Фізичні поля, причиною виникнення чи зміни яких є природне середовище планети, називають геофізичними полями (ГП). Просторовий розподіл і зміна ГП у просторі й часі залежать від наявності та потужності їхніх джерел і від особливостей будови природного середовища та його динаміки під впливом природних і техногенних чинників. Знання сучасного стану й характеру зміни ГП необхідне для розуміння природних процесів, що впливають на життя людей та економіку країни, для довгострокового соціально-економічного планування, раціонального землекористування, цілеспрямованого пошуку корисних копалин, прогнозування небезпечних процесів.
Гравітаційне поле Землі, або поле сили тяжіння, – це поле, спричинене тяжінням Землі і відцентровою силою, зумовленою обертанням планети навколо своєї осі. Воно умовно поділяється на аномальне та нормальне. Аномальне гравітаційне поле (АГП) відображає особливості фігури Землі й будови її надр. На території України АГП змінюється в широких межах, відображаючи насамперед особливості розподілу густини порід земної кори та верхньої мантії. На вміщеній в Атласі карті розподіл аномального гравітаційного поля позначено лініями однакових значень його величини, які називають ізоаномалами.
На основі гравітаційного моделювання градієнтно-шаруватих тривимірних глибинних структур із використанням даних про аномальне гравітаційне поле, даних глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ), експериментальних кореляційних залежностей між питомою густиною кристалічних порід і швидкістю поширення сейсмічних хвиль в умовах різних тисків і температур, з урахуванням поправок на речовинний склад порід, створено карту аномальної густини земної кори та верхньої мантії. Завдяки тенденції до ізостатичної врівноваженості окремих блоків та їх сукупностей під важчими блоками підошва земної кори занурюється, а під легшими піднімається.
Теплове поле також дає важливу інформацію про будову й динаміку нашої планети. Тепловий стан земної кори характеризується густиною теплового потоку, що надходить із надр Землі та розсіюється з її поверхні, а також зміною температур із глибиною.
Основну роль у формуванні теплового потоку відіграють: енергія розпаду довгоживучих радіоактивних елементів (урану, торію, калію), максимальна концентрація яких спостерігається в породах земної кори, первинна енергія Землі та енергія фізико-хімічних процесів у її надрах. Значну роль відіграють також умови перенесення тепла, які суттєво змінюються з глибиною і по латералі. Провідна роль у формуванні позитивних геотермічних аномалій належить активним тектонічним і магматичним процесам, що супроводжуються винесенням великої кількості теплової енергії.
Густина теплового потоку – це кількість тепла, що виноситься з надр на поверхню за одиницю часу на одиницю площі. Вона вимірюється у мВт/кв.м і визначається як результат множення геотермічного градієнта в певному інтервалі глибин на теплопровідність порід цього інтервалу. На території України густина теплового потоку змінюється від 25–30 мВт/кв.м до 100–110 мВт/кв.м. Температури на глибині 1 км змінюються від 20 до 70°С, а на глибині 3 км – від 40 до 135°С. Розподіл теплових потоків тісно пов’язаний з особливостями геологічного розвитку регіонів та їх тектонікою.
Глибинний тепловий потік (ГТП) визначається як спостережений тепловий потік, відкоригований з урахуванням численних близькоповерхневих впливів: палеоклімату, руху підземних вод із вертикальною складовою, геологічних структур, що зумовлюють негоризонтальне залягання поверхонь розділу порід із різною теплопровідністю, молодих насувів, накопичення молодих осадових відкладів тощо. Карта ГТП показує розподіл його фонових (35–50 мВт/кв.м) і аномальних (60–130 мВт/кв.м) величин на території України.
Теплова енергія Землі є геоенергетичним ресурсом. На підставі даних про ГТП побудовано карту густини геоенергетичних ресурсів у тоннах умовного палива на один квадратний метр, які можуть бути видобуті водяною геоциркуляційною системою з температурою (Т) носія не нижче ніж 60°С та його поверненням у надра з Т ~ 20°С. Загальні геоенергетичні ресурси України (визначені на даний час) приблизно в 20 разів перевищують усі запаси горючих копалин на її території. На деяких площах вони досягають 10 т у.п./кв.м, що перевищує запаси енергії, які можуть бути видобуті з великого родовища нафти чи газу. Геоенергетичні ресурси, придатні для практичного використання шляхом одержання пари (електричної енергії) без додаткового нагрівання, розвідані в Закарпатті та на обмежених територіях у Криму.
