Воздействие на геосферы Земли – причина изменения климата - Михаил Стефанович Галисламов
12.2. Земная кора – проводник электрического тока
Земную кору (верхнюю твердую оболочку Земли) слагают различные типы горных пород, состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Земная кора больше чем на 98 % сложена из элементов О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К. При этом свыше 80 % составляют кислород, кремний и алюминий. В земной коре широко распространены минералы силикаты (свыше 78 %), которые характеризуются сложным химическим составом и внутренним строением. В основе их структуры лежит кремнекислородный тетраэдр. В его центре находится ион кремния Si+4, а в вершинах – ионы кислорода О–2, которые создают четырехвалентный радикал (SiO4)–4. Частичная замена ионов кремния на трехвалентные ионы алюминия приводит к возникновению у такого соединения некоторого дополнительного отрицательного заряда. Минералы с подобным строением называются алюмосиликатами. Кремнекислородные и алюмокремнекислородные минералы могут различно сочетаться друг с другом, что определяет их кристаллическую структуру и лежит в основе их современной классификации. Минералы в земной коре находятся (преимущественно) в кристаллическом состоянии, незначительная их часть – аморфном [49].
Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Кристалл состоит из ионов, попеременно заряженных противоположными зарядами. Электропроводность естественных кристаллов, меняется от вида к виду и зависит от примесей, заключенных в кристаллах. Расстояния между элементарными частицами и характер связей между ними в разных направлениях кристаллической решетки неодинаковы. Кристаллический кварц является анизотропным одноосным кристаллом; плавленый кварц (стекло) – хороший диэлектрик. Многие вещества в кристаллическом состоянии, в отличии от металлов, не являются хорошими проводниками электричества. Их нельзя отнести и к диэлектрикам, т. к. они не проявляют себя хорошими изоляторами. Такие вещества (германий, кремний, селен и множество других минералов, различные оксиды, сульфиды и др.) относят к полупроводникам, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры.
Исследование электропроводности кристаллов кальцита и кварца А.Ф. Иоффе начинал в 1904 году. В дальнейшем Иоффе установил, что прохождение электрических токов через кристаллы-изоляторы характеризуется некоторыми особенностями. Если к кристаллической пластине, с обеих сторон покрытой слоем металла, приложить постоянную разность потенциалов, то возникнет ток, спадающий со временем, величина которого иногда не приближается к конечному пределу. Если снять напряжение и подключить обе обкладки к гальванометру, то будет зафиксирован противоположно направленный ток, который постепенно ослабевает и стремится к нулю. Оказалось, что кристаллы поляризуются, величина этой поляризации может достигать многих тысяч вольт. Это явление объяснили образованием встречной поляризации. В газе стационарное состояние, соответствующее току насыщения, устанавливается в течение долей секунды, в кварце этот же процесс занимает несколько секунд. Сразу же после включения тока число свободных ионов в кварце остается тем же, но их скорости становятся прямо пропорциональными приложенной разности потенциалов. В начальный момент (0,5 сек.) закон Ома остается еще справедливым, ионы постепенно подводятся к электродам. Через 3 секунды достигается состояние насыщения. В кварце ток насыщения наблюдается при приближении к напряженности поля от 10 000 до 50 000 В/см [50]. Влияние поля, по мнению А. Иоффе, определяет не электропроводность, а диэлектрические свойства кристаллов. Кристаллическая сетка прочна, допускает только слабое диэлектрическое смещение ионов, а не полное их удаление и перемещение к электроду. При механических, температурных, электрических и оптических воздействиях на кристалл, ионы смещаются со своих положений равновесия как одно целое, вместе с присущим им зарядом. По отношению к постоянной действующей электрической силе, ученый предлагает их считать упруго закрепленными в тех положениях, которые по строению кристаллической сетки соответствуют минимуму их потенциальной энергии [51]. Передвижение зарядов предполагает перенос самого вещества. Академик считает, что кроме переноса зарядов, образующих ток, аналогичные явления могут вызываться и вращением заряженных диполей. Если в данном веществе преобладает число молекул с такими свойствами, то поворот этих молекул представляет явление, аналогичное току. При этом повороте положительные заряды смещаются на одну сторону, все отрицательные – на противоположную. Разделение зарядов происходит так, словно при непосредственном переносе их сквозь диэлектрик [52]. Два явления одинаковые по своим внешним проявлениям, но разные по своей физической природе, представляют движение зарядов (ток).
Важной характеристикой свойств вещества, находящегося в недрах Земли, является удельная электропроводность горной породы. Она меняется в значительном интервале: от 103 до 10–7 (Ом⋅м)–1 и зависит от минерального состава, фазового состояния, пористости, температуры, давления, насыщенности трещинами и влагой. До середины XX века основные сведения о распределении электропроводности в Земле были получены по данным электроразведочных работ и бурения. Глубина скважин к тому времени не превышала 3–5 км, а данные электроразведки с искусственными источниками позволяли исследовать строение коры не более чем на 2–3 км. Рождение глубинной геоэлектрики произошло в 50–е годы, когда была высказана идея о возможности применения естественного электромагнитного поля внешнего происхождения для исследования электропроводности Земли. Создается оно главным образом токовыми системами, расположенными в ионосфере и магнитосфере Земли. Естественное электромагнитное поле планеты существует в широком интервале периодов (10–4 – 106 с).
Переменное магнитное поле индуцирует в Земле электрические токи. Эти токи получили название теллурических, а сам метод, основанный на использовании естественного электромагнитного поля, – название «магнитотеллурический». В основе предложенного метода лежит упрощенная модель естественного электромагнитного поля. Предполагается, что первичное поле, возбуждаемое внешними источниками, однородно на поверхности горизонтально однородной Земли. В этом случае отношение взаимно перпендикулярных горизонтальных компонент электрического и магнитного полей, измеренных на поверхности Земли, будет зависеть только от периода вариации и распределения проводимости по глубине. Это отношение, названное импедансом Z, может быть вычислено по любой паре ортогональных компонент, то есть
Z = Ex/Hy = – Ey/Hx.
Чем больше период вариаций, тем глубже проникает поле внутрь Земли. Изменение импеданса с ростом периода отражает изменение удельного сопротивления с глубиной. На практике следят за изменением кажущегося удельного сопротивления ρк, которое вычисляется по формуле [53]:
ρк = |Z|2/ωμ,
ω = 2π/Т,
где μ = 4π⋅10–7 – магнитная проницаемость вакуума, Генри/м; ω – частота вариации поля, 1/с; T – период вариации в секундах, Z – в Ом, ρк – Ом⋅м. Значения ρк только в предельных случаях близки к истинному значению удельного сопротивления. При очень малых значениях периода, когда поле не проникает
