Природні умови та природні ресурси. Геофізичні поля

Фізичні поля, причиною виникнення або зміни яких є природне середовище планети, називають геофізичними полями (ГП). Розподіл і зміна ГП у просторі і часі залежать як від наявності і потужності їх джерел, так і від особливостей будови природного середовища та його динаміки під впливом природних і техногенних чинників. Знання сучасного стану і характеру зміни ГП є необхідним для розуміння природних процесів, що впливають на життя людей і економіку країни, для довгострокового соціально-економічного планування, раціонального землекористування, цілеспрямованого пошуку корисних копалин і прогнозування небезпечних процесів.

Гравітаційне поле Землі, або поле сили тяжіння, - це поле спричинене силою тяжіння і відцентровою силою, викликаною обертанням Землі навколо своєї осі. Воно умовно поділяється на аномальне та нормальне. Аномальне гравітаційне поле (АГП) відображає особливості фігури Землі і будови її надр. На території України АГП змінюється у широких межах, що пов‘язано з особливостями розподілу густини порід земної кори і верхньої мантії. На поміщеній в атласі карті розподіл аномального гравітаційного поля відображено лініями однакових значень його величини, які називають ізоаномалами.

На основі гравітаційного моделювання шаруватих неоднорідних тривимірних глибинних структур з використанням даних про аномальне гравітаційне поле, даних глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ), експериментальних кореляційних залежностей між питомою густиною порід та швидкістю поширення сейсмічних хвиль в умовах різних тисків і температур, з урахуванням поправок за речовинний склад порід, створено карту аномальної густини земної кори і верхньої мантії. Завдяки тенденції до ізостатичної врівноваженості окремих блоків та їх сукупностей, під більш важкими блоками підошва земної кори занурюється, а під легшими – піднімається.

Теплове поле також дає важливу інформацію про будову і динаміку нашої планети. Тепловий стан земної кори характеризується густиною теплового потоку, що надходить із надр Землі і розсіюється з її поверхні, і зміною температур з глибиною.

Основну роль у формуванні теплового потоку відіграють: енергія розпаду довгоживучих радіоактивних елементів (уран, торій, калій), максимальна концентрація яких спостерігається в породах земної кори, первинна енергія Землі та енергія фізико-хімічних процесів, що відбуваються в її надрах. Значну роль відіграють також умови перенесення тепла, які суттєво змінюються з глибиною і по латералі. Провідна роль у формуванні позитивних геотермічних аномалій належить активним тектонічним та магматичним процесам, що супроводжуються виносом великої кількості теплової енергії.

Густина теплового потоку – це кількість тепла, що виноситься з надр до поверхні за одиницю часу на одиниці площі. Він вимірюється у мВт/м2 і визначається як результат множення геотермічного градієнта у певному інтервалі глибин на теплопровідність порід цього інтервалу. На території України густина теплового потоку змінюється від 25-30 мВт/м2 до 100-110 мВт/м2. Температури на глибині 1 км змінюються від 20 до 70oС, а на глибині 3 км - від 40 до 135oС. Розподіл теплових потоків тісно пов‘язаний із особливостями геологічного розвитку регіонів та їх тектонікою.

Глибинний тепловий потік (ГТП) визначається як спостережений тепловий потік відкоригований з врахуванням численних близькоповерхневих впливів: палеоклімату, руху підземних вод з вертикальною складовою, геологічних структур, що призводять до негоризонтального залягання поверхонь розділу порід з різною теплопровідністю, молодих насувів, накопичення молодих осадових відкладів тощо. Карта ГТП показує розподіл його фонових (35-50 мВт/м2) і аномальних (60-130 мВт/м2) величин на території України.

Теплова енергія Землі є геоенергетичним ресурсом. На основі даних про ГТП побудовано представлену в атласі карту густини геоенергетичних ресурсів в тонах умовного палива на квадратний метр, які можуть бути видобуті водяною геоциркуляційною системою з температурою (Т) носія не нижче 600С та його повернення у надра з Т ~ 200С. Загальні геоенергетичні ресурси України (визначені на даний час) приблизно у 20 разів перевищують усі запаси горючих копалин на її території. На деяких площах вони досягають 10 т у.п./м2, що перевищує запаси енергії, які можуть бути видобуті з великого родовища нафти чи газу. Геоенергетичні ресурси, придатні для практичного використання шляхом одержання пари (електричної енергії) без додаткового нагрівання, поки що розвідані лише у Закарпатті та на дуже обмежених територіях в Криму.

