Ленинградская область - Геофизическая характеристика

Геофизические методы изучения геологического строения Земли и поисков полезных ископаемых основываются на различиях физических свойств горных пород и руд. Современная аппаратура позволяет определять эти свойства с высокой точностью. По измерениям характеристик физических полей, производимым на поверхности Земли или в воздухе, можно судить об особенностях геологического строения недр.

Различие физических свойств горных пород и руд используется человеком со времени изготовления им каменных орудий труда, более твердых, чем возделываемая почва и обрабатываемая древесина. Открытие магнитного поля Земли и магнитных свойств железа способствовало развитию мореходства в эпоху великих географических открытий. Обнаружение электрических, упругих, тепловых и радиоактивных свойств веществ определило развитие промышленности в XVIII—XIX веках и прогресс науки и техники XX века.

В современной геофизике широко используются такие физические свойства горных пород и руд, как плотность (в гравиметрии), упругие свойства (в сейсмометрии), электрические, магнитные и радиоактивные характеристики (в электро-, магнито- и радиометрии). Большое значение имеет анализ тепловых свойств горных пород и геотермия.

Геофизические съемки и изучение физических свойств горных пород Ленинградской области позволили установить глубинное геологическое строение ее территории и выявить особенности строения осадочного чехла и подстилающего кристаллического фундамента отдельных ее районов, в том числе Тихвинского, богатого бокситами, и Сланцевского, знаменитого своими горючими сланцами. Сведения о физических свойствах горных пород, встречающихся в пределах Ленинграда и его окрестностей, используются при проектировании линий метрополитена и разработке проекта защитных сооружений, которые будут предохранять от наводнения.

Наиболее древние докембрийские (архейские и нижнепротерозойские) породы кристаллического фундамента характеризуются очень низкой пористостью и средней или же высокой плотностью. Наибольшие плотности (2,8— 3,0 г/см³), а также скорости распространения упругих воли характерны для пород, богатых железом и магнием, так называемых габброидов и амфиболитов. Более низкая плотность (2,55—2,70 г/см³) свойственна гранитам и гнейсам кислого состава. Большинство пород фундамента слабомагнитно. Высокую магнитную восприимчивость имеют гнейсы в районе Ивангорода и габброиды острова Валаам и восточных районов области. Как следствие процесса выветривания породы в верхней части фундамента (до 10—20 м глубины) сильно разрушены. Минеральный состав их изменен, увеличена пористость и уменьшены плотность, скорость распространения упругих волн и магнитная восприимчивость.

Осадочный чехол на территории области состоит из' песчано-глинистых и карбонатных пород, физические свойства которых неодинаковы. Наибольшие плотность, скорость распространения продольных волн и электрическое сопротивление характерны для карбонатных пород, наименьшие — для глин и песчаников. Все породы, особенно карбонатные, слабомагнитны. В осадочном чехле по физической характеристике выделяются песчано-глинистая толща кембрия и верхнего протерозоя, карбонатная толща наровского горизонта девона и ордовика и песчано-глинистая толща девона. В песчано-глинистых толщах происходит увеличение плотности и уменьшение пористости глин и песчаников от девонских отложений к кембрийским и верхнепротерозойским.

Высокопористые песчаники с хорошими коллекторскими свойствами и непроницаемой глинистой покрышкой используются для создания искусственных газохранилищ.

Физические свойства докембрийских кристаллических и осадочных пород в различных районах области неодинаковы. С северо-запада на юго-восток в связи с увеличением объема гранитов плотность кристаллического фундамента уменьшается, а плотность кембрийской и верхнепротерозойской песчано-глинистой толщи в целом и по отдельным горизонтам увеличивается. Такое увеличение связано с ростом глубины залегания отложений и уменьшением в них содержания низкоплотных слабосцементированных песчано-алевритистых прослоев. В целом петрофизическая характеристика осадочных пород области типична для краевой части чехла Русской платформы, а свойства ее кристаллических пород близки к свойствам кристаллических пород Карельской части Балтийского щита.

Физические свойства пород кристаллического фундамента и осадочного чехла оказали влияние и на геофизические поля.

Согласно карте аномального магнитного поля территории России, составленной 3. А. Макаровой и др., магнитное поле большей части Ленинградской, а также Новгородской областей отрицательное, слабопеременное, изменяющееся в основном от —1 до —2 мЭ. Это свидетельствует о развитии в фундаменте области преимущественно слабомагнитных интенсивно гранигизированных комплексов пород. Значительные магнитные аномалии наблюдаются в районах Ивангорода, Валаамского архипелага и вдоль восточной границы области. Фундамент этих районов состоит из высокомагнитных гнейсов и габброидов. Территория Ленинградской области, как и близкой, к ней по строению Новгородской области, оконтурена зоной интенсивных положительных магнитных аномалий, отражающих резкое изменение состава и строения кристаллического фундамента.

Гравитационное поле в пределах области слабопеременное. Оно характеризуется общим региональным уменьшением величины силы тяжести в юго-восточном направлении в связи с погружением фундамента и осложнено положительными и отрицательными аномалиями. Зона положительных аномалий силы тяжести расположена в северной части области, в которой распространены относительно высокоплотные породы гнейсового комплекса фундамента. Отрицательные аномалии обычно связаны с выходами на поверхность фундамента разнообразных низкоплотных гранитов и гранитизированных метаморфических пород.

