Реферат по физике Методы физики при исследовании геологоразведочных скважин (стр. 2 )

Для того, чтобы наиболее полно и точно оценить способы и технические решения при создании аппаратуры для исследования недр земли в пробуренных геологических скважинах, правильно представлять себе принципы работы и возможности этой аппаратуры, необходимо вначале ознакомиться с основополагающими положениями физики Земли, без знания которых создание подобной аппаратуры было бы невозможно.

Геофизические поля представляют собой особую форму материи, обеспечивающую связь в Земле макрообъемов массивов горных пород в единые системы геологических тел, осуществляющую передачу действия одних геологических тел на другие, удерживающую гидросферу и атмосферу, поддерживающую процессы энергопереноса, необходимые для существования жизни на Земле. Согласно определению, имеющемуся в "Геологическом словаре", геофизическим полем или физическим полем Земли называется множество значений физических величин (параметров), количественно характеризующих естественное или созданное в Земле искусственное физическое поле (или отдельные его элементы) в пределах определенной области или территории Земли.

Удобно разделение физических полей Земли на два класса - естественного и искусственного происхождения. [5, 7]

К естественным физическим полям Земли относятся: гравитационное (поле силы тяжести), геомагнитное, температурное, электромагнитное, сейсмическое (поле упругих механических колебаний) и радиационное (поле ионизирующих излучений). Через физические поля осуществляется взаимодействие Земли как планеты с Солнцем и со всем остальным макрокосмическим пространством. В пределах Земли и ее ближайших окрестностей природные физические поля принято называть геофизическими, что подчеркивает их непосредственную связь, генетическую и структурную, с нашей планетой. Особо следует подчеркнуть прямую связь полей, которые мы называем геофизическими, именно с литосферой, с другими глубинными "сферами" земного шара и лишь опосредованную связь с процессами, происходящими в ближнем и дальнем космосе. Это значит, что все рассматриваемые геофизические поля обусловлены особенностями строения литосферы и Земли в целом (например, гравитационное и геомагнитное поля) либо характером геодинамических, физических и химических процессов (например, сейсмическое, радиоактивное, температурное, электромагнитное поля).

Искусственные неуправляемые поля (техногенные физические поля) обусловлены работой механизмов и машин, энергетических установок, транспортных средств, средств связи и других источников антропогенной деятельности.

Все названные естественные (природные) и искусственные (техногенные) геофизические поля являются неуправляемыми, т. е. они существуют помимо воли исследователей, использующих их для решения тех или иных задач по изучению оболочек Земли, в том числе и с экологическими целями.

Специально же для геофизических исследований Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, решения инженерных, технических и экологических задач широко используются управляемые поля, которые создаются искусственно с помощью разных источников: возбудителей упругих волн (взрывных или невзрывных), батарей и генераторов постоянного или переменного тока, источников гамма-излучения и нейтронов и др. [7]

2.1.Гравитационное поле

Гравитационное поле (поле силы тяжести), природа которого и сегодня остается для ученых загадкой, является очень важным жизненным фактором, так как благодаря ему на Земле удерживается гидросфера, атмосфера, да и литосфера. Гравитационное поле Земли характеризуется сложностью структуры и пространственной изменчивостью, которые определяются особенностями плотностного разреза, взаимным расположением и размерами гравитирующих тел на фоне общего планетарного поля силы тяжести.

Измеряемыми параметрами гравитационного поля (поля силы тяжести) являются ускорение, которое для краткости называют "силой тяжести" (g). Величина g определяется в основном ускорением свободного падения тел за счет ньютоновского притяжения и в меньшей степени ускорением центробежной силы вращения Земли. Этими двумя факторами определяется так называемое "нормальное поле силы тяжести". Вследствие неравномерности распределения плотности горных пород, слагающих земную кору, и вещества верхней мантии появляется аномальное поле силы тяжести. Таким образом, полное значение силы тяжести складывается из нормального и аномального полей. Если путем расчетов выделить аномальное поле, то оно определяется лишь плотностной неоднородностью Земли в районе измерений g. [5].

2.2.Геомагнитное поле

В отличие от гравитационного, магнитное поле Земли (геомагнитное поле) 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, до глубин 100 км. История формирования литосферы самым тесным образом связана с магнитными свойствами пород, с магнитным полем Земли. Земля представляет собой гигантский магнитный диполь, поле которого проявляется на поверхности планеты и выходит далеко в околоземное пространство, создавая таким образом магнитосферу.

