Радоновая съёмка как метод изучения геодинамических процессов.

Земная кора испытывает газовое дыхание Земли. Непрерывно и неравномерно в атмосферу выделяются значительные количества газов. Увеличение интенсивности газовыделений и изменение состава газового потока приурочены главным образом к зонам глубинных разломов и к сопровождающим их разрывным нарушениям. Установлена зависимость между составом и интенсивностью газового потока и геотектоническим режимом. Установлена связь современных тектонических движений, в том числе и землетрясений, с режимом подземных флюидно-газовых систем, берущих начало в глубоких слоях земной коры, с процессами накопления упругих деформаций горными породами. С развитием методов гидрогеохимии, хроматографии, масс-спектрометрии, радиометрии оказалось возможным фиксировать самые незначительные вариации геохимических величин. Ритмичность сейсмотектонической активности крупных территорий отчетливо отражается в изменении состава и интенсивности газовых эманаций в выходах на дневную поверхность. Она сопровождается вариациями тепловых, радиохимических, изотопных, солевого и микрокомпонентного состава вод.

Распределение концентрации гелия отражает четко выраженную блоковую структуру. При увеличении мощности экранирующего слоя осадочных пород контрастность аномалий снижается. В местах развития мобильных разломов проницаемость становится отчетливой при любой мощности осадочной толщи. По данным водно-гелиевой съемки выявляются непроницаемые жесткие блоки и полупроницаемые межблочные зоны с центрами проницаемости в местах их сопряжения. Также устанавливаются сплошь проницаемые разломы, разделяющие мегаблоки. Таким образом, четко выявляет современную подвижность земной коры.

Для выявления активных участков используют метод эманационного профилирования, по повышенным концентрациям радона и тортона в почвенном воздухе. Эффективность применения геохимических и радиометрических методов находится в прямой зависимости от степени активности новейших структур. Зоны новейших тектонических поднятий характеризуются развитием трещин, по которым на дневной поверхности закладываются разнообразные эрозионные формы (овраги, балки, речные долины). Актив­ная зона устанавливается путем построения роз ориентировки гидросе­ти и совмещения их с глубинной трещиноватостью отложений различ­ных стратиграфических горизонтов. Миграция флюидов сквозь толщи определяется сов­ременными движениями земной коры.

Вопросы, решаемые астрономическими методами на геодинамических полигонах.

Для проверки геотектонических ги­потез, допускающих горизонтальные перемещения применительно к большим площадям, применяются астрономические методы.

Спутниковые наблюдения и метод лазерной локации. Для обосно­ванных заключений о дрейфе материков в последнее время разрабаты­ваются новые методы космической геодезии. К ним относятся наблюдения с искусственных спутников Земли. Однако подсчитанная величина ошибок при определении расстояний между удаленными пунктами зем­ной поверхности, разделенных океанами, столь велика (при длине хор­ды в 4000 км—10 м), что этот метод мало пригоден для изучения дрей­фа континентов.

Развитие квантовой радиофизики и создание лазеров открыли воз­можности высокоточных измерений методом лазерной локации. Этот метод позволяет непосредственно измерить расстояние между точками, одна из которых находится на поверхности Земли, а другая — на по­верхности Луны.

Радиоинтерференционный метод. В последнее время используется и радиоинтерференционный метод определения расстояния между двумя антеннами, установленными на разных континентах. Он основан на приеме коротковолнового космического излучения, генерируемого удаленным точечным объектом (квазарами). Корреляционная обработ­ка сигналов позволяет с большой точностью определить разность вре­мени прихода одного и того же фронта волны в разные радиотелеско­пы. Эта разность времен определяется по расстоянию с точностью в 3 см. Наблюдения трех источников в течение суток позволяют с та­кой же точностью определить расстояние между центрами радиотеле­скопов по хорде, положение полюсов, длительность суток с точностью до 0,2 миллисекунд, координаты источников (квазаров) в данный день с точностью до 0,001 секунды дуги. Расстояния между телескопами могут достигать 8—9 тыс. км. Применение радиоинтерференционного метода открывает возможности с большой точностью (с векторной ошибкой 3 см) контролировать изменение формы Земли и горизонталь­ные перемещения блоков (плит) Земли. При изучении движения не­больших участков (20—100 км) возможна фиксация вертикальных и горизонтальных движений. Из радиотехнических наблюдений с использованием спутников наи­большее распространение получили допплеровские измерения. При та­ких измерениях передатчик на спутнике испускает радиосигнал с по­стоянной частотой, который принимается станцией с некоторым искаже­нием, называемым допплеровским смещением. Оно выявляется при срав­нении с постоянной частотой генератора станции наблюдения. В этом случае точность определения радиальной составляющей скорости