Магнітне, або геомагнітне поле є силовим геофізичним полем, спричиненим електромагнітними процесами в ядрі Землі (головне, або нормальне поле), у верхніх шарах іоносфери (варіації геомагнітного поля) та намагніченістю гірських порід земної кори. Останній чинник формує аномальне магнітне поле, яке відображає наявність у земній корі порід з різною концентрацією магнітних мінералів. Воно визначається шляхом виключення із напруженості загального геомагнітного поля напруженості нормального поля і його варіацій. Нормальне поле не має точного аналітичного відображення. Для його опису використовують декілька апроксимуючих моделей, одну з яких наведено в атласі.

Аномальне магнітне поле території України дуже диференційоване і складається з регіональної та локальної компонент, які відрізняються поперечними розмірами аномалій і глибиною розміщення їх джерел.

Регіональна компонента поля, зображена на карті "Довгохвильові магнітні аномалії", обумовлена неоднорідністю складу нижньої частини земної кори і рельєфом підошви магнітоактивного шару, яка може ототожнюватися з підошвою земної кори (розділ Мохоровичича) або з ізотермічною поверхнею температури Кюрі магнетиту - головного носія магнетизму гірських порід. Вона відбиває регіональні риси великих геоструктур.

Локальна компонента аномального магнітного поля формується під впливом намагнічених порід верхньої частини кори і відображає її склад і будову. Ця компонента магнітного поля використовується як одне з важливих джерел інформації для геологічного картування порід, вивчення складчастої та розривної тектоніки, тектонічного районування, а в комплексі з регіональною компонентою та іншими геофізичними даними – для вивчення співвідношень приповерхневих і глибинних структур літосфери, для побудови різномасштабних об’ємних моделей геологічного середовища, які застосовуються при визначенні перспективності геологічних структур на різні корисні копалини.

Магнітотелуричне поле Землі є природним електромагнітним полем, спричиненим іоносферно-магнітосферною системою струмів. Це поле є одним з важливих джерел знань про сучасну геологічну будову, тектонічні процеси, геодинаміку і флюїдний режим земної кори та мантії. Електричні властивості гірських порід тісно пов’язані з температурним і флюїдним режимом надр, хімічним складом мінералів порід, в складі яких є C, S, Fe та інші метали, рівнем мінералізації ювенільних вод, наявністю розплавів порід кори і мантії тощо. На основі аналізу спостереженого магнітотелуричного поля з використанням методів плівкового та двовимірного кінцево-різницевого моделювання електромагнітних полів побудовано представлені в атласі карти «Електропровідність земної кори» та «Електропровідність верхньої мантії» в одиницях провідності – сименсах (См). Аномалії електропровідності виділяються на фоні «нормального» узагальненого геоелектричного розрізу Східноєвропейської платформи, яке характеризується питомими електричними опорами (в Ом?м): 1000, 600, 250, 100, 50, 20, 10, 5, 1, 0.1 – в шарах геологічного середовища потужністю (в км): 160, 40, 50, 70, 80, 100, 100, 160, 200, ∞. Значення повздовжньої електропровідності плівки навколишнього простору приймалася рівною 10 См.

Для вивчення глибинної будови Землі: геометрії і положення основних тектонічних границь, розподілу фізичних параметрів геологічного середовища тощо - широко використовується ще один вид ГП - сейсмічне поле. Воно спостерігається у вигляді механічних коливань на поверхні ґрунту, або в шахтах, печерах, штольнях і свердловинах. Коливання збуджуються сейсмічними хвилями (поздовжніми, поперечними, поверхневими, каналовими), які поширюються від джерела загасаючи, відбиваючись, заломлюючись і перевипромінюючись в інші типи на неоднорідностях геологічного середовища. В залежності від джерела, сейсмічне поле може бути природного або техногенного походження .