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. Она основана на том установленном геофизическим путем 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 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, которые создают (регенерируют) магнитное поле, как это происходит в динамо-машинах. Увеличение магнитного поля Земли приводит к новому увеличению вихревых токов в ядре, которое, в свою очередь, вызывает увеличение магнитного поля. Процесс подобной регенерации продолжается до тех пор, пока рассеяние энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не компенсируется добавочной энергией вихревых токов и другими силами.

Горные породы, слагающие литосферу, обладая разными магнитными свойствами, намагничиваются и приобретают под воздействием доминирующего магнитного поля планеты индуцированный магнетизм. Поэтому наблюдаемое на земной поверхности или вблизи нее магнитное поле обусловлено совокупным влиянием множества источников, располагающихся в объеме литосферы, особенно железорудных тел и горных пород, магнитные свойства которых велики и зависят от содержания и распределения в них ферромагнитных минералов, таких, как магнетит, титаномагнетит, ильменит, пирротин, гематит и др.

2.3.Естественные электрические и электромагнитные поля.

Естественные постоянные электрические поля, наблюдаемые на земной поверхности, связаны с изменением электрохимической активности б горных пород. Своим существованием они обязаны протеканию в реальных геологических средах электрохимических и электрофизических процессов. Так, на рудных и некоторых других месторождениях, а также при окислении заземленных металлических конструкций протекают электрохимические окислительно-восстановительные реакции. В результате наблюдаются положительные и отрицательные потенциалы с амплитудой до 20 - 1800 мВ при фоновых значениях, характерных для естественных электрических полей другой природы, в 5 - 100 мВ.

Особый вид земных электрических полей представляют термофильтрационные поля, возникающие в рыхлых (песчано-глинистых) и скальных породах за счет фильтрации подземных и поверхностных вод разной температуры. Идентификационный признак полей этого вида - изменение электрического потенциала от 40 до 400 мВ в зависимости от суточных вариаций температуры в приповерхностной части геологического разреза.

Электрическое поле Земли (Э. п. З.)

Естественное электрическое поле Земли, как планеты, которое наблюдается в твёрдом теле Земли, в морях, в атмосфере и магнитосфере. Э. п. 3. обусловлено сложным комплексом геофизических явлений. Распределение потенциала поля несёт в себе определённую информацию о строении Земли, о процессах, протекающих в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а также в ближнем межпланетном пространстве и на Солнце.

Существование электрического поля в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей ультрафиолетового излучения Солнца; излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе; электрических разрядов в атмосфере и т. д. Многие атмосферные процессы: конвекция1, образование облаков, осадки и другие — приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных электрических полей. Относительно атмосферы поверхность Земли заряжена отрицательно. [8].

Естественное электромагнитное поле Земли — это существующий всегда, в любой точке земной поверхности фон радиоволн. В разных частотных диапазонах его происхождение вызвано различными причинами.

Естественные электромагнитные поля могут быть связаны с корпускулярным солнечным облучением Земли, грозовой или геодинамической активностью.

Электрическое поле Земли естественного космического происхождения, называемое магнитотеллурическим, проявляется в виде разнопериодных электромагнитных колебаний (вариаций).

Естественные электромагнитные поля грозовых разрядов представляют собой проявление сложного взаимодействия метеорологических и электрических процессов.

Электромагнитное поле Земли является щитом, который защищает жизнь на Земле от потока солнечных и космических частиц. Такие частицы являются сильным ионизирующим фактором, который влияет на живую ткань, и, в частности, на генетический аппарат организмов.

Где и как возникает электромагнитное поле Земли. Ядро Земли - это железный шар диаметром 6960 километров и с температурой, превышающей 5000°С. Его оболочка имеет толщину 2260 километров и пребывает в жидком состоянии. А внутренняя часть - в сжатом и твердом. В результате конвекции оболочка ядра перемешивается. Более холодная и плотная жидкость под действием силы тяжести тонет, а горячая и менее плотная поднимается вверх, занимая ее место. Магнетизм, электричество и движение, если присутствуют любые две из этих составляющих, то третья возникает сама собой.