Методы изучения земных недр

Если кратко определить задачу геологов, то она сводится к изучению вещественного состава Земли и его эволюции на протяжении истории геологического развития. Иначе говоря, геолог должен знать состав, свойства вещества, его пространственное расположение и приуроченность к определенным геологическим структурам. Строение и состав недр Земли изучается многими методами (рис. 4). Один из них - непосредственное исследование горных пород в естественных обнажениях, а также в шахтах и буровых скважинах.

Рис. 4. Методы изучения земных недр. На рисунке показаны неоднородности внутри земной коры, которые создают различные аномалии электромагнитного, гравитационного и других полей Земли, фиксируемые с помощью геофизических приборов. Пробуренные скважины, выходы горных пород на поверхность, взаимное расположение отдельных геологических тел, фиксируемые наземными и аэрокосмическими методами, позволяют судить о вещественном составе и структуре и истории формирования различных оболочек Земли

На равнинах можно узнать состав геологических слоев, лежащих на глубине лишь десятков метров. В горах, по долинам рек, где вода пропиливает мощные хребты, мы как бы заглядываем уже на глубину 2-3 км. В результате разрушения горных сооружений на поверхности оказываются породы глубоких недр. Поэтому, изучая их, можно судить о строении земной коры на глубине 15-20 км. О составе масс, лежащих глубоко, позволяют судить выбрасываемые при извержении вулканов вещества, которые поднимаются с глубины десятков и сотен километров. Позволяют заглянуть в недра Земли и шахты, но их глубина в большинстве случаев не превышает 1,5-2,5 км. Саман глубокая шахта на Земле расположена в Южной Индии. Ее глубина составляет 3187 м. Сотни тысяч скважин пробурили геологи. Отдельные скважины достигли глубины 8-9 км. Например, скважина Берта-Роджерс, расположенная в Оклахоме (США), имеет отметку 9583 м. Рекордной глубины 10 000 м достигла скважина на Кольском полуострове. Однако если мы сравним приведенные цифры с радиусом нашей планеты (R = 6371 км), то легко увидим, насколько ограничен наш взгляд в недра Земли. Поэтому решающее слово в изучении глубинной структуры принадлежит геофизическим методам исследования. Они базируются на изучении естественных и искусственно созданных физических полей Земли. Существуют пять основных геофизических методов: сейсмический, гравиметрический, магнитометрический, электрометрический и термометрический. Наибольшую информацию дает сейсмический метод. Суть его состоит в регистрации искусственно создаваемых или возникающих при землетрясениях колебаний, которые распространяются во все стороны от очага, в том числе и в глубь Земли. Сейсмические волны, встретив на своем пути границы сред с различной плотностью, частично отражаются. Отраженный сигнал от более глубокой границы раздела поступает к наблюдателю с некоторым запаздыванием. Отмечая последовательно приходящие сигналы и зная скорость распространения волн, мы можем выделить в недрах Земли оболочки различной плотности.

Гравиметрический метод изучает распределение силы тяжести на поверхности, которое обусловлено различной плотностью пород, лежащих внутри Земли. Отклонение величины силы тяжести вызывается неоднородностью пород земной коры. Возрастание гравитационного поля (положительная аномалия) связано с залеганием на глубине более плотных пород, связанных с внедрением и остыванием магмы в менее плотных осадочных толщах. Отрицательные аномалии указывают на присутствие менее плотных пород, например каменной соли. Таким образом, изучая гравитационное поле, мы имеем возможность судить о внутреннем строении Земли.

Наша планета - огромный магнит, вокруг которого расположено магнитное поле. Известно, что горные породы обладают разной способностью намагничиваться. Магматические породы, возникшие в результате застывания магмы, например, магнитоактивнее, чем осадочные, поскольку в их составе большое количество ферромагнитных элементов (железо и др.). Поэтому магматические породы создают свое магнитное поле, которое отмечается приборами. На основе этого составляются карты магнитного поля, по которым судят о вещественном составе земной коры. Неоднородность геологического строения приводит к неоднородности магнитного поля.

Электрометрический метод базируется на знании условий прохождения электрического тока через горные породы. Суть метода состоит в том, что горные породы обладают различными электрическими свойствами, поэтому изменение характера электрического поля связывается с изменением или состава пород, или их физических свойств.

Термометрический метод основан на свойствах теплового поля нашей планеты, возникающего в результате внутренних процессов в недрах Земли. В местах с высокой тектонической активностью, например там, где действуют вулканы, тепловой поток из глубины значительный. В районах же, тектонически спокойных, тепловое поле будет близким к нормальному. Любые аномалии теплового поля указывают на близость термальных источников и активность геохимических процессов в недрах Земли.

Наряду с геофизическими методами для изучения глубинной структуры и состава Земли широко применяются геохимические методы. С помощью их устанавливаются закономерности распределения химических элементов в Земле, их распространение, а также определяется абсолютный возраст минералов и горных пород. Зная период полураспада радиоактивных элементов, мы можем по количеству продуктов распада определить, сколько лет прошло со времени образования минерала или горной породы.

Дистанционные методы включают в себя целый комплекс исследований, который проводится с самолетов и космических аппаратов. Физической основой дистанционных методов исследования служит излучение или отражение электромагнитных волн природными объектами. Аэро- или космический снимок представляет собой пространственное распределение поля яркости и цвета природных объектов. Однородные объекты съемки имеют одинаковые яркость и цвет изображения.

Используя аэро- и космические снимки, геологи изучают структурные особенности района, специфику распространения горных пород, устанавливают связь между рельефом и его глубинным строением. Дистанционные методы, как аэро-, так и космические, прочно вошли в практику и наряду с другими методами составляют современный арсенал исследователей.