- •В. В. Орленок основы геофизики Калининград
- •Вячеслав Владимирович Орлёнок основы геофизики Учебное пособие
- •236041, Г. Калининград, ул. А. Невского, 14
- •236000, Г. Калининград, ул. К. Маркса, 18
- •Введение
- •Часть I
- •Глава I. Строение солнечной системы
- •§1. Планеты и законы их обращения
- •§2. Орбитальные характеристики планет
- •Орбитальные параметры спутников планет
- •§3. Солнце. Основные характеристики
- •§4. Движение Солнца по эклиптике
- •Глава II. Внутреннее строение и физика земли
- •§1. Планетарные характеристики
- •§2. Модель Буллена
- •Положение границ, скорости распространения и затухания сейсмических волн внутри Земли
- •§3. Физическое состояние вещества геосфер
- •Строение мантии и ядра Земли (по Мельхиору, 1975)
- •Физические параметры земных оболочек (по Буллену, Хаддону, 1967)
- •Плотность в зависимости от давления в атм. Для космохимических элементов и соединений, г/см3
- •Значения термодинамических величин оболочек в земном ядре при распределении температур (по Жаркову, 1978)
- •§4. Строение газовой оболочки
- •Глава III. Состав и эволюция вещества геосфер
- •§1. Происхождение и эволюция земных оболочек
- •Баланс тепла на Земле (по Орлёнку, 1980)
- •Внутреннее строение Земли (по Гутенбергу-Буллену, 1966)
- •§2. История планетарной воды
- •Круговорот воды на поверхности Земли
- •Структура и баланс протовещества Земли (Орлёнок, 1985)
- •§3. Контракция и тектогенез перисферы
- •§4. Важнейшие тектонические следствия контракции
- •Часть II
- •Глава IV. Гравитационное поле земли
- •§1. Закон всемирного тяготения
- •§2. Фигура Земли
- •§3. Потенциал силы тяжести
- •§4. Аномалии силы тяжести
- •§5. Принципы изостазии
- •Постгляциальные движения Фенноскандии и других областей четвертичных оледенений
- •§ 6. Гравитационное взаимодействие системы Земля – Луна
- •Приливы
- •Эволюция системы Земля – Луна
- •Изменение продолжительности года и суток в фанерозое (по п. Мельхиору, 1975)
- •Глава V. Гравитационные аномалии реальных геологических тел
- •§1. Физические основы интерпретации
- •Гравитационных аномалий
- •Плотности наиболее распространенных пород
- •§2. Гравитационное поле точечной массы и шара
- •§3. Гравитационное поле вертикального стержня
- •§4. Гравитационное поле горизонтальной полуплоскости
- •§ 5. Гравитационное поле плоского слоя
- •§ 6. Обратные задачи гравиметрии
- •Глава VI. Магнитное поле земли
- •§1. Генерация геомагнитного поля
- •§2. Инверсии геомагнитного поля
- •§3. Хронология инверсий
- •§4. Элементы земного магнетизма
- •§5. Магнитные аномалии
- •§6. Магнитное поле диполя
- •§7. Недипольные составляющие магнитного поля.
- •§8. Магнитные свойства горных пород
- •§9. Основные формулы палеомагнитных реконструкций
- •§10. Расчет виртуальных полюсов для современной эпохи
- •§11. Критика палеомагнитных реконструкций неомобилизма
- •Глава VII. Магнитные аномалии реальных геологических сред
- •§1. Магнитное поле вертикального стержня
- •§ 2. Магнитное поле шара
- •§3. Магнитное поле вертикального тонкого пласта
- •§4. Магнитное поле вертикального толстого пласта
- •§5. Магнитное поле горизонтального цилиндра
- •§6. Магнитное поле уступа
- •§7. Интерпретация магнитных аномалий
- •Коэффициенты для определения глубины и намагниченности возмущающих тел способом в. К. Пятницкого
- •§8. Связь гравитационного и магнитного потенциалов
- •§9. Трансформации потенциальных полей
- •Глава VIII. Основы волновой теории распространения сейсмических колебаний
- •§1. Деформации и напряжения в горных породах. Закон Гука
- •§2. Волновое уравнение
- •§3. Акустическое давление и колебательная скорость плоской волны
- •§4. Акустическое давление и колебательная скорость сферической волны
- •§5. Отражение волн на границе вода – дно
- •§6. Отражение звука от слоя
- •§7. Дистанционно-акустические методы определения физических свойств и литологии морских осадков
- •Глава IX. Основы лучевой теории распространения сейсмических волн
- •§1. Условия применимости лучевого приближения
- •§2. Годограф отраженной волны
- •§3. Годограф преломленной волны
- •Годограф преломленной волны для многослойной среды
- •Определение граничной скорости
- •§4. Годограф рефрагированной волны
- •Глава X. Структура земной коры по геофизическим данным
- •§1. Петромагнитная структура фундамента
- •Континентов и океанов
- •Рифтовые хребты
- •Нерифтовые (глыбовые) остаточные возвышенности
