статистическими приемами. При количественной, расчетной интерпретации определяются местоположение эпицентров (проекции на земную поверхность) аномалосоздающих объектов, глубины залегания их центров, формы, размеры, избыточные плотности.

2. 3 Применение гравиметрической разведки

Гравиразведка применяется для решения широкого круга задач, связанных с исследованием глубинного строения Земли, по крайней мере, верхней мантии и земной коры, с региональным тектоническим районированием суши и океанов, поисково-разведочными работами на многие полезные ископаемые, изучением геологической среды.

Так же гравиразведка применяется для поисков и разведки нефтяных структур, угольных бассейнов, рудных и нерудных полезных ископаемых.

Рассмотрим краткую характеристику этих областей применения гравиразведки. Гравиразведка применяется для разведки следующих нефтяных структур: соляных куполов, антиклинальных складок, рифтовых массивов, куполовидных платформенных структур.

Наиболее благоприятны для разведки соляные купола, поскольку соль отличается низкой плотностью (с=2,1г/см3) по сравнению с окружающими породами и резкими крутыми склонами. Соляные купола, находящиеся в Урало-Эмбенском районе, Днепрово-Донецкой впадине и других районах, выделяются изометрическими интенсивными отрицательными аномалиями, по которым можно судить не только об их местоположении и форме, но и о глубине залегания.

Антиклинальные складки выделяются вытянутыми изолиниями аномалий чаще положительного, реже отрицательного знака в зависимости от плотности пород, залегающих в ядре складок. Интерпретация результатов качественная, изредка количественная.

Многие месторождения нефти и газа приурочены к рифтовым массивам, но разведка последних методом гравиразведки является задачей нелегкой. Для разведки рифтовых известняков среди осадочных терригенных пород используется анализ как региональных, так и локальных аномалий, причем рифтовые известняки выделяются, как правило, положительными аномалиями.

Высокоточная гравиразведка применяется для изучения режима эксплуатации месторождений нефти и газа, а также подземных газохранилищ. В связи с разведкой угольных месторождений гравиметрия применяется как для определения границ угольного бассейна, так и для непосредственных поисков отдельных месторождений и пластов угля, отличающихся низкой плотностью (с?2г/см3).

Гравиразведка применяется в комплексе с другими геофизическими методами и для разведки рудных и нерудных ископаемых, причем она привлекается как для крупномасштабного картирования и выявления тектонических зон и структур, благоприятных залеганию тех или иных ископаемых, так и для непосредственных поисков и разведки месторождений. Поэтому для их обнаружения гравиразведка с успехом применяется.

3. Магнитное поле Земли

3.1 О происхождении магнитного поля Земли

Происхождение магнитного поля Земли пытаются объяснить различными причинами, связанными с внутренним строением Земли. Наиболее достоверной и приемлемой гипотезой, объясняющей магнетизм Земли, является гипотеза вихревых токов в ядре. Эта гипотеза основана на том установленном геофизическом факте, что на глубине 2900 км под мантией (оболочкой) Земли находится «жидкое» ядро с высокой электрической проводимостью. Благодаря так называемому гиромагнитному эффекту и вращению Земли во время ее образования могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком слабом магнитном поле привело к индуцированию в ядре вихревых токов. Эти токи, в свою очередь, создают (регенерируют) магнитное поле, как это происходит в динамомашинах. Увеличение магнитного поля Земли должно привести к новому увеличению вихревых потоков в ядре, а последнее — к увеличению магнитного поля и т. д. Процесс подобной регенерации длится до тех пор, пока рассеивание энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не скомпенсируется добавочной энергией вихревых токов и другими причинами.

3. 2 Главные элементы магнитного поля

В любой точке земной поверхности существует магнитное поле, которое определяется полным вектором напряженности T. Вдоль вектора T устанавливается подвешенная у центра тяжести магнитная стрелка. Проекция этого вектора на горизонтальную поверхность и вертикальное направление, а также углы, составленные этим вектором с координатными осями, носят название главных элементов магнитного поля (рис. 1).

Если ось х прямоугольной системы координат направить на географический север, ось у — на восток, а ось z — по отвесу вниз, то проекция полного вектора T на ось z называется вертикальной составляющей и обозначается z. Проекция полного вектора T на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей (H). Направление H совпадает с магнитным меридианом. Проекция H на ось х называется северной (или южной) составляющей; проекция H на ось y называется восточной (западной) составляющей. Угол между осью х и составляющей H называется склонением и обозначается D. Принято считать восточное склонение положительным, западное — отрицательным. Угол между вектором T и горизонтальной плоскостью называется наклонением и обозначается J. При наклоне вниз северного конца стрелки наклонение называется северным (или положительным), при наклоне южного конца стрелки — южным (или отрицательным). Взаимосвязь полученных элементов магнитного поля Земли выражается с помощью формул:

Семь элементов земного магнитного поля можно выразить через любые три составляющие. При магнитной разведке измеряют лишь одну-две составляющие поля (как правило, Z, H или T).