Вивчення техногенних сейсмічних полів, генерованих спеціальними вибухами, або вібросейстами, і спостережених вздовж геологічних профілів, дозволило одержати унікальні дані про внутрішню будову Землі, які використовуються для пошуку корисних копалин і розв‘язання ряду інших важливих геолого-геофізичних задач. В атласі приведені розрізи земної кори і літосфери через основні тектонічні структури на території України.

1. Спостереження на геотраверсі глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ) "Голованівськ – Кіровоград – Таганрог", який перетинає у широтному напрямку східну та центральну частини Українського щита, виконано методом неперервного профілювання, з використанням системи взаємно пов'язаних годографів головних хвиль. Наведена модель висвітлює швидкісні характеристики та глибину будову архейсько-протерозойських структур щита.

2. Геотраверс "Чорне море – Балтійське море" на території України має довжину понад 900 км. Він перетинає палеозойську Скіфську плиту і докембрійський Український щит. Швидкісна модель побудована на основі двомірного чисельного моделювання хвильового поля, одержаного методом ГСЗ.

3. Профіль ГСЗ "Полтава - Свердловськ" проходить вздовж Дніпровсько-Донецького авлакогену. Результати ГСЗ були одержані і проінтерпретовані великим колективом українських учених геологів і геофізиків.

4. Глибинні сейсмічні дослідження на профілі «Берегово – Долина – Вишневець –Шепетівка - Чернігів» висвітлили будову тектонічних структур різного віку та генезису: Закарпатський мезозойсько-палеогеновий прогин, Карпати, які є одним з головних альпійських орогенів Європи, та архейсько-ранньопротерозойський Український щит.

5. Профіль ГСЗ "Путивль-Кривий Ріг" поєднує надглибокі свердловини НГС-8 та 9. У своїй південній частині він проходить уздовж Криворізько-Кременчуцької субмеридіональної ранньопротерозойської протогеосинкліналі, а в північній – косо перетинає Дніпровсько-Донецький пізньопротерозойсько-девонський палеорифт північно-західного простягання.

На території України виконані великі обсяги сейсмічного профілювання (понад 10 тис. км) для вивчення будови земної кори і літосфери. За цими даними побудована представлена в атласі карта поверхні Мохоровичича. Назва «поверхня» є умовною, так як насправді - це потужна перехідна зона, відділяюча земну кору від верхньої мантії, яка характеризується складною будовою, чергуванням тонких шарів з підвищеними і пониженими швидкостями сейсмічних хвиль.

В межах України товщина земної кори змінюється в дуже широких межах - від 25 до 65 км. Максимальна товщина кори фіксується під Карпатами (65 км), Гірським Кримом (до 60 км), на Українському щиті (Одесько-Ядлівська, Криворіжсько-Крупецька і Оріхово-Павлоградська ранньопротерозойські геосинклінальні зони - 50-60 км). Мінімальна товщина земної кори спостерігається в районі Закарпатського прогину (25 км), під Дніпровсько-Донецьким авлакoreном (30-35 км), на Українському щиті, в районах Запорізького серединного масиву (25-30 км), Кіровоградського протоплатформного блоку (35 км) і на акваторії Чорноморської западини (25-30 км).

Природні сейсмічні поля, причиною яких є вогнища місцевих і сильних віддалених землетрусів, з огляду на їх значну небезпеку, повинні враховуватися при спорудженні житла, важливих споруд, об‘єктів підвищеного екологічного і техногенного ризику. Причиною землетрусів є сучасна тектонічна активність геологічних структур. Розподіл на даній території землетрусів різної величини в часі і просторі називають сейсмічністю.

На території України високий рівень сейсмічності спостерігається, в основному, на території Карпатського і Кримсько-чорноморського регіонів.

Сейсмічність Карпатського регіону визначається землетрусами з епіцентрами у Закарпатті, Карпатах, Передкарпатті, а також на прилеглих територіях Польщі, Словаччини, Угорщини, Румунії. Найбільш сейсмоактивним є Закарпаття.