- •Континентальные окраины
- •Глубоководные котловины
- •Гренландское море, Зюйдкапский желоб
- •Балтийская синеклиза
- •§2. Плотностная структура коры по гравиметрическим данным
- •§3. Сейсмическая структура коры континентов и океанов
- •Критический анализ сейсмических данных
- •Обобщенные сейсмические модели твердой земной коры океанов
- •Обобщение сейсмической модели верхней литосферы Тихого океана
- •Сейсмическая модель перисферы
- •Часть III
- •Глава XI. Внутреннее строение и физика планет земной группы
- •§1. Меркурий
- •§2. Венера
- •§3. Луна
- •§4. Марс
- •Глава XII. Внутреннее строение и физика планет-гигантов
- •§1. Юпитер
- •Галилеевы спутники Юпитера
- •§2. Сатурн
- •§3. Уран
- •§4. Нептун
- •Глава XIII. Роль массы в эволюции протовещества
- •§1. Планетный тип эволюции протовещества
- •Радиусы твердого тела планет и мощности их атмосфер (по Кесареву, 1976)
- •§2. Звездный (солнечный) тип эволюции протовещества
- •Глава XIV. Строение и эволюция звезд
- •§1. Физика Солнца
- •§2. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела
- •§3. Эволюция Солнца и звезд
- •Ядерные процессы в звездах, существенные для ядерного синтеза
- •Глава XV. Ранняя история солнечной системы
- •§1. Структура небулярного облака и межзвездной среды
- •§2. Вихревая теория образования Солнечной системы
- •§3. Аккреция Земли и планет
- •Глава XVI. Географическая оболочка в пространстве и времени
- •§1. Планетарный аспект эволюции географической оболочки
- •§2. Проблема времени и пространства в Метагалактике
- •Уравнение времени
- •Мировое время и Мировое пространство
- •Зависимость времени от энтропии и энтальпии систем
- •Масштаб времени биосистем
- •Масштаб времени социальных систем
- •О сингулярном времени и предельном возрасте Галактики
- •Заключение
- •Послесловие
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Для заметок
- •Физические характеристики планет
- •Значения коэффициентов разложения Гаусса для различных эпох, мэ (по Рикитаки, 1968)
- •Магнитное поле под подводными горами Гренландского моря
- •Интерпретация магнитного поля (т) Балтийского моря
§8. Магнитные свойства горных пород
Все горные породы, слагающие земную кору, по магнитным свойствам подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. В свою очередь магнитные свойства диа-, пара- и ферромагнетиков определяются величиной магнитной восприимчивости и остаточной намагниченностью In.
Магнитная восприимчивость характеризует способность пород намагничиваться под действием внешнего магнитного поля Ii. Она определяется из соотношения
= Ii/H, (VI.30)
где Ii – интенсивность намагничивания. Остаточная намагниченность представляет как бы законсервированное магнитное поле прошлых геологических эпох, т.е. характеризует намагниченность пород, приобретенную ими в момент формирования.
Собственно намагниченностью I называется векторная величина, равная магнитному моменту единицы объема тела.
Величина
В = Н + 4I (VI.31)
называется магнитной индукцией и характеризует плотность магнитного потока, проходящего через поперечное сечение намагниченного тела. В системе СГС единицей магнитной индукции является гаусс, в системе СИ – тесла. Из выражения (VI.30), заменяя I=Н и подставляя его в (VI.31), получим
1 + 4 = В/Н = . (VI.32)
Величина называется магнитной проницаемостью. В системе СИ она измеряется в генри/м.
Диамагнетики являются практически немагнитными породами. Коэффициент магнитной восприимчивости для них отрицательный (<0) и обычно имеет порядок 10-7 – 10-6 ед. СГС. К диамагнетикам относится небольшое количество пород, например каменная соль, гипс, кварц, кальцит.
Парамагнетики имеют невысокую положительную магнитную восприимчивость ( > 0, порядка 10-6 ед. СГС). Парамагнитными свойствами обладает большинство горных пород и минералов, например почти все осадочные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины), многие метаморфические и магматические породы (граниты, гнейсы, роговики и др.). Магнитная восприимчивость диамагнитных и парамагнитных пород не меняется при очень широких изменениях магнитного поля Н – от 0 до 104 эрстед. Кроме того, парамагнитные вещества не обладают самопроизвольной намагниченностью. В отсутствие внешнего поля их магнитный момент равен нулю. При наличии поля атомные магнитные моменты парамагнетиков ориентируются в направлении силовых линий поля.
