Сейсмоакустичні і шумові поля

Природні сейсмоакустичні і шумові поля являють собою пружні хвилі з різною частотою коливань, створені землетрусами, ударами метеоритів і розрядкою напруженого стану масивів гірських порід у результаті різноманітних динамічних.

2.5.1. Пружні поля землетрусів. У результаті землетрусу від його центра, який називається гіпоцентром, розходяться пружні хвилі: подовжні з коливанням частинок порід надр уздовж напрямку променів і поперечними, обумовленими пружними хвилями зсуву. Від епіцентру землетрусу (проекції гіпоцентру на земну поверхню) уздовж земної поверхні поширюються поверхневі хвилі Лява і Релея. Оскільки Земля складається з концентричних оболонок, на границях яких змінюються пружні параметри, то на них утворяться об'ємні відбиті і заломлені, у тому числі обмінні хвилі (падаюча поздовжня може створювати поперечну хвилю, і навпаки). Після кожного землетрусу утворяться пружні хвилі з частотами від 0,01 до 10 Гц. Дальність їхнього поширення і тривалість існування залежать від інтенсивності землетрусу, глибини залягання гіпоцентру, швидкості поширення пружних хвиль і їхнього поглинання в різних оболонках Землі.

Землетруси пов'язують з тектонічним життям планети. Вогнища їх зосереджені в сейсмоактивних зонах, особливо в межах областей молодої альпійської складчастості. Неглибокі землетруси з глибиною вогнища до 30—70 км, видимо, зв'язані з розрядкою напруг, що відбувається, за рахунок повільного плину речовини в підстиляючій астеносфері . Як спусковий механізм таких землетрусів виступає зміна сонячної активності, особливо з 22-літньою періодичністю. Проміжні (із глибиною вогнища 70—300 км) і глибокі (із глибиною 300—700 км) землетрусу зв'язані з нестійким станом і повзучістю речовини в астеносфері і мантії Землі.

Перед початком землетрусів можуть виникати різні механоелектричні явища. У результаті поблизу земної поверхні виникає електромагнітне випромінювання, що викликає, у свою чергу, збурювання атмосферної електрики й іоносфери. Спостерігаються й інші геофізичні провісники землетрусів, що, однак, далеко не завжди можуть служити підставою для прогнозування часу землетрусів. У всякому разі, складання прогнозу гіпотетично можливо лише при використанні комплексу прогнозних геолого-геофізичних методів. При сильних землетрусах виникають власні коливання Землі, що, подібно дзвону, випромінює зверхінфрачастотні коливання з частотою менш 0,001 Гц.

Таким чином, унаслідок землетрусів, а їхня кількість складає близько 800 тис. у рік, у Землі практично постійно існує поле пружних (сейсмічних) коливань. Вивчення цього поля, як і інших геофізичних полів, які супроводжують землетруси, у досить великому числі пунктів, а також організація сейсмічного й електромагнітного моніторингу подає багату інформацію для геодинамічних екологічних досліджень. Головне їхнє призначення — прогнозування катастрофічних землетрусів у сейсмонебезпечних зонах. Важливий також сейсмічний моніторинг у зонах глибинних розломів земної кори, де нерідко виявляється сейсмоактивність у вигляді локальних малоглибинних інтенсивних місцевих землетрусів. Подібні локальні сейсмічні удари особливо небезпечні в умовах промислових об'єктів і міських агломерацій, тому що їх важко відрізнити від промислових вибухів.

2.5.2. Шумові поля сейсмічної емісії. При зміні напруженого стану масивів гірських порід, що передує виверженню вулканів, землетрусам, гірським ударам, обвалам, лавино- і зсувуутворенню, іншим геодинамічним процесам, виникають шумові поля звукового діапазону частот (10—10⁴ Гц). Подібні поля називаються полями сейсмічної чи акустичної емісії. При протіканні геодинамічних процесів, які викликані природними деформаціями в земній корі чи технологічною діяльністю, наприклад розробкою родовищ нафти, виникають внутрішні механічні напруги, що приводять до появи шумів, різних за амплітудою і частотою коливань.

Таким чином, сейсмоакустична емісія є результатом нагромадження і розрядки напруг і деформацій, що відбуваються, обумовлених різною вібро- і тензочутливістю масивів гірських порід. У результаті у верхній частині земної кори постійно спостерігаються шумові поля, аналіз інтенсивності і частотного спектра яких може подавати інформацію для рішення геодинамічних екологічних задач.

Температурне поле Землі

2.6.1. Загальна характеристика температурного поля Землі. Земля являє собою гігантську енергетичну машину, у якій різні види енергії — сонячна, радіоактивного розпаду хімічних елементів у породах, вулканічній діяльності, землетрусів, гравітаційного стиску, приливного тертя й ін. — перетворюються в теплову енергію, формуючи температурний режим її надр і поверхні. Тепловий стан Землі і закономірності його зміни визначаються загальним тепловим балансом прихожої енергії космічного і сонячного випромінювання і внутрішнього тепла, обумовленого поруч глобальних, регіональних і локальних особливостей будови планети і літосфери.