На території західних областей України (за період з XVII століття до нашого часу) землетруси характеризуються, в основному, глибинами вогнищ (h) 2-10 км і магнітудами (М)<5.5. Внаслідок малої глибини ці землетруси викликають локальні ефекти на поверхні ґрунту з інтенсивністю до 7-8 балів за шкалою MSK-64. Такі ж коливання відчуваються на Закарпатті від глибших (h=35 км) і більших за величиною (М=6.8) землетрусів з епіцентрами в Румунії (Пішкольт) на відстані ~60 км від кордону України. На прилеглій до Передкарпаття території найбільший землетрус, з достовірно описаних, відбувся у 1875 р. в районі м. Великі Мости Львівської обл. Він мав магнітуду М=5.3, глибину вогнища h=19 км і відчувався в епіцентральній зоні з інтенсивністю 6 балів. В Чернівцях інтенсивність коливань досягала 3 балів.

На значну частину території України впливають підкорові землетруси із зони Вранча в Румунії. Вогнища землетрусів, здатних спричинити значні макросейсмічні прояви на території України, розташовані в мантії на глибинах від 80 до 190 км. Максимальні магнітуди землетрусів з цієї зони досягали 7.6. Завдяки великим глибинам вогнищ і магнітудам, землетруси зони Вранча проявляються на величезній території: від Греції на півдні - до Фінляндії на півночі. На карті епіцентрів представлені вогнища землетрусів зони Вранча, починаючи з XI століття, з магнітудами вищими від 3.5. Надійно встановлено ізосейсти найсильніших землетрусів зони Вранча за останні два століття.

Сейсмічність Кримсько-Чорноморського регіону визначається епіцентрами землетрусів, розташованих в акваторії Чорного моря поблизу Південного берега Криму. Вони характеризуються найвищими на території України магнітудами (до М=6.8). На карті епіцентрів землетруси Криму представлені з M>2 за період спостережень з I віку до н. е. до нинішнього часу. На рівнинній частині Криму і в акваторії Азовського моря показані вогнища землетрусів з M>1.

На платформній частині України відомо лише декілька відчутних місцевих землетрусів. Їх вогнища були в межах земної кори, внаслідок чого сейсмічний ефект мав локальний характер. Інтенсивність сейсмічних струшувань в епіцентральній зоні досягала 6-7 балів. Землетрус з інтенсивністю сейсмічних струшувань 6 балів за шкалою MSK-64, який відбувся 3 січня 2002 року в районі селища Микулинці Тернопільської області і шлейф його афтершоків, ще раз засвідчив наявність суттєвої сейсмічної активності платформних тектонічних структур на території України.

Рівень небезпеки, яку можуть спричинити землетруси, показано на картах загального сейсмічного районування (ЗСР) в балах макросейсмічної шкали MSK-64. Ці карти використовуються для довгострокового соціально-економічного планування, раціонального землекористування, прийняття адміністративних і технічних рішень щодо забезпечення стабільної експлуатації існуючих споруд і розміщення нових (ГЕС, АЕС, трубопроводів тощо). В сейсмічних районах України проектно-пошукові і будівельні роботи регламентують три імовірнісні карти ЗСР-2004, позначені як А, В і С. На них представлені значення інтенсивності сейсмічних струшувань, які можуть проявитися раз в 500, 1000 і 5000 років, відповідно, або, інакше кажучи, можуть бути перевищені з імовірністю 10%, 5% і 1% за найближчі 50 років.

Карти сейсмічного мікрорайонування (СМР) відображають прогнозований приріст сейсмічної бальності на різних ділянках території, відносно представленої на картах ЗСР. Прирости можуть бути додатними, або від‘ємними, в залежності від місцевих ґрунтових умов, рельєфу і наявності тектонічних порушень. При побудові карт СМР використовуються дані інженерно-геологічних досліджень, дані макросейсмічних обстежень наслідків землетрусів, інструментальні спостереження за сейсмічними полями землетрусів, вибухів, природних і техногенних мікросейсм. Карти СМР використовуються для планування розвитку населених пунктів, забезпечення стабільної експлуатації існуючих споруд і проектування нових.

Представлені в атласі карти геофізичних полів і побудовані на основі їх інтерпретації карти і схеми, які відображають глибину будову літосфери, динаміку тектонічних структур, небезпеку, пов‘язану із землетрусами, криповими рухами, зсувами, просадками тощо, є важливим інструментом для пізнання глибинної будови планети, цілеспрямованого пошуку корисних копалин, захисту населення, житла і важливих споруд від небезпечних ендогенних процесів і пов‘язаних з ними вторинних інженерно-геологічних явищ.