Ферромагнетики характеризуются высокими положительными значениями , доходящими до целых единиц СГС ( = 105 ед. СГС). Ферромагнитных минералов немного. Важнейшими из них являются магнетит (Fe3О4), титаномагнетит (Fе2ТiO4), гематит (Fе3О4), ильменит (FеТiO3), пирротин (FеS).
В отличие от диа- и парамагнетиков ферромагнитные минералы обладают свойством сохранять остаточную намагниченность. Поэтому их суммарная намагниченность складывается из остаточной намагниченности In и индуцированной внешним магнитным полем Н намагниченности Ii:
I = H + In (VI.33)
т.е. их магнитный момент определяется соотношением
М = (Н + In)V,
где V – объем образца.
Намагниченность диа- и парамагнетиков определяется лишь первым членом уравнения (VI.33):
I i = H; M = HV, (VI.34)
ибо эти последние не обладают свойством сохранять остаточную намагниченность.
Магнитные свойства горных пород обусловлены содержанием ферромагнитных минералов. Эти минералы обычно рассеяны в виде мелких зерен в общей диа-парамагнитной массе, составляющей основной объем породы. Количество рассеянных (акцессорных) минералов и определяет магнитную восприимчивость и остаточную намагниченность In горных пород.
Свойство некоторых горных пород длительное время сохранять остаточную намагниченность явилось основой для развития палеомагнитных методов исследования горных пород, позволяющих получать ценные сведения о структуре геомагнитных полей прошлых геологических эпох.
Намагниченность горных пород зависит от целого ряда факторов и, в частности, от величины напряженности магнитного поля, температуры, давления, химических изменений, времени, механических деформаций и др. Наибольший интерес для палеомагнетизма представляет намагниченность, которую приобретает горная порода при остывании в земном магнитном поле, а также при химических изменениях, например при образовании гематита. Последний, как известно, образуется при окислении магнетита. Намагниченность, приобретаемая породой, в первом случае называется термоостаточной (ТРМ), во втором – химической остаточной намагниченностью (ХОН). Термическая и химическая остаточные намагниченности являются наиболее стабильными видами намагниченности. Однако наряду с ними горные породы претерпевают и другие виды намагниченности.
Приобретаемая при этом намагниченность называется вторичной остаточной намагниченностью. Вторичную остаточную намагниченность, т.е. дополнительное изменение первично индуцированной величины и направления вектора напряженности Н, горная порода приобретает в результате последующего умеренного разогрева (например, при метаморфизме) или механической деформации (при тектонических нарушениях, дислокациях, метаморфизме и т.д.), химических изменениях, а также при общем размагничивании в ходе времени или под влиянием переменных магнитных полей локального происхождения.
Намагниченность горных пород постепенно уменьшается с увеличением температуры и становится равной нулю в точке Кюри (порядка 6000С). Точка Кюри для различных ферромагнетиков различна. Например, для магнетита она равна 578°С, гематита – 675° С, ильменита – 100 – 150° С, пирротина – 300 – 325° С.
Поскольку вторичная остаточная намагниченность, накладываясь на первичную остаточную намагниченность, затрудняет получение истинных значений In и , образцы в процессе палеомагнитных измерений подвергают так называемой магнитной или термической чистке. Сущность магнитной чистки пород заключается в том, что образец подвергают размагничиванию в плавно меняющемся переменном магнитном поле, в результате чего нестабильная вторичная остаточная намагниченность удаляется, а более стабильная первичная остаточная намагниченность сохраняется как бы в чистом виде. Размагничивание производится в пространстве, изолированном от влияния геомагнитного поля Земли, для чего обычно используются кольца Гельмгольца.
Сущность термической чистки заключается в том, что образец нагревают до температуры несколько ниже точки Кюри и затем охлаждают. Цикл «нагревание – охлаждение» повторяют несколько раз, контролируя при этом изменение магнитной восприимчивости . Последнее необходимо для исключения из опытов образцов, в которых в результате нагрева произошли необратимые химические и структурные изменения. Наличие этих изменений обычно контролируется по колебаниям (20 % от первоначального значения).
Рис. 39. Изменение
фактора Q
в зависимости от возраста пород (по
Белоконь и др., 1973)
Промежуток времени, в течение которого магматические, метаморфические и осадочные породы приобретают тот или иной вид намагниченности, зависит от скорости остывания магм или скорости седиментации и диагенеза. Он может меняться в пределах от нескольких часов до десятков и тысяч лет. Следовательно, в одной и той же толще магматических или осадочных пород вектор In будет меняться по разрезу.