3. Изучение деформаций наклономерами и деформографическими ме­тодами.

Для изучения деформационных явлений, связанных с тектони­ческими процессами, и медленных движений земной поверхности на прогностических полигонах обычно в комплексе с другими геофизиче­скими исследованиями применяются наблюдения с помощью наклоно­меров. Их цель — изучить изменения во времени наклонов локальных участков земной коры. Существует много различных систем наклономе­ров. На геодинамических полигонах чаще всего используют высокочув­ствительный маятниковый наклономер системы А. Е. Островского (база измерения около метра), либо гидростатические наклономеры с база­ми в десятки метров. Погрешности измерений при этом находятся в пределах 0,01"—0,001". Для уменьшения помех температурного проис­хождения наблюдения, как правило, проводятся в глубоких (в несколь­ко десятков метров) горных выработках, шурфах и штольнях.

Изучение наклонов земной поверхности на геодинамических поли­гонах позволило зафиксировать их в каждой точке земной поверхности. Оказалось, что запись движений приборами очень сложна, состоит из отдельных компонент и требует специальной обработки для выявления тектонических движений. По записям наклономеров, по В. Ф. Бончковскому, устанавливают: суточные и годовые движения, обусловленные тепловым влиянием (до нескольких секунд дуги), приливообразующей силой Луны и Солнца (порядка 0,01"); перераспределения атмосфер­ного давления; бури наклонов в виде временных беспорядочных дви­жений (секунды дуги); наклоны, вызванные движением лавы и газов в вулканических районах (до 3" в сутки), и др. Только методом исклю­чения отдельных компонентов, составляющих комплекс движений, фик­сируемых наклономерами, выявляется наличие вековых наклонных дви­жений, которые могут достигать нескольких десятков секунд дуги и проявляться на больших территориях или на отдельных блоках.

Наблюдениями на разных станциях выявляется резкое изменение скорости наклона перед землетрясениями. Для регистрации деформаций используются механические методы для наблюдений в приповерхностных частях массивов и вблизи стенок горных выработок и тензометрические методы — для изучения более глубоких участков.

Тензометрические наблюдения производятся с помощью деформо-метров и тензометрических штанг, предназначенных для измерения ли­нейных деформаций и характеризующихся несколько большей (по срав­нению с механическими методами) чувствительностью. Точность изме­рения деформаций деформометрами 2—5-10~³ мм, тензометрическими штангами 10~⁴ мм. Базы измерения 1,5—10,0 м. Эти приборы позволяют в приповерхностных частях земной коры, доступных для непосредст венных измерений, изучать в небольших структурных блоках их линей­ные вертикальные и горизонтальные деформации с амплитудами более 10~'—10~² мм и угловые деформации с амплитудой более 0,1"—0,5".

Для выяснения изменения во времени линейных деформаций в от­дельных точках земной поверхности наиболее часто используются квар­цевые деформографы с большой (от 15 до 30—40 м) базой, устанавли­ваемые в глубоких подземных выработках. Чувствительность этих при­боров 10~⁸—10~⁹ на мм записи. Приборы снабжаются двумя системами регистрации: оптико-механической и фотоэлектрической с большой чув­ствительностью к деформациям. Сдвоенная регистрация применяется для взаимного контроля показаний приборов. Запись ведется непрерыв­но. На ряде станций параллельно с деформографами, измеряющими горизонтальные деформации, работают гидростатические нивелиры, ко­торые регистрируют углы наклона на исследуемой площадке. Помимо температурных и климатических измерений приборы четко отмечают влияние землетрясений, которые должны быть выявлены на фоне помех по данным нескольких станций. Различия в величине деформаций и ориентации осей максимального сжатия могут быть связаны с различ­ным геологическим строением отдельных участков, на которых располо­жены станции, различными ориентацией разломов и направлением подвижек по этим разломам.

Вопросы, решаемые геофизическими методами при изучении геодинамики.

Геофизические методы. В последнее время хорошо установлены корреляционные связи между интенсивностью и направленностью новей­ших тектонических движений и формами рельефа земной поверхности (особенно крупными), мощностью земной коры, ее геофизическим строе­нием.

Применение геофизических методов — необходимый элемент совре­менных неотектонических исследований. Они позволяют выявить харак­тер тектонических движений, понять глубинное строение крупных морфоструктурных элементов. Исходным материалом для исследований яв­ляются карты гравитационных и магнитных аномалий, гравитационные и магнитные профили, кривые вертикального электрического зондирования, карты сопротивлений, сейсмические профили, данные по тепловому потоку и др. Интерпретация всех указанных материалов должна да­ваться с учетом особенностей геологической структуры.

Наибольшую информацию о строении коры и верхней мантии Зем­ли получают с помощью гравиметрических и сейсмических методов. Ме­тоды магнитометрии, радиометрии, электрометрии вскрывают строение недр на относительно небольших глубинах.

Сейсмические методы основываются на изучении колебаний, вызванных землетрясениями и взрывами, которые регистрируются на поверхности Земли специальной аппаратурой. Это един­ственный метод, дающий информацию о структуре глубоких недр Зем­ли. Природа сейсмических границ трактуется по-разному. Применение сейсмических методов от­крывает возможности для изучения соотношений глубинных и поверх­ностных геологических структур, в том числе новейшего этапа разви­тия. Гравиметрический метод основывается на различной плот­ности горных пород, выявляя конфигурацию геологических тел. Наблю­даемые на поверхности величины в виде градиента силы тяжести и кри­визны эквипотенциальных поверхностей позволяют определить контуры и характер изменения подземного рельефа горных пород, отличающихся по своей плотности.

Магнитометрический метод близок к предыдущему. Он основывается на различии магнитной проницаемости пород. По данным магнитометрии рассчитываются глубины залегания верхних и нижних кромок тел, образующих аномалии. Данные магнитометрии позволяют изучить структуру земной коры до глубин не более 10—20 км. Данные магнитомет­рии помогают прослеживать зоны глубинных разломов.

Геоэлектрические методы представляют группу методов, использующих различные физические свойства горных пород. Глубинное магнитотеллурическое зондирование (ГМТЗ) позволяет выявить изменения с глубиной электропроводности пород и выделить в литосфере высоко - проводящие слои, которые связываются с частичным расплавлением ве­щества. Эти данные существенны для выявления глубинного строения.

Вопросы, решаемые геодезическими методами при изучении геодинамичееких процессов.

Горизонтальные движения в последние годы широко изучаются путем применения методов геодезии посредством повторных триангуляции, трилатераций, измерений линий базисов и углов. Применяются эти методы, в отличие от астрономических, для выявления горизонтальных смещений только отдельных участков в пределах континентов. В простейшем случае для вычисления горизонтального смещения пунк­тов триангуляции необходимо иметь длину базиса, азимут одной из сторон треугольника и абсолютное положение одной из точек.

Высокоточное нивелирование и линейно-угловая триангуляция обес­печивают также изучение деформации дневной поверхности или по­верхностей горных выработок с линейными ошибками менее 10 ^-6. Это позволяет выявлять вертикальные движения земной коры с точностью 0,7—1,3 мм на 1 км хода при использовании нивелировки первого и второго классов, а горизонтальные движения ±4—10 мм — в зависимости от методики измерений и применения новейших инструментов, а также от длин из­меряемых расстояний.

Применение указанных методов позволило во многих районах уста­новить-горизонтальные смещения точек земной поверхности.

