Геофизика и геохимия окружающей среды

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 

Томский государственный университет 
систем управления и радиоэлектроники 
 
 
 
 
 
 
 
А.Г. КАРТАШЕВ 
 
 
 
 
Геофизика и геохимия    
окружающей среды 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательство ТУСУРа 
2019

УДК [550.47+550.3](075.8) 
ББК 26.301я73+26.20я73 
 
К270 
 
 
 
Рецензенты: 
Захарченко А.В., д-р биол. наук, 
Кирпотин С.Н., д-р биол. наук  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Карташев, Александр Георгиевич 
К270 
Геофизика и геохимия окружающей среды : учеб. пособие / 
А.Г. Карташев. – Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2019. – 122 с. 
ISBN 978-5-86889-842-6  
Представлены научные и прикладные аспекты геофизики и геохимии  
окружающей среды.  
Для преподавателей и студентов, специализирующихся в области экологии и техносферной безопасности. 
УДК [550.47+550.3](075.8) 
ББК  26.301я73+26.20я73 
 
 
 
 
ISBN 978-5-86889-842-6 
 Карташев А.Г., 2019 
 
 Томск. гос. ун-т систем упр. 
 
    и радиоэлектроники, 2019 

– 3 – 

Введение 
 
Геофизика – комплекс наук, изучающих физические свойства 
Земли и физические процессы в  твердой, жидкой и газообразной 
оболочках: литосфере, гидросфере, атмосфере. Предметом геофизики является Земля с ее оболочками. Основной целью этой 
науки является изучение физических закономерностей развития 
Земли и предсказание изменений геофизических процессов во 
времени и в пространстве. Современная геофизика  взаимодействует с астрофизикой Солнечной системы, космохимией, геохимией и геологией. Изучение внутреннего строения Земли и планет, а 
также их эволюции является одной из центральных задач современной науки. Водная и воздушная оболочки нашей планеты, как 
и твердая кора, – это вторичные продукты развития Земли. Все 
элементы коры сформировались из недр планеты на протяжении 
геологической истории. Чтобы лучше понять, как устроены наружные оболочки Земли, геофизическими методами исследуется 
строение земных недр. 
Геохимия изучает химическое строение Земли, химические 
процессы, протекающие в ее недрах и на поверхности. Большое 
внимание уделяется исследованию миграции химических элементов в биосфере и их роли в эволюции биосистем.  
Антропогенное перемещение веществ и создание новых химических соединений привело к формированию экологической 
химии. В задачи экологической химии входит изучение антропогенного влияния химических элементов на экосистемы, сообщества и популяции растений, животных и человека. В зависимости 
от типа экосистем рассматривается химическое загрязнение литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы. Разрабатываются 
экологические нормативы для химических соединений, проводится мониторинг токсичности и уровня загрязнений. Синтезированные человеком новые химические соединения оказывают  
влияние на здоровье людей и эволюционные процессы. Геохимия 
является базовой областью развития современных экологических 
знаний. 

– 4 – 

1. Геофизика 

 
1.1. Методы геофизических исследований 
 
Геофизические исследования начались в XVII–XVIII вв. Их 
основоположниками являлись И. Ньютон (теория океанических 
приливов и отливов), А. Клеро, П. Лаплас, русский математик 
Л. Эйлер и др. Внутреннее строение Земли, силы тяжести исследовал М.В. Ломоносов. Атмосферное электричество изучал 
Дж. Гильберт, магнитное поле – Галилей. Длительное время геофизические исследования развивались в рамках астрономии, физики, математики и смежных наук. В середине XIX в. геофизика 
определилась как самостоятельная наука, накопилась обширная 
база геофизических наблюдений. Начались активные исследования сейсмических процессов, крупный вклад в которые внес русский академик Б.Б. Голицын. Большое значение в понимании 
геофизических, географических процессов имела гипотеза тектоники материковых плит, предложенная немецким геофизиком 
Альфредом Вегенером. Материки как бы плавают на полурасплавленном основании Земли, которое находится на глубине от 
нескольких десятков до нескольких сот километров. Важную 
роль в изучении тепловых процессов внутри Земли сыграли результаты исследований в области радиоактивности П. и М. Кюри, 
Резерфорда, Вернадского и др. 
Современный период развития геофизики характеризуется 
интенсивным международным сотрудничеством и внедрением 
эффективных методов исследований. С помощью космической 
техники получены новые данные о структуре геофизических полей, радиоактивных поясах, о физике атмосферы. Перспективные 
методы геофизики используются при разведке полезных ископаемых, ресурсов океана, прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур и землетрясений.   
В XVII веке Ньютон и Гюйгенс высказали предположение, 
что Земля не идеальный шар, а сфероид или эллипсоид вращения. 
На самом деле форма Земли не сфероид, более близкая модель – 
геоид. Сейчас установлено, что Северный полюс Земли выше 