Рис. 1. Элементы земного магнитного поля

Распределение значений элементов магнитного поля на земной поверхности обычно изображается в виде карт изолиний, т. е. линий, соединяющих точки с равными значениями того или иного параметра. Изолинии склонения называются изогонами, изолинии наклонения — изоклинами, изолинии H или Z — соответственно изодинамами H или Z. Карты строят на 1 июля и называют их картами эпохи такого-то года. Например, на рис. 2 приведена карта эпохи 1980 г.

Рис. 2 Полная напряженность магнитного поля Земли для эпохи 1980 г. Изолинии Т проведены через 4 мкТл (из книги П. Шарма «Геофизические методы в региональной геологии»)

3. 3 Магнитометрическая, или магнитная, разведка

(сокращенно магниторазведка) — это геофизический метод решения геологических задач, основанный на изучении магнитного поля Земли. Магнитные явления и наличие у Земли магнитного поля были известны человечеству еще в глубокой древности. Так же давно эти явления использовались людьми для практической деятельности (например, применение компаса). Со второй половины ХIX в. измерение напряженности магнитного поля проводилось для поисков магнитных руд.

От других методов геофизики магниторазведка отличается наибольшей производительностью (особенно аэромагниторазведка). Магниторазведка является наиболее эффективным методом поисков и разведки железорудных месторождений.

3. 4 Намагниченность горных пород и их магнитные свойства

Региональные и локальные магнитные аномалии зависят от интенсивности намагничения пород J как современным (индуцированная намагниченность Ji), так и древним (остаточная намагниченность Jr) магнитными полями, т. е. это векторная сумма J=Ji+Jr. Индуцированная намагниченность любого образца породы равна Ji=kT, где k (каппа) — его магнитная восприимчивость, а T — полный вектор постоянного геомагнитного поля. Однако этот же образец несет в себе информацию о той намагниченности, которая существовала в момент образования породы и сложным образом менялась до настоящего времени. Ее называют остаточной (Jr). Вместе с отношением Q=Jr/Ji остаточная намагниченность количественно характеризует свойство породы сохранять или менять намагниченность за весь свой возраст, может быть, составляющий многие миллионы лет.

Примером материалов и руд, обладающих сильным магнитным полем даже при экранировке от земного магнитного поля, являются искусственные магниты или естественные образцы магнетита, у которых намагниченность устойчива за счет остаточной.

3. 5 Применение магниторазведки для картирования, поисков и разведки полезных ископаемых

Поиски и разведка железорудных месторождений — задача, лучше всего решаемая магниторазведкой. Исследования начинаются с проведения аэромагнитных съемок масштаба 1: 100 000. Железорудные месторождения выделяются очень интенсивными (сотни и тысячи гамм) аномалиями Z (T). Детализация аномалий проводится наземной съемкой. При этом ведется не только качественная, но и количественная интерпретация, т. е. оценивается глубина залегания магнитных масс, простирания, падения, размеры железосодержащих пластов, а иногда по интенсивности намагничения даже качество руды.

Наиболее благоприятны для разведки магнетитовые руды, менее интенсивными аномалиями выделяются гематитовые месторождения.

4. Электромагнитное поле Земли

4. 1 Электромагнитные поля

К естественным переменным электромагнитным полям относятся квазигармонические низкочастотные поля космической (их называют магнитотеллурическими) и атмосферной (грозовой) природы («теллурики» и «атмосферики»).

1. Происхождение магнитотеллурических полей объясняется воздействием на ионосферу Земли потока заряженных частиц, посылаемых космосом (в основном, корпускулярным излучением Солнца). Вызываемые разной активностью Солнца и солнечным ветром периодические (11-летние), годовые, суточные вариации магнитного поля Земли и магнитные бури создают возмущения в магнитосфере и ионосфере. Вследствие индукции в Земле и возникают магнитотеллурические поля. В целом эти поля инфранизкой частоты (от 10-5 до 10 Гц). В теории показано, что на таких частотах скин-эффект проявляется слабо, поэтому магнитотеллурические поля проникают в Землю до глубин в десятки и первые сотни километров. Наиболее устойчивыми, постоянно и повсеместно существующими в утренние и дневные часы, особенно летом и в годы повышенной солнечной активности являются короткопериодичные колебания (КПК) с периодом от единиц до ста секунд. Поля иных периодов наблюдаются реже.

Измеряемыми параметрами являются электрические (Ex; Ey) и магнитные (Hx; Hy; Hz) составляющие напряженности магнитотеллурического поля. Их амплитуды и фазы зависят, с одной стороны, от интенсивности вариации теллурического и геомагнитного полей, а с другой, от удельного электрического сопротивления пород, слагающих геоэлектрический разрез.