С увеличением точности наблюдений методы триангуляции и трилатерации оказываются вполне применимыми для изучения горизон­тальных перемещений земной коры. Повторное высокоточное нивелирование. Одним из основных мето­дов в изучении современных движений считается метод повторного вы­сокоточного (прецезионного) нивелирования. Он применяется для ре­шения задач неотектоники не только в региональном плане, при изуче­нии обширных пространств суши, но и при выявлении локальных струк­тур, при решении проблемы прогноза землетрясений (деформации зем­ной коры рассматриваются как предвестники землетрясений), строи­тельстве инженерных сооружений и пр.

Для изучения современных вертикальных движений используется метод гео­метрического высокоточного нивелирования 1-го и 2-го классов. Геоде­зическое нивелирование мало пригодно из-за малой точности этого ме­тода, обусловленной главным образом влиянием вертикальной атмос­ферной рефракцией. Метод повторного нивелирования широко применяется для решения региональных задач неотектоники и геодинамики, так и для изучения локальных структур и разрывных де­формаций.

Радоновая съёмка как метод изучения геодинамических процессов.

Земная кора испытывает газовое дыхание Земли. Непрерывно и неравномерно в атмосферу выделяются значительные количества газов. Увеличение интенсивности газовыделений и изменение состава газового потока приурочены главным образом к зонам глубинных разломов и к сопровождающим их разрывным нарушениям. Установлена зависимость между составом и интенсивностью газового потока и геотектоническим режимом. Установлена связь современных тектонических движений, в том числе и землетрясений, с режимом подземных флюидно-газовых систем, берущих начало в глубоких слоях земной коры, с процессами накопления упругих деформаций горными породами. С развитием методов гидрогеохимии, хроматографии, масс-спектрометрии, радиометрии оказалось возможным фиксировать самые незначительные вариации геохимических величин. Ритмичность сейсмотектонической активности крупных территорий отчетливо отражается в изменении состава и интенсивности газовых эманаций в выходах на дневную поверхность. Она сопровождается вариациями тепловых, радиохимических, изотопных, солевого и микрокомпонентного состава вод.

Распределение концентрации гелия отражает четко выраженную блоковую структуру. При увеличении мощности экранирующего слоя осадочных пород контрастность аномалий снижается. В местах развития мобильных разломов проницаемость становится отчетливой при любой мощности осадочной толщи. По данным водно-гелиевой съемки выявляются непроницаемые жесткие блоки и полупроницаемые межблочные зоны с центрами проницаемости в местах их сопряжения. Также устанавливаются сплошь проницаемые разломы, разделяющие мегаблоки. Таким образом, четко выявляет современную подвижность земной коры.

Для выявления активных участков используют метод эманационного профилирования, по повышенным концентрациям радона и тортона в почвенном воздухе. Эффективность применения геохимических и радиометрических методов находится в прямой зависимости от степени активности новейших структур. Зоны новейших тектонических поднятий характеризуются развитием трещин, по которым на дневной поверхности закладываются разнообразные эрозионные формы (овраги, балки, речные долины). Актив­ная зона устанавливается путем построения роз ориентировки гидросе­ти и совмещения их с глубинной трещиноватостью отложений различ­ных стратиграфических горизонтов. Миграция флюидов сквозь толщи определяется сов­ременными движениями земной коры.

Вопросы, решаемые астрономическими методами на геодинамических полигонах.

Для проверки геотектонических ги­потез, допускающих горизонтальные перемещения применительно к большим площадям, применяются астрономические методы.

Спутниковые наблюдения и метод лазерной локации. Для обосно­ванных заключений о дрейфе материков в последнее время разрабаты­ваются новые методы космической геодезии. К ним относятся наблюдения с искусственных спутников Земли. Однако подсчитанная величина ошибок при определении расстояний между удаленными пунктами зем­ной поверхности, разделенных океанами, столь велика (при длине хор­ды в 4000 км—10 м), что этот метод мало пригоден для изучения дрей­фа континентов.

Развитие квантовой радиофизики и создание лазеров открыли воз­можности высокоточных измерений методом лазерной локации. Этот метод позволяет непосредственно измерить расстояние между точками, одна из которых находится на поверхности Земли, а другая — на по­верхности Луны.

Радиоинтерференционный метод. В последнее время используется и радиоинтерференционный метод определения расстояния между двумя антеннами, установленными на разных континентах. Он основан на приеме коротковолнового космического излучения, генерируемого удаленным точечным объектом (квазарами). Корреляционная обработ­ка сигналов позволяет с большой точностью определить разность вре­мени прихода одного и того же фронта волны в разные радиотелеско­пы. Эта разность времен определяется по расстоянию с точностью в 3 см. Наблюдения трех источников в течение суток позволяют с та­кой же точностью определить расстояние между центрами радиотеле­скопов по хорде, положение полюсов, длительность суток с точностью до 0,2 миллисекунд, координаты источников (квазаров) в данный день с точностью до 0,001 секунды дуги. Расстояния между телескопами могут достигать 8—9 тыс. км. Применение радиоинтерференционного метода открывает возможности с большой точностью (с векторной ошибкой 3 см) контролировать изменение формы Земли и горизонталь­ные перемещения блоков (плит) Земли. При изучении движения не­больших участков (20—100 км) возможна фиксация вертикальных и горизонтальных движений. Из радиотехнических наблюдений с использованием спутников наи­большее распространение получили допплеровские измерения. При та­ких измерениях передатчик на спутнике испускает радиосигнал с по­стоянной частотой, который принимается станцией с некоторым искаже­нием, называемым допплеровским смещением. Оно выявляется при срав­нении с постоянной частотой генератора станции наблюдения. В этом случае точность определения радиальной составляющей скорости

3. Изучение деформаций наклономерами и деформографическими ме­тодами.

Для изучения деформационных явлений, связанных с тектони­ческими процессами, и медленных движений земной поверхности на прогностических полигонах обычно в комплексе с другими геофизиче­скими исследованиями применяются наблюдения с помощью наклоно­меров. Их цель — изучить изменения во времени наклонов локальных участков земной коры. Существует много различных систем наклономе­ров. На геодинамических полигонах чаще всего используют высокочув­ствительный маятниковый наклономер системы А. Е. Островского (база измерения около метра), либо гидростатические наклономеры с база­ми в десятки метров. Погрешности измерений при этом находятся в пределах 0,01"—0,001". Для уменьшения помех температурного проис­хождения наблюдения, как правило, проводятся в глубоких (в несколь­ко десятков метров) горных выработках, шурфах и штольнях.

Изучение наклонов земной поверхности на геодинамических поли­гонах позволило зафиксировать их в каждой точке земной поверхности. Оказалось, что запись движений приборами очень сложна, состоит из отдельных компонент и требует специальной обработки для выявления тектонических движений. По записям наклономеров, по В. Ф. Бончковскому, устанавливают: суточные и годовые движения, обусловленные тепловым влиянием (до нескольких секунд дуги), приливообразующей силой Луны и Солнца (порядка 0,01"); перераспределения атмосфер­ного давления; бури наклонов в виде временных беспорядочных дви­жений (секунды дуги); наклоны, вызванные движением лавы и газов в вулканических районах (до 3" в сутки), и др. Только методом исклю­чения отдельных компонентов, составляющих комплекс движений, фик­сируемых наклономерами, выявляется наличие вековых наклонных дви­жений, которые могут достигать нескольких десятков секунд дуги и проявляться на больших территориях или на отдельных блоках.

Наблюдениями на разных станциях выявляется резкое изменение скорости наклона перед землетрясениями. Для регистрации деформаций используются механические методы для наблюдений в приповерхностных частях массивов и вблизи стенок горных выработок и тензометрические методы — для изучения более глубоких участков.