– 5 – 

Южного на 30 м. Земля – одна из девяти планет Солнечной системы. Солнце – рядовая звезда галактики, вокруг которой вращается Земля. Галактика, или система Млечного пути, входит во 
Вселенную. Положение Земли в Солнечной системе определил 
Коперник (гелиоцентрическая система мира). Земля и другие 
планеты Солнечной системы движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, плоскости которых практически совпадают. 
Геофизические методы, посредством которых изучают внутреннее строение Земли, основаны на ее физических свойствах 
(упругие колебания, гравитационное поле, магнитное поле, электропроводность и тепловой режим). К ним относятся сейсморазведка, гравиметрия, магнитометрия, электрометрия, тепловая 
съемка. Важнейшей чертой геофизики как науки, использующей 
физические методы для изучения Земли, является возможность  
применения теоретических методов. Геофизика как отрасль естествознания основана на экспериментальных данных, но все данные косвенные. Только теоретический анализ геофизических 
данных позволяет делать выводы о тех или иных свойствах земных недр. В геофизике большей частью эксперимент ставит природа. Сейсмические волны проявляются при землетрясениях, 
электромагнитное зондирование связано с электромагнитными 
бурями в верхних слоях атмосферы. Таким образом, геофизик 
должен дождаться землетрясения или электромагнитной бури, 
изучить сигнал, проанализировать, сделать выводы, что и объясняет сложность геофизического эксперимента. В качестве сейсмических волн используют искусственный взрыв, например при 
сейсмической разведке полезных ископаемых, особенно нефти. 
Аналогичные идеи лежали в основе творчества академика 
Григория Александровича Гамбурцева (1903–1955), который 
стремился перейти от природного эксперимента к искусственному опыту. Он предложил и развил метод зондирования наружных 
слоев Земли с помощью сейсмических волн, генерируемых 
большими зарядами взрывчатых веществ, – глубинное сейсмическое зондирование. Ученый предложил просвечивать очаговые 
зоны землетрясений с помощью искусственных взрывов, чтобы 
выявлять возможные изменения свойств таких зон и на их осно- 
ве предсказывать землетрясения. Гамбурцев высказал идею  

– 6 – 

разработки механических источников возбуждения сейсмических 
волн. 
По мере роста энергопотенциала цивилизации можно перейти к глобальному искусственному эксперименту в геофизике. 
Пока искусственный эксперимент позволяет изучать только наружную кромку Земли. Энергия, выделяемая при землетрясениях, 
во много тысяч раз превосходит энергию искусственных взрывов 
и позволяет прозондировать всю Землю в целом. Геофизическое 
исследование  комплексное и  ведется одновременно различными 
методами [1, 2]. 
 