Магнітне, або геомагнітне, поле є силовим геофізичним полем, спричиненим електромагнітними процесами в ядрі Землі (головне, або нормальне, поле), у верхніх шарах іоносфери (варіації геомагнітного поля) та намагніченістю гірських порід земної кори. Останній чинник формує аномальне магнітне поле, яке відображає наявність у земній корі порід із різною концентрацією магнітних мінералів. Воно визначається виключенням із напруженості загального геомагнітного поля напруженості нормального поля та його варіацій. Нормальне поле не має точного аналітичного відображення. Для його опису використовують декілька апроксимуючих моделей, одну з яких наведено в Атласі.
Аномальне магнітне поле території України дуже диференційоване й складається з регіональної та локальної компонент, які відрізняються поперечними розмірами аномалій і глибиною розміщення їхніх джерел.
Регіональна компонента поля, зображена на карті “Довгохвильові магнітні аномалії”, зумовлена неоднорідністю складу нижньої частини земної кори й рельєфом підошви магнітоактивного шару, яка може ототожнюватися з підошвою земної кори (розділ Мохоровичича) або з ізотермічною поверхнею температури Кюрі магнетиту – головного носія магнетизму гірських порід. Вона відбиває регіональні риси великих геоструктур.
Локальна компонента аномального магнітного поля формується під впливом намагнічених порід верхньої частини кори й відображає її склад і будову. Ця компонента магнітного поля використовується як одне з важливих джерел інформації для геологічного картографування порід, вивчення складчастої та розривної тектоніки, тектонічного районування, а в комплексі з регіональною компонентою та іншими геофізичними даними – для вивчення співвідношень приповерхневих і глибинних структур літосфери, для побудови різномасштабних об’ємних моделей геологічного середовища, які застосовуються при визначенні перспективності геологічних структур на різні корисні копалини.
Магнітотелуричне поле Землі є природним електромагнітним полем, спричиненим іоносферно-магнітосферною системою струмів. Це поле одне з важливих джерел знань про сучасну геологічну будову, тектонічні процеси, геодинаміку і флюїдний режим земної кори та мантії. Електричні властивості гірських порід тісно пов’язані з температурним і флюїдним режимом надр, хімічним складом мінералів порід, у яких містяться C, S, Fe та інші метали, рівнем мінералізації ювенільних вод, наявністю розплавів порід кори й мантії тощо. На основі аналізу спостереженого магнітотелуричного поля з використанням методів об'ємного плівкового моделювання й двовимірного кінцево-різницевого моделювання електромагнітних полів побудовано карти “Електропровідність земної кори” та “Електропровідність верхньої мантії” в одиницях провідності – сименсах (См). Аномалії електропровідності виділяються на тлі “нормального” узагальненого геоелектричного розрізу Східноєвропейської платформи, яке характеризується питомими електричними опорами (в Ом•м): 1000, 600, 250, 100, 50, 20, 10, 5, 1, 0.1 – у шарах геологічного середовища потужністю (в км): 40, 50, 70, 80, 100, 120, 160, 200, ∞. Значення поздовжньої електропровідності плівки навколишнього простору приймалося рівним 10 См.
Для вивчення глибинної будови Землі (геометрії й положення основних тектонічних меж, розподілу фізичних параметрів геологічного середовища тощо) широко використовують ще один вид ГП – сейсмічне поле. Воно спостерігається у вигляді механічних коливань на поверхні ґрунту або в шахтах, печерах, штольнях і свердловинах. Коливання збуджуються сейсмічними хвилями (поздовжніми, поперечними, поверхневими, каналовими), які поширюються від джерела, згасаючи, відбиваючись, заломлюючись і перевипромінюючись в інші типи на неоднорідностях геологічного середовища. Залежно від джерела сейсмічне поле може бути природного або техногенного походження.