По измеренным взаимно перпендикулярным электрическим и магнитным составляющим можно рассчитать rho однородного полупространства (нормальное поле) с помощью следующей формулы, полученной в теории электроразведки:

с=бT*(Ex/Hg)2

где T — период колебания, б — коэффициент размерности. Он равен 0,2, если T измерено в с, Ex в мВ/км, H в нанотеслах (нТл), с в Ом*м. Над неоднородной средой полученное по этой формуле УЭС называется кажущимся (КС или сz).

2. Происхождение естественных переменных полей атмосферной природы связано с грозовой активностью. При каждом ударе молнии в Землю (по всей поверхности Земли в среднем ежесекундно число молний равно примерно 100) возбуждается электромагнитный импульс, распространяющийся на большие расстояния. В целом под воздействием гроз в верхних частях Земли повсеместно и всегда существует слабое грозовое поле, которое называют шумовым. Оно состоит из периодически повторяемых импульсов (цугов), носящих квазисинусоидальный характер с преобладающими частотами от 10 Гц до 10 кГц и напряженностью по электрической составляющей в доли мВ/м.

Средний уровень поля «атмосфериков» подвержен заметным суточным и сезонным вариациям, т. е. вектора напряженности электрической (E) и магнитной (H) составляющих не остаются постоянными по амплитуде и направлению. Однако средний уровень напряженности (Eср, Hср) за время в течение десятка секунд зависит от удельного электрического сопротивления слоев геоэлектрического разреза, над которым ведутся наблюдения. Таким образом, измеряемыми параметрами «атмосфериков» являются различные составляющие Eср и Hср.

4.2 Электромагнитные свойства горных пород

К основным электромагнитным свойствам горных пород относятся: удельное электрическое сопротивление (с), электрохимическая активность (б), поляризуемость (?), диэлектрическая (?) и магнитная (µ) проницаемости. Параметрами с, ?, µ, а также частотой поля определяется коэффициент поглощения поля средой.

4. 3 Электромагнитная разведка

(точнее электромагнитная разведка) объединяет физические методы исследования геосфер Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электрических и электромагнитных полей, существующих в Земле либо в силу естественных космических, атмосферных, физико-химических процессов, либо созданных искусственно.

Электромагнитные свойства геологических сред, вмещающей среды, пластов, объектов, а также геометрические параметры последних служат основой для построения геоэлектрических разрезов. Геоэлектрический разрез над однородным по тому или иному электромагнитному свойству полупространством принято называть нормальным, а над неоднородным — аномальным. На выделении аномалий и основана электроразведка.

Вследствие многообразия используемых полей, их частотно-временных спектров, электромагнитных свойств горных пород электроразведка отличается от других геофизических методов большим количеством методов (свыше 50). По физической природе их можно сгруппировать в методы естественного переменного электромагнитного поля, поляризационные (геоэлектрохимические), сопротивлений, индукционные низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, биогеофизические.

4. 4 Особенности применения электромагнитных зондирований

Несмотря на то, что все методы электромагнитных зондирований предназначены для расчленения горизонтально и полого слоистых сред, их геологические возможности разные и зависят, прежде всего от проектируемой глубинности и решаемых задач.

С помощью электромагнитного зондирования решаются следующие задачи:

ь определение мощности и состава покровных и коренных осадочных отложений, глубины залегания фундамента, что очень важно для структурно-геологического объемного картирования;

ь оценка геометрических параметров и физических свойств массивов горных пород, представляющих большой интерес для инженерно-геологического, мерзлотно-гляциологического, гидрогеологического картирования;

ь поиски пластовых, как правило, нерудных полезных ископаемых. При структурных исследованиях на суше и морях до глубин 5 — 10 км.

5. Вывод

На основе исследуемого материала, можно сделать вывод, что геофизические поля Земли широко используются при изучении геологического строения отдельных участков земной коры, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых.

6. Список литературы

1. Геофизические методы исследования / Под ред. В. К. Хмелевского. — М.: Недра, 1988.

2. Геофизические методы исследования скважин. Справочник геофизика. — М.: Недра, 1883.

3. Бондаренко В. М., Демура Г. В., Ларионов А. М. Общий курс геофизических методов разведки. — М.: Недра, 1986.

4. Гравиразведка. Справочник геофизика. — М.: Недра, 1990.

5. Магниторазведка. Справочник геофизика. — М.: Недра, 1990.

6. Сейсморазведка. Справочник геофизика в двух книгах. — М.: Недра, 1990.

7. Электроразведка. Справочник геофизика в двух книгах. — М.: Недра, 1989.

8. Шарма П. Геофизические методы в региональной геологии. — М.: Мир, 1989.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой