ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2012, № 3, с. 3-21
УДК 550.348
ПРИПОВЕРХНОСТНАЯ ГЕОФИЗИКА: КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛИТОСФЕРНО-АТМОСФЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
© 2012 г. В. В. Адушкин, А. А. Спивак
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва Поступила в редакцию 28.07.2011 г.
Формулируются основные направления и задачи исследований по проблеме межгеосферных взаимодействий на приповерхностных участках континентальной земной коры, представляющих наибольший интерес с точки зрения формирования условий жизнедеятельности человека. Установлены основные периодичности вариаций геофизических полей, определяющие природные ритмы окружающей среде. Рассматриваются взаимодействие и преобразование геофизических полей (электрическое поле в грунте и в приземном слое атмосферы, поля радоновых эманаций и микросейсмических колебаний). Отмечается важная роль тектонических нарушений и слабых возмущений твердой Земли в виде лунно-солнечного прилива и барических вариаций в атмосфере в формировании режимов геофизических полей на границе земная кора-атмосфера. Данные, полученные в результате синхронных инструментальных наблюдений, демонстрируют взаимовлияние и значимую корреляцию между амплитудными вариациями геофизических полей разной природы.
Ключевые слова: геофизические поля, гравитационное взаимодействие, деформация, земная кора, тектонические разломы.
ВВЕДЕНИЕ
Представленные в настоящей статье комплексные исследования геофизических полей и процессов в приповерхностных слоях Земли опираются на наш многолетний опыт всестороннего изучения воздействий и долговременных последствий в окружающей среде при взрывах в воздухе, под землей и в воде [Adushkin, 2004; Адушкин, Спивак, 2007]. Этот опыт комплексной регистрации отклика геофизической среды на сильные воздействия был нами использован при изучении геодинамических явлений в земной коре и вариаций геофизических полей и процессов в приземном слое атмосферы под влиянием мегаполиса, горных работ, строительстве плотин и подземных сооружений, а также при воздействии на окружающую среду эндогенных и экзогенных природных источников энергии [Адушкин, Спивак, 1995; 2005; 2008].
В настоящее время проводимые нами исследования, связанные с активными воздействиями техногенных и природных источников на состояние и глобальные изменения природной среды, оказались в русле интенсивно развивающегося нового раздела науки "Приповерхностная геофизика" [Slater, 2006].
Приповерхностная геофизика — это наука о геодинамических процессах, протекающих в окружающей среде при взаимодействиях литосферы,
атмосферы, гидросферы и биосферы в области их соприкосновения. Каждая из упомянутых геосфер в отдельности является предметом изучения соответствующих наук: геологии (тектоники), физики атмосферы, океанологии, биологии. Таким образом, приповерхностная геофизика опирается на эти науки и определенным образом объединяет их при изучении процессов, протекающих в зонах взаимодействия геосфер.
В настоящей работе в первую очередь имеется в виду граница соприкосновения твердой континентальной оболочки Земли и атмосферы. При участии во взаимодействиях электрических и магнитных полей, а также токовых систем в земле и атмосфере, в процесс изучения, естественно, включаются плазменные оболочки (ионосфера и магнитосфера), обеспечивающие электромагнитные связи в геосферах. Взаимодействие между гидросферой, составляющей большую часть поверхности Земли, и атмосферой следует рассматривать отдельно [Взаимодействие..., 1996]. Одновременно с этим мы не касаемся вопросов взаимодействия системы литосфера—атмосфера—гидросфера с биосферой, которое также является важной составной частью приповерхностной геофизики как науки.
Взаимодействие литосферы и атмосферы в области их соприкосновения, как и вообще взаимодействие геосфер, сопровождается разнообразными геофизическими процессами, которые тес-
но связаны между собой многочисленными прямыми и обратными связями, склонными к си-нергетическим эффектам и аномальным явлениям. Граница между литосферой и атмосферой характеризуется наиболее сильными контрастными изменениями свойств контактирующих сред, высокими потоками массы и энергии, широким перечнем одновременно существующих геофизических полей, а также наличием специфических эффектов, связанных с их взаимодействием [Адушкин и др., 2006; Спивак, 2009]. Необходимо отметить, что под геофизическими полями следует понимать не только физические поля Земли (электрическое, магнитное, гравитационное, тепловое), но и поля, сформированные геодинамическими процессами (поле микросейсмических колебаний, поле напряженно-деформированного состояния, акустическое поле в атмосфере, эманационное поле подземных газов и т.д.).
В этих условиях одной из основных задач приповерхностной геофизики как науки является не только изучение процессов энергомассообмена и взаимодействия геофизических полей, но и изучение изменчивости и степени уязвимости окружающей среды, что в определенной степени характеризует ее устойчивость и условия динамического равновесия. Причем, соответствующие изменения природной среды могут происходить либо катастрофическим образом за счет избыточной энергонасыщенности и триггерных эффектов, либо путем постепенного накопления медленных и слабых, но постоянно действующих возмущений, в результате которых в среде может образоваться критическое состояние. Такие процессы происходят в литосфере при образовании оползневых явлений, при накоплении напряжений под действием приливных сил, или при возникновении сил инерции из-за неравномерного вращения Земли. Подобные процессы развиваются при проведении подземных работ, добычи нефти и газа, и сопровождаются они проседанием горных пород, провалами и наведенной сейсмичностью.
Медленные изменения развиваются и в атмосфере в виде глобального потепления или расширения "озоновых дыр". Угроза экологической катастрофы также связана с постепенным развитием цивилизации и интенсификацией производственной деятельности. По этой причине важное место в приповерхностной геофизике занимают вопросы, связанные с предупреждением негативных и катастрофических последствий природных явлений, опасных как для самого человека, так и результатов его деятельности [Экология..., 2006].
Повышенный интерес к исследованию геофизических процессов на границе земная кора-атмосфера связан с определяющим влиянием среды обитания на формирование условий эволюции живой природы и, прежде всего, человека. В последнее время в связи с ростом техногенной на-
грузки на среду обитания, а также нарастающим распространением тонких производственных и исследовательских технологий, особое внимание уделяется изучению геофизических полей различной природы, их преобразованиям и взаимодействию с точки зрения формирования и функционирования антропогенных систем [Адушкин и др., 2006; Спивак, 2009; Спивак, 2010; Уткин и др., 2010 ].
При формулировке направлений, целей и задач рассматриваемых исследований необходимо учитывать не только основные, установленные к настоящему моменту связи между геодинамическими процессами в земной коре и различными геофизическими полями в приземном слое атмосферы, но также роль внешних возмущающих факторов, среди которых особо следует выделить гравитационное взаимодействие в системе Земля—Луна—Солнце и барические вариации в атмосфере [Адушкин и др., 2008; Адушкин, Спивак, 2008]. В общем виде схема таких связей и взаимодействий на границе земная кора—атмосфера в условиях эндогенной активности недр и воздействия внешних факторов, включая техногенные, представлена на рис. 1.
Из схемы на рис. 1 следует, что основным объектом исследований в рамках приповерхностной геофизики являются геофизические поля и разнообразные процессы энергообмена (потоки флюидов, дегазация недр, геодинамические процессы, тепловые потоки и т.д.), а также информационный обмен между литосферой и атмосферой. Эта приграничная область природной среды включает верхнюю часть земной коры и нижнюю часть тропосферы, где сконцентрирована в основном вся человеческая деятельность. Граница между литосферой и атмосферой разделяет геосферы на внутренние и внешние. Интенсивность и характер процессов взаимодействия в приграничной области зависит от мощности и вида источников энергии, расположенных во внешних и внутренних геосферах. Источники энергии со стороны внешних геосфер названы экзогенными. В их состав входят главным образом потоки солнечной энергии, силы приливных воздействий луны и Солнца, огромный запас энергии вращения Земли, который обеспечивает поле инерци-альных сил, возникающих из-за неравномерности ее вращения. Отмечено влияние планетарных факторов (эллиптичность орбиты Земли, цикличности в размещении планет Солнечной системы и т.д.) Важным источником энергии со стороны внешних геосфер являются динамические процессы в атмосфере: циклоны и антициклоны, тайфуны, штормы и т.д.
Источники энергии со стороны внутренних геосфер названы эндогенными. Эндогенная активность недр Земли обеспечивается термохимической конвекцией, источниками тепловых пото-
Экзогенные источники
Эндогенная активность недр Земли
121
Техногенные воздействия
1. Солнечная активность
2. Приливные воздействия
3. Энергия вращения Земли
4. Планетарные факторы и удары космических тел
5. Циклоническая деятельность в атмосфере
1. Геодинамические процессы
2. Конвекция в недрах Земли
3. Тепловой поток
4. Дегазация Земли
5. Вулканические извержения
1. Добыча нефти и газа
2. Горные работы
3. Подземное и наземное строительство
4. Мегаполисы и электромагнитные источники
5. Транспорт
Рис. 1. Схема литосферно-атмосферных взаимодействий в окружающей среде под действием природных и техногенных источников.
ков в ядре и мантии, процессами дегазации. Под действием эндогенных источников на всех масштабных уровнях развиваются интенсивные геодинамические процессы. На глобальном уровне происходит постоянное движение литосферных плит, и в регионах их взаимодействия возникают катастрофические землетрясения и мощные вулканические извержения. В земной коре развиваются процессы внутриплитной тектоники, о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.