Внутренние и внешние оболочки Земли
Оболочки Земли
Оболочки Земли — элементы слоистой макроструктуры Земли, обладающие центральной симметрией. Это более или менее правильные концентрические слои, охватывающие всю Землю, меняющиеся с глубиной в вертикальном разрезе планеты и отличающиеся друг от друга характерными для каждой, только ей свойственными, особыми физическими, химическими и биологическими свойствами. Слои, которые находятся ниже поверхности Земли, называются внутренними оболочками. Вышележащие слои называются внешними.
Сначала рассмотрим внутренние оболочки (рис. 12.1)[1]. Основные данные о строении Земли получают из наблюдения за сейсмическими волнами, имеющими искусственную или естественную природу. Распространяясь в средах, имеющих разную плотность, они имеют разную скорость. Эти волны и показали наличие в «земной тверди» областей с разной плотностью. На основе этих данных было высказано предположение, что в первом приближении Земля состоит из трех основных сферических оболочек — геосфер: земной коры, мантии и ядра. Более доскональные исследования показали, что внутреннее строение Земли сложнее.
Рис.
Начнем с земной коры. Под ней находится так называемая мантия. Верхняя ее часть, примыкающая к земной коре, твердая. Этот слой и земная кора называются литосферой (греч. Ал0о<; — камень + асрсира — шар). Земная кора под материками и океанами различна, но ее мощность не превышает 75 км. Это всего лишь 1,2% радиуса Земли, который равен 6371 км.
Теперь перейдем к мантии. В ней различают три слоя: верхний слой толщиной меньше 400 км, промежуточный слой толщиной порядка 600 км и нижний слой толщиной 1900 км. Последний соприкасается с ядром.
С помощью сейсмических волн можно обнаружить границу между земной корой и мантией, называемую слоем М, в честь хорватского сейсмолога Андрея Мохоровичича (1857—1936), обнаружившего его в 1909 г.
В верхней части магмы есть еще один особый слой — астеносфера (греч. aa08vf|<; — бессильный + acpaipa — шар). Его толщина составляет от 100 до 700 км в разных местах. Он отличается от слоев, лежащих выше и ниже него, меньшей вязкостью и большей пластичностью, благодаря чему блоки литосферы могут по ней перемещаться.
Вся мантия составляет больше 80% объема Земли. Толщина мантии — порядка 3400 км. Верхняя ее часть — место для образования очагов магмы, которая может вырваться на поверхность в виде вулканической лавы, а может застыть в литосфере, не найдя для себя дорогу к поверхности. Именно в таких магматических породах находится большинство месторождений полезных ископаемых, включая и алмазы. Высокое давление и температура мантии способствуют изменению кристаллической решетки различных минеральных соединений.
Известно, что в слоях мантии глубже 400 км плотность вещества значительно выше, чем в ее верхней части, но мы не имеем сведений о ее составе.
В центре Земли располагается ядро. В нем различают две части: внешнее ядро толщиной 2210 км и внутреннее ядро толщиной 1278 км. Внешняя часть ядра жидкая, а внутренняя — твердая. Температура ядра — порядка 10 000°С. В нем содержатся железо и близкие к нему по весу химические элементы.
Теперь рассмотрим поверхность Земли и будем двигаться вверх от нее. Чуть более 70% земной поверхности занимает гидросфера. В среднем в каждом литре воды содержится 35 г солей. Средняя плотность гидросферы приблизительно равна 1000 кг/м3, а температура поверхности океанов меняется от 3 до 32°С. Свет Солнца достигает глубины 200 м, а ультрафиолетовое излучение — 800 м. Средняя глубина океанов составляет 3711 м.
Газовая оболочка Земли называется атмосферой. Она начинается от литосферы и гидросферы, а заканчивается на высоте 1000 км. В свою очередь, атмосфера делится на тропосферу (двигающийся слой), стратосферу (слой над тропосферой) и ионосферу (верхний слой).
Толщина тропосферы меняется от 16—18 км в тропических широтах до 8—10 км в полярных широтах. Ее масса составляет 75% всей массы атмосферы. Воздух тропосферы может двигаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.
Толщина стратосферы — около 40 км. Ее газовые компоненты могут перемещаться лишь в горизонтальном направлении, образуя слои.
Ионосфера получила свое название из-за того, что ее газы постоянно ионизируется как ультрафиолетовыми, так и космическими лучами.
Биосфера, или сфера жизни, занимает то же пространство, что и тропосфера, гидросфера и литосфера. Ее верхняя граница достигает верхних слоев тропосферы, нижняя — проходит по дну океанских впадин. Биосфера состоит из сферы растений (свыше 500 тыс. видов) и сферы животных (свыше 1 млн видов).
Магнитное поле и его значение в поиске и разведке месторождений полезных ископаемых
В качестве метода геологического картирования магниторазведка используется при поисках очень многих полезных ископаемых. Сведения об изменениях магнитного поля оказываются полезными для выяснения геологической обстановки и выделения перспективных участков по некоторым признакам, используемым при поисках месторождений определенных полезных ископаемых: площади распространения интрузий определенного состава, зоны контактов, зоны разломов. Непосредственные указания на наличие объектов поисков имеют место в тех случаях, когда создаваемое ими магнитное ноле отлично от поля вмещающих пород. По мере повышения качества магнитных измерений, выяснения геологических условий образования месторождений и накопления опыта повышается эффективность применения метода, расширяется круг задач, решаемых на основе изучения изменений магнитного поля.
Руды некоторых полезных ископаемых, почти всегда содержат ферромагнитные минералы, благодаря чему обладают высокой намагниченностью. Обнаружение, их магнитным, методом в таких случаях не вызывает затруднений.
Магнитная восприимчивость пирротиновых руд в большинстве случаев весьма значительна, хотя иногда встречаются слабо магнитные разновидности.
Над жильными образованиями пирротиновых руд наблюдаются линейно вытянутые аномалии простой формы, по которым элементарными приемами вычисляется глубина залегания верхней. кромки, в некоторых случаях легко определяется глубина залегания центра тяжести сечения тела. На рис. 128 приведен пример кривой по профилю вкрест простирания жилы.
Пирротин часто сопутствует рудам других металлов, в частности он встречается в оловоносных рудах, сульфидных медных рудах и некоторых других. Высокая намагниченность пирротина определяет возможность использовать его присутствие в рудах других металлов для обнаружения этих руд магнитным методом. Наблюдаемые в таких случаях аномалии обыкновенно не превышают нескольких сот грамм, вследствие чего к точности измерений предъявляются высокие требования. При этом необходимо иметь в виду, что на величину аномалии большое влияние оказывает зона окисления: продукты окисления пирротина практически немагнитны, вследствие чего аномалия возникает только от первичных руд, глубина залегания которых может быть значительно больше глубины верхней кромки рудного тела.
При поисках полиметаллических сульфидных руд магнитный метод обычно используется как метод картирования, но иногда рудные тела создают значительные магнитные аномалии вследствие присутствия ферромагнитных минералов. На рис. 129 показана магнитная аномалия над полиметаллическим рудным телом; область положительных значений Zа хорошо определяет контуры тела. Большие значения аномального поля объясняются присутствием в составе руд магнетита и пирротина. Эта аномалия отмечена воздушной магнитной съемкой масштаба 1: 25 000, осуществленной аэромагнитометром АМ-13, контуры аномалий по воздушной и наземной (масштаб 1: 10 000) съемкам хорошо совпадают. Воздушной съемкой в том же районе отмечено еще несколько таких же аномалий, рекомендуемых для исследования наземными средствами. При наземной магнитной съемке установлено, что не во всех случаях контуры магнитных аномалий определяют контуры рудных тел, имеются немагнитные разновидности руд; одновременное применение магнитной и гравитационной съемки в данном случае оказывается полезным, так как значительная избыточная плотность рудных тел вызывает вполне измеримые гравитационные-аномалии, совместное использование которых с магнитными данными обеспечивает положительное решение задачи о поисках.