Тензометрические наблюдения производятся с помощью деформо-метров и тензометрических штанг, предназначенных для измерения ли­нейных деформаций и характеризующихся несколько большей (по срав­нению с механическими методами) чувствительностью. Точность изме­рения деформаций деформометрами 2—5-10~³ мм, тензометрическими штангами 10~⁴ мм. Базы измерения 1,5—10,0 м. Эти приборы позволяют в приповерхностных частях земной коры, доступных для непосредст венных измерений, изучать в небольших структурных блоках их линей­ные вертикальные и горизонтальные деформации с амплитудами более 10~'—10~² мм и угловые деформации с амплитудой более 0,1"—0,5".

Для выяснения изменения во времени линейных деформаций в от­дельных точках земной поверхности наиболее часто используются квар­цевые деформографы с большой (от 15 до 30—40 м) базой, устанавли­ваемые в глубоких подземных выработках. Чувствительность этих при­боров 10~⁸—10~⁹ на мм записи. Приборы снабжаются двумя системами регистрации: оптико-механической и фотоэлектрической с большой чув­ствительностью к деформациям. Сдвоенная регистрация применяется для взаимного контроля показаний приборов. Запись ведется непрерыв­но. На ряде станций параллельно с деформографами, измеряющими горизонтальные деформации, работают гидростатические нивелиры, ко­торые регистрируют углы наклона на исследуемой площадке. Помимо температурных и климатических измерений приборы четко отмечают влияние землетрясений, которые должны быть выявлены на фоне помех по данным нескольких станций. Различия в величине деформаций и ориентации осей максимального сжатия могут быть связаны с различ­ным геологическим строением отдельных участков, на которых располо­жены станции, различными ориентацией разломов и направлением подвижек по этим разломам.

Вопросы, решаемые геофизическими методами при изучении геодинамики.

Геофизические методы. В последнее время хорошо установлены корреляционные связи между интенсивностью и направленностью новей­ших тектонических движений и формами рельефа земной поверхности (особенно крупными), мощностью земной коры, ее геофизическим строе­нием.

Применение геофизических методов — необходимый элемент совре­менных неотектонических исследований. Они позволяют выявить харак­тер тектонических движений, понять глубинное строение крупных морфоструктурных элементов. Исходным материалом для исследований яв­ляются карты гравитационных и магнитных аномалий, гравитационные и магнитные профили, кривые вертикального электрического зондирования, карты сопротивлений, сейсмические профили, данные по тепловому потоку и др. Интерпретация всех указанных материалов должна да­ваться с учетом особенностей геологической структуры.

Наибольшую информацию о строении коры и верхней мантии Зем­ли получают с помощью гравиметрических и сейсмических методов. Ме­тоды магнитометрии, радиометрии, электрометрии вскрывают строение недр на относительно небольших глубинах.

Сейсмические методы основываются на изучении колебаний, вызванных землетрясениями и взрывами, которые регистрируются на поверхности Земли специальной аппаратурой. Это един­ственный метод, дающий информацию о структуре глубоких недр Зем­ли. Природа сейсмических границ трактуется по-разному. Применение сейсмических методов от­крывает возможности для изучения соотношений глубинных и поверх­ностных геологических структур, в том числе новейшего этапа разви­тия. Гравиметрический метод основывается на различной плот­ности горных пород, выявляя конфигурацию геологических тел. Наблю­даемые на поверхности величины в виде градиента силы тяжести и кри­визны эквипотенциальных поверхностей позволяют определить контуры и характер изменения подземного рельефа горных пород, отличающихся по своей плотности.

Магнитометрический метод близок к предыдущему. Он основывается на различии магнитной проницаемости пород. По данным магнитометрии рассчитываются глубины залегания верхних и нижних кромок тел, образующих аномалии. Данные магнитометрии позволяют изучить структуру земной коры до глубин не более 10—20 км. Данные магнитомет­рии помогают прослеживать зоны глубинных разломов.

Геоэлектрические методы представляют группу методов, использующих различные физические свойства горных пород. Глубинное магнитотеллурическое зондирование (ГМТЗ) позволяет выявить изменения с глубиной электропроводности пород и выделить в литосфере высоко - проводящие слои, которые связываются с частичным расплавлением ве­щества. Эти данные существенны для выявления глубинного строения.