Сталий тепловий режим сприяє протіканню геологічних, геохімічних, геофізичних, біологічних процесів і створенню умов, придатних для існування живих організмів, тобто має фундаментальне значення. Зокрема, фізичні властивості речовини надр Землі, такі, наприклад, як в'язкість, пружність, електропровідність, намагніченість, що грають важливу роль у формуванні геофізичних полів, частково, а іноді і значною мірою залежать від температури на тій глибині, де це речовина знаходиться.

Джерелами, що підтримують температурне (геотемпературне) поле Землі в цілому і верхніх її шарах — літосфери, є зовнішні (космічні) і внутрішні (планетарні) процеси. До числа зовнішніх процесів відносяться сонячна радіація, випромінювання зірок, енергія метеоритів, що падають на Землю, гравітаційний вплив Місяця і Сонця. До внутрішніх джерел тепла відносять початкову внутрішню теплоту Землі при її утворенні і наступному тепловому житті і сучасне теплотворення за рахунок радіогенного тепла, що створюється завдяки розпаду розсіяних у гірських породах ізотопів урану, торію, ⁴⁰К и інших радіоактивних елементів; тепла, обумовленого різними процесами, що протікають у надрах Землі, вулканічною, тектонічною і сейсмічною діяльністю, диференцією і переміщенням глибинних мас, деформацією за рахунок припливів під дією Сонця і Місяця, плавленням, хімічними реакціями з виділенням чи поглинанням тепла, гідротермальними й іншими процесами.

Самим могутнім (18,0×10²⁰Дж/рік) сучасним внутрішнім джерелом тепла є радіоактивний розпад. Його потужність приблизно в 1,5 рази перевищує сумарну потужність всіх інших планетарних джерел теплової енергії. Найбільша кількість радіоактивних речовин у літосфері містять гранітні породи, що і забезпечують максимальну величину теплового потоку, що проходить через літосферу знизу нагору. Внутрішнє температурне поле відрізняється високою сталістю. Воно не впливає на температуру поблизу земної поверхні чи клімат, тому що енергія, що приходить на поверхню Землі від Сонця, у 1000 разів більше того, що надходить з її надр. Завдяки зміні сонячної активності змінюється температура приповерхнього шару повітря, а з деяким запізненням і температура гірських порід.

Добові, сезонні, багаторічні і багатовікові варіації сонячної активності приводять до відповідного циклічним змінам температур повітря. Чим більше період циклічності, тим більша глибина їхнього теплового впливу. Наприклад, добові коливання температури повітря виявляються в приповерхньому шарі глибиною 1—1,5 м. Це пов'язано з переносом сонячного теплового потоку за рахунок молекулярної теплопровідності порід і конвекції повітря, парів води, інфільтрації опадів і підземних вод. Сезонні (річні) коливання викликають зміни температур на глибинах до 20—40 м. На таких глибинах теплопередача здійснюється в основному за рахунок молекулярної теплопровідності, а також руху підземних вод. На глибинах 20—40 м розташовується нейтральний шар (чи зона постійних річних температур). У межах цього шару температура залишається практично постійною й у кожнім районі в середньому на 3,7°С вище середньорічної температури повітря. Багатовікові кліматичні зміни позначаються на варіаціях температур порівняно великих глибин. Наприклад, похолодання і потепління в четвертинному періоді впливали на тепловий режим Землі до глибини 3—4 км. Вплив циклічних змін температури у верхніх шарах літосфери, багато в чому визначаючих ритміку життєдіяльності біоти у всіх її формах і проявах, залежить від геологічних і гідрогеологічних факторів і поширюється до глибини в кілька десятків чи сотень метрів.

Таким чином, якщо не враховувати багатовікових кліматичних змін, то можна вважати, що нижче зони постійних температур (на глибинах понад 40 м) впливом циклічності сонячної активності можна зневажити, а температурний режим порід визначається глибинним потоком тепла й особливостями термічних властивостей порід.

2.6.2. Тепловий потік у земній корі.Нижче нейтрального шару температура порід підвищується в середньому на 3°С при зануренні на кожні 100 м. Це пояснюється наявністю регіонального теплового потоку від джерел внутрішнього тепла Землі, що піднімається до поверхні. Його величину прийнято характеризувати щільністю теплового потоку (чи просто тепловим потоком). Середнє значення теплового потоку як на суші, так і в океанах складає 0,06 Вт/м². Сталість середньої величини теплових потоків суші й океанів при різкій зміні потужностей і будови земної кори свідчить про розходження в тепловій структурі верхньої мантії. Тому аномалії теплових потоків, тобто відхилення від установлених середніх потоків, несуть інформацію про будову земної кори і верхньої мантії.