Магниторазведка оказывается полезной, когда в железных шляпах, возникающих при окислении некоторых сульфидов, присутствуют ферромагнитные минералы. Выявление железных шляп служит косвенным признаком наличия сульфидных месторождений, хотя и сами железные шляпы в некоторых случаях могут быть объектами поисков. Пример хорошо выраженной аномалии над железной шляпой одного из полиметаллических месторождений изображен на рис. 130. Первичные руды участка, на котором обнаружена железная шляпа, состоят в основном из пирита с небольшим содержанием магнетита и вкрапленностью полиметаллов. В зоне окисления магнетит в значительной мере сохранился, что и является причиной, аномалии.
При поисках медно- никелевых месторождений, связанных с интрузиями основных и ультраосновных пород, магнитный метод широко применяется для поисков и оконтуривания интрузивных тел и детального изучения приконтактовой зоны. На рис. 131 изображена кривая Zа по одной поисково-разведочной линии, пересекающей печенгскую никеленосную толщу. Высокие значения аномального поля соответствуют выходам ультраосновных пород под четвертичные отложения, резкие изменения напряженности поля, отражающие различную намагниченность пород, указывают на небольшую глубину залегания коренных пород, легко вычисляемую, по обособленным пикам Zа.
Несмотря на то, что аномальное поле резко изменяется, достаточно хорошо виден глубокий и широкий минимум напряженности поля с северной стороны, свидетельствующий о падении на юг всей свиты пород, включающей интрузивные тела. Вычислению угла падения мешает то обстоятельство, что наблюдаемый минимум осложнен сильным полем изолированного интрузивного тела и, кроме того, этот минимум является частью не какой-либо отдельной положительной аномалии, отмечаемой южнее, а их совокупности. Поэтому для вычисления угла падения нельзя снять с кривой ни достоверного значения максимума, ни соответствующего минимума поля. Решение задачи возможно путем вычисления поля Zа выше заданного уровня на такой высоте, при которой кривая примет плавный вид. Для приближенной оценки угла падения грубо осредненное отношение Zmax: Zmin = 3, откуда cos v = cos (α—i) = 0,5 (41,11) или α—i ±60° (α — угол падения, i — угол наклонения, отсчитываемые от положительного направления оси х на север). Полагая для этого района i = 80°, получаем α = 140° при отсчете угла от направления на север или, иначе, падение на юг под углом 180° — 140° = 40°. Действительный угол падения свиты около 45°.
Непосредственные поиски никелевых руд в зоне контакта ультраосновных пород со сланцевой толщей (филлитами) ведутся другими геофизическими методами, прежде всего электрическими.
При поисках медноколчеданных рудных месторождений Урала, приуроченных к вулканогенным (зеленокаменным) породам, магнитный метод используется для выделения названных пород, отличающихся значительной намагниченностью.
В последние годы установлено, что медноколчеданные месторождения приурочены к зонам относительно пониженного или слабого отрицательного поля Z на общем фоне сильных аномалий, достигающих 1000γ и даже более. Это объясняется тем, что в процессе хлоритизации и серицитизации пород, который возникает в результате гидротермального воздействия, обусловливающего возникновение сульфидных руд, происходит вынос ферромагнитных минералов из первичных пород. Намагниченность пород, вмещающих рудные тела, уменьшается, соответственно изменяется аномальное магнитное поле (рис. 132). Понижение поля Z в зоне гидротермального изменения пород отмечено во многих других случаях.
При поисках скарновых руд магнитный метод используется для картирования интрузий.