Вивчення техногенних сейсмічних полів, генерованих спеціальними вибухами й спостережених уздовж геологічних профілів, дало можливість одержати унікальні дані про внутрішню будову Землі, які використовуються для пошуку корисних копалин і розв’язання низки інших важливих геолого-геофізичних завдань. В Атласі подано розрізи земної кори й літосфери через основні тектонічні структури на території України.
1. Спостереження на геотраверсі глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ) “Голованівськ – Кіровоград – Таґанроґ”, який перетинає в широтному напрямку східну та центральну частини Українського щита, виконано методом неперервного профілювання з використанням системи взаємно пов’язаних годографів основних хвиль. Наведена модель висвітлює швидкісні характеристики та глибинну будову архейсько-протерозойських структур щита.
2. Геотраверс “Чорне море – Балтійське море” на території України має довжину понад 900 км. Він перетинає палеозойську Скіфську плиту і докембрійський Український щит. Швидкісна модель побудована на підставі двовимірного чисельного моделювання хвильового поля, одержаного методом ГСЗ.
3. Профіль ГСЗ “Полтава – Свердловськ” проходить уздовж Дніпровсько-Донецького авлакогену.
4. Глибинні сейсмічні дослідження на профілі “Берегове–Долина–Вишнівець–Шепетівка–Чернігів” висвітлили будову тектонічних структур різного віку та генезису: Закарпатський мезозойсько-палеогеновий прогин, Карпати, які є одним з головних альпійських орогенів Європи, та архейсько-ранньопротерозойський Український щит.
5. Профіль ГСЗ “Путивль – Кривий Ріг” поєднує надглибокі свердловини НГС – 8 та 9. У своїй південній частині він проходить уздовж Криворізько-Кременчуцької субмеридіональної ранньопротерозойської протогеосинкліналі, а в північній косо перетинає Дніпровсько-Донецький пізньопротерозойсько-девонський палеорифт північно-західного пролягання.
На території України виконано великі обсяги сейсмічного профілювання (понад 10 тис. км) для вивчення будови земної кори й літосфери. За цими даними побудовано карту “Поверхня Мохоровичича”. Назва “поверхня” умовна, оскільки стосується потужної перехідної зони, що відділяє земну кору від верхньої мантії і характеризується складною будовою, чергуванням тонких шарів з підвищеними та пониженими швидкостями сейсмічних хвиль.
У межах України товщина земної кори змінюється в широкому діапазоні – від 25 до 65 км. Максимальна товщина кори під Карпатами (65 км), Гірським Кримом (до 60 км), на Українському щиті (Одесько-Ядлівська, Криворізько-Крупецька й Оріхово-Павлоградська ранньопротерозойські геосинклінальні зони – 50–60 км). Мінімальна товщина земної кори спостерігається в районі Закарпатського прогину (25 км), під Дніпровсько-Донецьким авлакoгeном (30–35 км), на Українському щиті в районах Запорізького серединного масиву (25–30 км), Кіровоградського протоплатформного блоку (35 км) і в межах акваторії Чорноморської западини (25–30 км).
Природні сейсмічні поля, спричинені вогнищами місцевих і сильних віддалених землетрусів, з огляду на їх значну небезпеку, потрібно враховувати під час зведення житла, важливих споруд, об’єктів підвищеного екологічного й техногенного ризику. Причиною землетрусів є сучасна тектонічна активність геологічних структур. Розподіл землетрусів різної величини в часі й просторі називають сейсмічністю.
На території України високий рівень сейсмічності спостерігається в двох основних сейсмічних регіонах: Карпатському і Кримсько-Чорноморському.
Сейсмічність Карпатського регіону визначається землетрусами з епіцентрами в Закарпатті, Карпатах, Передкарпатті, а також на прилеглих територіях Польщі, Словаччини, Угорщини, Румунії. Найбільш сейсмоактивним є Закарпаття.