Тепловий потік характеризується не тільки природою і потужністю джерел тепла, але і механізмом його переносу через гірські породи, який визначається тепловими властивостями гірських порід. Тепло передається за допомогою молекулярної теплопровідності гірських порід, конвекції і випромінювання. На великих глибинах (понад 10 км) передача тепла здійснюється в основному за рахунок випромінювання нагрітої речовини надр і конвекції. На менших глибинах перенос тепла зв'язаний з молекулярною теплопровідністю і конвекцією. Поряд з розглянутим регіональним потоком з надр існують локальні теплові потоки. Їх можна зв'язати з впливом багатолітномерзлих порід, руд з підвищеною радіоактивністю, циркуляцією підземних вод і т.п.

2.6.3. Теплове поле сонячного випромінювання. Істотним джерелом тепла, що визначає існування життя на Землі, є теплове поле сонячного випромінювання. Абсолютна величина енергії сонячного випромінювання, що падає на Землю, у 1000 раз перевищує величину внутрішнього теплового потоку. Однак відразу, а понад 48% після перетворень в атмосфері, гідросфері, літосфері, біосфері відбивається назад у космос і тільки 2% поглинається Землею.

Сонячна радіація визначає температуру лише приповерхневої частини Землі, що змінюється в залежності від часу доби, сезону, погоди, клімату, а також від геоморфологічних умов, наявності акваторій, складу поверхневих порід, почв чи ґрунтів, їхньої вологості, залісеності, рослинного покриву, забудови й інших факторів, а в цілому від інтегральної характеристики її теплових властивостей. Цими ж факторами характеризується відображена здатність поверхні, кількісну оцінку якої можна визначити по інтенсивності інфрачервоного (ІЧ) і радіотеплового (РТ) випромінювань.

Радіаційне поле

Природне радіаційне поле, чи поле іонізуючих випромінювань (природна радіоактивність), що спостерігається на поверхні Землі, грає в екології велику роль. Нормальний радіаційний фон формується випромінюванням, що приходить до поверхні планети ззовні, з далекого космосу і навколоземного простору, а також наявністю в земній корі радіоактивних елементів і процесом дегазації планети, у ході якої на поверхню її виносяться радіоактивні гази — радон (²²²Rn) і торон (²²⁰Rn).

Космічний фон, на частку якого приходиться менше половини загального рівня радіоактивності, характеризується потужністю дози випромінювання 0,03—0,06 мкгр/год (3—6 мкр/ч). (Грей (Гр) — одиниця виміру дози випромінювання в Міжнародній системі одиниць СІ. 1 Гр = 100 Р (рентген).) У високогір'ї космічний радіаційний фон зростає на 0,015 мкГр/год (1,5 мкР/ч) на кожен кілометр перевищення відмітки рельєфу місцевості.

Нормальна радіоактивність гірських порід зумовлена кларковим вмістом у ній радіонуклідів (радіоактивних елементів). "Нормальними", у радіаційному відношенні, прийнято вважати гірські породи, у яких вміст радіоактивних елементів ²³⁸U (продуктом розпаду якого є ²²²Rn) і ²³²Тh (у результаті розпаду якого утвориться ²²⁰Rn, чи торон) не перевищує 2,5 г/т (2,5 кларка). Вміст урану в породах у кількості 0,001% створює аномалію радіоактивності, що характеризується потужністю дози випромінювання в 0,05 мкГр/год (5 мкР/ч), а підвищення вмісту до 2% зумовлює поле радіації на рівні 100 мкГр/год (10000 мкР/ч). Радіаційний фон у вугільних і інших "неуранових" шахтах фіксується на рівні 0,04—0,06 мкГр/год (4—6 мкР/ч), але може досягати 0,27—2,97 мкГр/год (27—297 мкР/ч). Крім згаданих вище радіоактивних сімейств урану і торію, концентрація яких у земній корі підвищена (2,5×10^-4 і 1,3×10^-3 % відповідно), високою радіоактивністю відрізняються породи, що містять ⁴⁰К, концентрація якого в земній корі складає 2,5%.

З радіоактивністю гірських порід тісно зв'язана радіоактивність природних вод і газів. У цілому в гідросфері й атмосфері вміст радіоактивних елементів мізерно малий. Підземні води можуть мати різну радіоактивність. Особливо велика вона в підземних водах радіоактивних родовищ і вод сульфатно-барієвого, хлоридно-кальцієвого складів.

До зон підвищеного радіоактивного ризику відносяться регіони, де на поверхню Землі виходять граніти, гнейси, вулканічні туфи, фосфорити й інші породи, вміст урану і торію який може досягати 100 г/т (100 кларков) і більш. Еманування радону істотно підвищуються там, де гірські породи дезінтегровани, тобто в зонах розламів, вивітрювання, тріщинуватості. Підвищене виділення радону з ґрунту спостерігається також у сейсмічно активних областях.