Бокситы обладают различной намагниченностью, начиная от практически немагнитных до сильно магнитных с большой остаточной намагниченностью. Плотные бокситы бобового строения обычно наиболее магнитны, их магнитная восприимчивость порядка 10в-3 СГС, но в отдельных случаях отмечались образцы с восприимчивостью до 10в-1 СГС. Разрушенные и глинистые бокситы слабо магнитны, их восприимчивость не превышает нескольких единиц 10в-4 СГС.
Геосинклинальные месторождения бокситов залегают в форме пластов небольшой мощности, имеющих большую протяженность. Вмещающими породами являются известняки, иногда прорванные изверженными породами. Магнитные аномалии, создаваемые бокситами, незначительны, редко превышают 100γ, вследствие чего для их обнаружения и прослеживания необходима высокая точность полевых измерений. На рис. 133 изображен геологический разрез по одному из месторождений с значениями аномального поля по разрезу.
Платформенные месторождения магнитных бокситов, залегающих на немагнитном фундаменте, легко обнаруживаются магнитным методом. На рис. 134 изображены кривые Zа и Hа над одним из рудных тел, заполняющих карстовую воронку. В данном случае аномальное магнитное поле, заданное в плане, могло бы быть использовано для определения магнитного момента тела, и при известной величине намагниченности — для определения запасов.
Сильно неоднородная намагниченность бокситов, меняющаяся мощность наносов, присутствие даек магнитных изверженных пород и намагниченность пород фундамента являются обстоятельствами, осложняющими поиски даже сильно магнитных бокситов. Во многих случаях возникает сложная задача разделения рудных и нерудных аномалий, создаваемых сланцами и песчаниками, обогащенными магнитными минералами. Признаками для выделении бокситов являются мелкие контуры с положильными и отрицательными значениями Zа. При более детальном изучении отдельных мелких аномалий выделение рудных аномалий иногда удается осуществить путем измерения вертикального градиента на поверхности и в шурфах. Очевидно, что градиенты напряженности поля над рудными телами, по форме приближающимися к равноосным, будут отличны от градиентов поля как над глубоко залегающими и имеющими большое распространение магнитными, дайками, так и поверхностными магнитными образованиями.
Бокситы, представленные практически немагнитными разностями, магниторазведкой не обнаруживаются. В этом случае используются геофизические методы, с помощью которых могут быть найдены депрессии в фундаменте. Примером такого типа бокситов являются тихвинские бокситы; опыт применения различных геофизических методов для их обнаружения оказался безрезультатным.
Марганцевые руды распространены в виде плотных и рыхлых землистых масс; плотные руды более магнитны, их восприимчивость достигает 2*10в-4 СГС и более. Магнитный метод применялся почти на всех крупных месторождениях России. В некоторых случаях над рудными залежами отмечались аномалии до 200 γ.
Ho аномалии такой же интенсивности отмечались над скоплениями магнитных глин, среди которых рудные аномалии встречаются редко. Трудности разделения рудных и нерудных аномалий, а также установленные случаи пропуска рудных тел вследствие слабой намагниченности руд некоторых типов заставляют считать, что применение магниторазведки малоэффективно.
Опубликован опыт недавних лет по применению магнитного метода на Чиатурском месторождении марганца. Вновь подтверждается, что отдельные рудные тела отмечаются аномалиями до 300 γ. Для определенного заключения об эффективности метода при решении поисковых задач на Чиатурском месторождении объем выполненных работ недостаточен.
Хромитовые руды обладают значительной магнитной восприимчивостью, в среднем несколько единиц 10в-4 СГС, а вмещающие ультраосновные породы — несколько единиц 10в-3 СГС. Несмотря на существенное различие в средних значениях восприимчивости, выделение рудных тел оказалось невозможным, так как неоднородность намагниченности вмещающих пород вызывает столь сильно меняющееся поле, что обнаружить на его фоне ожидаемое понижение поля над хромитовыми телами невозможно (рис. 135). Поэтому применение магниторазведки при поисках хромитовых тел в настоящее время ограничивается установлением контуров распространения ультраосновных массивов, в пределах которых непосредственные поиски осуществляются гравитационным методом.