1.2. Сейсмические методы  
исследования Земли 
 
Сейсмология, одним из основателей которой является русский физик и геофизик академик Борис Борисович Голицын 
(1862–1916), – наука о землетрясениях и сейсмических волнах. 
С помощью сейсмических методов производится измерение и 
анализ движений, которые регистрируются сейсмографами на 
поверхности твердой Земли. Сейсмические волны – низкочастотные звуковые волны в твердой упругой Земле. Волны подразделяются на объемные и поверхностные. Объемные волны существуют двух типов: продольные и поперечные. Продольные 
волны – упругие волны сжатия, поперечные волны – упругие 
волны сдвига. Распространение объемных волн в упругой Земле 
подобно распространению световых лучей в оптических средах. 
Продольные и поперечные сейсмические волны, в отличие от  
поверхностных волн, распространяющихся вдоль земной поверхности, пронизывают всю  планету. Звуковые волны позволяют 
просвечивать планету, выявлять ее внутреннее строение без проникновения в ее недра.  
Скорость продольных волн в 1,7 раза больше, чем скорость 
поперечных волн, они регистрируются на сейсмограммах раньше 
и называются первичными или волнами Р. Поперечные волны 
именуются вторичными или волнами S. Скорости объемных волн 

– 7 – 

выражаются через модули упругости (K – модуль сжатия,  – 
модуль сдвига) и плотность среды   в данной точке: 

4
3
p
K
V




 – скорость продольной волны; 

s
V


  – скорость поперечной волны. 

По сейсмологическим данным Земля разделяется на три основные области: кору, мантию и ядро. Кора отделена от мантии 
резкой сейсмической границей, на которой свойства скачкообразно изменяются – увеличиваются скорости продольной, поперечной звуковых волн и плотность. Граница открыта в 1909 г.  
югославским сейсмологом Мохоровичичем и названа границей 
Мохоровичича. В связи с этим земной корой называют наружный 
слой Земли, расположенный выше границы Мохоровичича.  
Толщина земной коры нерегулярна,  изменяется от 7–10 км в 
океанических областях до нескольких десятков километров в 
горных районах континентальных областей. Средняя толщина 
составляет 35 км. Ниже коры в интервале глубин 35–2885 км расположена силикатная оболочка, или мантия Земли. Центральная 
часть Земли, расположенная в интервале глубин 2885–6371 км, 
образует ядро Земли.  
Сейсмическая граница на глубине 2885 км между мантией и 
ядром Земли открыта немецким сейсмологом Гутенбергом в 
1914 г. Граница не имеет специального названия. Она является 
наиболее резкой границей раздела в недрах Земли, значительно 
отражает объемные и сильно преломляет Р-волны. На этой границе скорость Р-волн скачком падает от 13,6 км/с в мантии до 
8,1 км/с в ядре. Скорость поперечных волн соответственно 
уменьшается от 7,3 км/с до нуля. Плотность возрастает от 5,5 до 
10,0 г/см3. Вследствие того что земное ядро не пропускает через 
себя поперечные волны, сделан вывод, что ядро является жидким.  
На основе изучения характеристик поля упругих колеба- 
ний разработан и внедрен геофизический метод сейсморазведка, 

– 8 – 

применяемый с целью исследования строения земной коры, поиска месторождений полезных ископаемых. В методе используются искусственные источники возбуждения упругих колебаний: 
взрывы, вибросейсмы и др. Упругие волны могут отражаться и 
частично преломляться на границах различных типов пород и 
возвращаться на поверхность земли, где регистрируются специальной аппаратурой. Измеряя время распространения волн от их 
источника до точки регистрации, амплитуду, частоту и другие 
характеристики, получают информацию о слоях пород и углах их 
наклона. Таким образом, появляется возможность решать структурно-геологические задачи. Сейсморазведку широко применяют 
для поиска месторождений нефти и газа, углей, каменной соли, 
бокситов, в рудной геологии и других областях. 
 