Судя по карте геотермического режима территории России, составленной У. И. Моисеенко, А. А. Смысловым и др., геотермический режим земной коры, характеризующий изменение температуры с глубиной, в пределах области сравнительно однороден и имеет в основном значения 20—40° С/1000 м. В северной части области в районе Выборгского массива геотермический градиент минимален и составляет в среднем 15° С/1000 м. Максимальные геотермические градиенты 30—40° С/1000 м отмечаются в центральной и западной частях в пределах блока земной коры, которому свойственна повышенная генерация радиогенного тепла. К югу от этой зоны геотермические градиенты уменьшаются до 10—15° С/1000 м.

Область и прилегающие к ней районы относятся к практически несейсмичным территориям. Однако сравнительно слабая и неравномерная во времени сейсмическая активность отмечалась неоднократно. В начале XIX века в Санкт-Петербурге было зарегистрировано землетрясение — одно из первых. Его магнитуда составляла 3— 4 балла. В конце XIX века отмечались землетрясения в районе устья Нарвы интенсивностью около 3 баллов. На Карельском перешейке, в северном Приладожье и на острове Валаам в течение первой половины XX века произошло несколько землетрясений с магнитудой 3—4 балла. 23 октября 1976 года на южном склоне Балтийского Щита в Финском заливе было зарегистрировано землетрясение интенсивностью 4,3—4,8 балла по шкале Рихтера. В его эпицентре у острова Осмуссаар максимальная сила сотрясений достигла 6 баллов. Землетрясение ощущалось на территории области и Ленинграда. Большое количество землетрясений интенсивностью 4—5 баллов наблюдается в Финляндии.

Причины сейсмической активности, возможно, обусловлены активизацией тектонических движений или же гляциоизостатическими движениями (т. е. восстановлением изостатического равновесия щита после снятия ледниковой нагрузки).

По сейсмологическим данным Н. К. Булина, земная кора вдоль профиля Выборг — Пулково — Путилово характеризуется слоистым строением. На глубинном разрезе выделяются несколько практически параллельных границ. В верхней части разреза на глубине 10—15 км отмечаются две четкие границы, обусловленные изменением состава пород внутри гранитного слоя земной коры. На глубине 20—25 км в центре и по периферии профиля выделяется так называемая граница К (граница Конрада), по-видимому разграничивающая гранитный слой и более плотный, обогащенный магнием и железом, базальтовый , слой. На глубине 37—42 км устанавливается четкая повсеместно наблюдаемая граница М (граница Мохоровичича), отделяющая земную кору (с плотностью 2,7—3,0 г/см³) от нижележащих подкоровых образований (с плотностью 3,3 г/см³), относимых к верхней мантии. Подкоровые образования по химическому составу ближе всего к породам, крайне богатым магнием и железом перидотиту и пироксениту. На глубине около 50 км в них выделяется граница, связанная, по-видимому, с изменением структуры или состава пород. Общее увеличение | мощности земной коры происходит в северо-западном направлении. Максимальные глубины до границы Мохоровичича (42 км) отмечаются в пределах Выборгского массива, минимальные — в районе Путилова на южном конце профиля. Земная кора в пределах области, по геолого-геофизическим данным, характеризуется большим количеством разломов.

Объектом изучения геофизики является не только твердая оболочка Земли, но и ее атмосфера, в частности атмосферное электричество. Исследования, начатые еще в XIX веке, показали, что у земной поверхности существует стационарное положительное электрическое поле. Земля при этом имеет отрицательный заряд, а атмосфера заряжена положительно. Напряженность электрического поля в пределах Ленинграда обычно изменяется от 100 до 300 В/м. Максимальные величины средней напряженности наблюдаются зимой, а минимальные — летом. В зависимости от состояния атмосферы (наличия пыли, влажности и т. Д-) напряженность поля значительно изменяется. 3 связи с избытком зарядов одного знака над другим вблизи земной поверхности территории Ленинграда объемный заряд является положительным. Во время гроз и выпадения осадков он увеличивается на несколько порядков.

Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется ее электрической проводимостью, которая создается положительными и отрицательными ионами. Ионы образуются в результате воздействия космического и солнечного излучений и излучения радиоактивных веществ, находящихся в Земле. Количество ионов в 1 см³ воздуха области в среднем составляет 6000—7000. В зависимости от метеорологических условий их концентрация варьирует в широких пределах. Так, например, в течение осени содержание ионов изменяется от 780 до 28 940.

Движение ионов под действием электрических и механических сил создает в атмосфере электрические токи проводимости со средней плотностью первые десятки мА/м². Максимальные величины проводимости приходятся на апрель и ноябрь, а минимальные — на июль и февраль.

Атмосферное электричество непосредственно влияет на жизнь человека и имеет большое значение для решения ряда вопросов метеорологии. Безопасность человека в воздухе и на земле (борьба с электризацией самолетов, защита от молний и т. д.) также зависит от знаний в этой области.