Магниторазведка применяется для обнаружения кварцевых жил в связи с поисками определенных полезных ископаемых. Результаты получаются как положительные, так и отрицательные, в зависимости от геологической обстановки. Условием выделения кварцевых жил является заметная и достаточно, однородная намагниченность вмещающих пород; в. этом случае кварцевые жилы отмечаются понижениями поля Z. Известны случая выявления рудоносных кварцевых жил вольфрамовых месторождений, залегающих в магнитных метаморфизованных эффузивных породах. На рис. 136 изображены две кварцевые жилы и кривая Zа над ними; нулевая линия выбрана условно, она отнесена к высокому полю над эффузивами.
На рис. 137 показан минимум Zа над золотоносными жилами, залегающими в эпидотизированных порфиритах близ контакта C интрузией гранодиорита. Жилы залегают в сильно рассланцованных и обохренных порфиритах, имеющих мощность до 4 м. Понижение поля в основном вызывается рассланцованной зоной и лишь частично кварцевыми жилами. В тех случаях, когда поле над породами, вмещающими кварцевые жилы, неоднородно, выделить жилы на его фоне невозможно.
На рис. 138 изображены результаты применения магниторазведки к поискам флюоритовых жил. Зона измененных пород, к которым приурочены жилы, отличается хорошо прослеживаемой при крупномасштабной съемке зоной отрицательных значений Zа.
Детальное картирование с помощью магниторазведки применяется при поисках россыпных месторождений золота и платины. Задачей магниторазведки в этом случае является выявление погребенных древних русел, речных долин, карманов и вообще мест скопления тяжелых рудных минералов в россыпях, возникших при размыве рудных образований и массивов изверженных пород с рассеянным оруденением. Основанием к применению магниторазведки является присутствие магнетита в местах концентрации тяжелых минералов.
При немагнитном плотике и неглубоком его залегании решение задачи не вызывает затруднений, так как аномалии над местами скопления магнитного шлиха обычно измеряются десятками гамм, а иногда превышают и сотню гамм. Пример такой аномалии, вызванной присутствием магнетита в россыпном месторождении золота, изображен на рис. 139. Подстилающими породами являются немагнитные известняки; глубина их залегания колеблется от 3 до 8 м. Концентрация золота приурочена к пониженным участкам древнего рельефа, здесь же в шлихах отмечается наибольшее содержание магнетита.
В других случаях, когда подстилающие породы магнитны, обнаружить места скопления магнитного шлиха на фоне сильных аномалий оказалось невозможным.
Положительные результаты получены при поисках россыпных месторождений платины в условиях немагнитного плотика (девонские известняки) при мощности наносов и металлоносных песков от 3 до 15 м. Над наиболее крупными карманами отмечены четкие аномалии выше 100 γ (рис. 140).
Промышленных концентраций в россыпях иногда достигают вольфрамит, шеелит, касситерит, которые также могут быть объектами поисков с применением магниторазведки в качестве одного из методов детального картирования.
При поисках коренных месторождений алмазов магнитный метод оказался очень эффективным для обнаружения и оконтуривания кимберлитовых трубок. Кимберлиты обладают настолько высокой намагниченностью, что трубка легко обнаруживается аэромагнитной съемкой масштаба 1: 25 000 с последующей детализацией наземной съемкой (рис. 141). В зонах развития траппов, создающих сильные магнитные аномалии, магнитных аномалий не создают. Ho нужно отметить, что выгоревшие пласты угля отмечаются сильными магнитными аномалиями; одна из таких аномалий приведена на рис. 142. Исследование горелых пород показывает присутствие в них магнетита, возникшего, по-видимому, в результате воздействия высокой температуры на окислы и гидроокислы железа, присутствующие в угольных пластах и вмещающих породах.
Аномалии над выгоревшими пластами достигают 6000 γ, что указывает па высокую намагниченность.