1.3.  Магнитные поля Земли 
 
Геомагнетизм – одна из старейших и обширнейших геофизических дисциплин. Магнитные поля широко распространены 
во Вселенной: магнитное поле имеется у звезд, в космическом 
пространстве; у Солнца, у Меркурия, Венеры, Юпитера и Сатурна. 
В последнее время получены данные о наличии магнитного 
поля у Урана и Нептуна. 
Геомагнитное поле (ГМП) в каждой точке пространства характеризуется вектором напряженности Т, величина и направление которого в прямоугольной системе координат определяются 
тремя составляющими X, Y, Z (северной, восточной и вертикальной) или тремя элементами ГМП: горизонтальной составляющей 
напряженности H; магнитным склонением D – углом между H и 
плоскостью географического меридиана; магнитным наклонением I – углом между T и плоскостью горизонта. Геомагнитное  
поле является совокупностью постоянного, основного, поля, которое составляет 99 %, и переменного, на долю которого приходится около 1 %. На земном шаре встречаются местности, в которых магнитные элементы существенно изменяются и отличаются 
от соответствующих значений в соседних регионах. Такие области называются областями магнитной аномалии. В большинстве 

– 9 – 

случаев причиной магнитной аномалии является наличие под поверхностью Земли больших масс магнитной железной руды. Одной из самых больших является Курская магнитная аномалия. 
Наличие у Земли постоянного магнитного поля объясняют 
конвективным движением проводящего жидкого вещества в земном ядре, в частности гидромагнитным динамо (динамоэффект – 
самовозбуждение магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы). Теория динамоэффекта 
обосновывает происхождение и поддержание магнитного поля 
Земли, а также возможность самообращения магнитной оси – переполюсовку магнитного поля и долгопериодические колебания 
магнитного поля Земли – вековые вариации, что отражает реальные свойства ГМП. Основное магнитное поле до высот примерно 
трех земных радиусов имеет дипольный характер, на бóльших 
высотах структура поля значительно усложняется. Магнитные 
полюсы Земли, точки, где H = 0, не совпадают с ее географическими полюсами. Дипольный, кулоновский, магнитный момент 
Земли, равный 81025 ед. СГС (81015 Вбм), образует с осью 
вращения Земли угол 11,5° (рис. 1.1).  
 

 
Рис. 1.1. Схема расположения  
географических и геомагнитных полюсов 

– 10 – 

В середине ХХ в. Южный магнитный полюс Земли лежал в 
Северном полушарии (75,8° северной широты и 96° западной 
долготы), Северный магнитный полюс – в Южном полушарии 
(71,2° южной широты и 150,8° восточной долготы). Магнитная 
ось Земли смещена от ее центра на 1140 км в сторону Тихого 
океана. Напряженность  геомагнитного поля убывает от магнитных полюсов к магнитному экватору (линии, где I = 0) с 55,7 до 
33,4 А/м. Основное магнитное поле испытывает медленные вековые изменения – вариации. Положение магнитных полюсов Земли меняется с периодом от сотен тысяч до десятков миллионов 
лет. 
Принимая гипотезу, что возраст геомагнитного поля сравним 
с возрастом Земли, рассмотрим геологическое прошлое геомагнетизма. 
Аналогично тому как этапы биологической эволюции определяют по окаменелым органическим останкам, история магнитного поля Земли воспроизводится по палеомагнитным данным. 
Окаменелые твердые породы в процессе остывания приобретают 
естественную остаточную намагниченность, направление которой совпадает с вектором ГМП, соответствующего временному 
периоду образования пород. Остаточная намагниченность создается магнитными материалами: оксидами железа и титана, которые в небольших количествах содержатся практически во всех 
породах. Анализ палеомагнитных данных позволил установить 
изменения ГМП по напряженности и полярности его вектора, т.е. 
инверсии. При инверсии дипольного геомагнитного поля сохраняется либо направление его вектора при снижении до нуля напряженности с последующей противоположной ориентацией поля, либо напряженность при повороте вектора ГМП на 180°. 
Средняя продолжительность периодов переполюсовки составляет 
около 10000 лет. Хронологическая шкала полярности за последние 80 млн лет позволяет оценить число инверсий ГМП для каждой геологической эпохи (рис. 1.2). 
Процесс переполюсовки ГМП продолжается около 4000–
5000 лет, и соответствующее снижение напряженности поля может происходить в данном интервале или в 2–4 раза дольше. 
В состоянии магнитного поля Земли в течение ее истории современные ученые выделяют 4 эпохи: Гилберта, Гаусса, Матуяма и