На території західних областей України (за період з XVII століття до нашого часу) землетруси характеризуються в основному глибинами вогнищ (h) 2 – 10 км і магнітудами (М)<5.5. Внаслідок малої глибини ці землетруси спричиняють локальні ефекти на поверхні ґрунту з інтенсивністю до 7–8 балів за шкалою MSK64. Такі самі коливання відчуваються в Закарпатті від глибших (h=35 км) і сильніших (М=6.8) землетрусів з епіцентрами в Румунії (Пішкольт) на відстані ~60 км від кордону України. На прилеглій до Передкарпаття території найзначніший землетрус з достовірно описаних відбувся в 1875 р. поблизу м. Великі Мости Львівської обл. Він мав магнітуду М=5,3, глибину вогнища h=19 км і відчувався в епіцентральній зоні з інтенсивністю 6 балів. У Чернівцях інтенсивність коливань сягала 3 балів.
На велику частину території України впливають підкорові землетруси із зони Вранча в Румунії. Вогнища землетрусів, здатних спричинити значні макросейсмічні прояви на території України, знаходяться в мантії на глибинах 80–190 км. Максимальні магнітуди землетрусів із цієї зони досягали 7,6. Завдяки великим глибинам вогнищ і магнітудам землетруси зони Вранча проявляються на великій території: від Греції на півдні – до Фінляндії на півночі. На карті “Сейсмічність” представлені вогнища землетрусів зони Вранча, починаючи з XI століття, з магнітудами понад 3,5. Надійно встановлено ізосейсти найсильніших землетрусів зони Вранча за останні два століття.
Сейсмічність Кримсько-Чорноморського регіону визначається епіцентрами землетрусів в межах акваторії Чорного моря, поблизу Південного берега Криму. Вони характеризуються найвищими на території України магнітудами (до М=6.8). На карті епіцентрів землетруси Криму з M>2 представлені за період спостережень з I ст. до н. е. до нинішнього часу. На рівнинній частині Криму і в межах акваторії Азовського моря показано вогнища землетрусів з M>1.
На платформній частині України відомі лише декілька відчутних місцевих землетрусів. Їхні вогнища знаходилися в межах земної кори, внаслідок чого сейсмічний ефект був локальним. Інтенсивність сейсмічних струшувань в епіцентральній зоні досягала 6–7 балів. Шлейф афтершоків землетрусу з інтенсивністю сейсмічних струшувань 6 балів за шкалою MSK-64, який відбувся 3 січня 2002 року поблизу селища Микулинці Тернопільської області, ще раз засвідчив наявність суттєвої сейсмічної активності платформних тектонічних структур на території України.
Рівень небезпеки, яку здатні спричинити землетруси, показано на картах “Загальне сейсмічне районування території України 2004 р. (ЗСР-2004)” у балах макросейсмічної шкали MSK-64. Ці карти використовуються для довгострокового соціально-економічного планування, раціонального землекористування, прийняття адміністративних і технічних рішень щодо забезпечення стабільної експлуатації споруд і розміщення нових (ГЕС, АЕС, трубопроводів тощо). У сейсмічних районах України проектно-пошукові та будівельні роботи регламентують три ймовірнісні карти ЗСР-2004, позначені як А, В, С. На них представлено значення інтенсивності сейсмічних струшувань, які можуть проявитися один раз на 500, 1000 і 5000 років, інакше кажучи, можуть бути перевищені з імовірністю 10%, 5% і 1% за найближчі 50 років.
Карти “Сейсмічне мікрорайонування” відображають прогнозований приріст сейсмічної бальності на різних ділянках території, представленої на картах ЗСР. Прирости можуть бути додатними або від'ємними залежно від місцевих ґрунтових умов, рельєфу та наявності тектонічних порушень. Для побудови карт СМР використовують дані інженерно-геологічних досліджень, макросейсмічних обстежень наслідків землетрусів, інструментальні спостереження за сейсмічними полями землетрусів, вибухів, природних і техногенних мікросейсм. Карти СМР використовують для планування розвитку населених пунктів, забезпечення стабільної експлуатації існуючих споруд і проектування нових.
Представлені в Атласі карти геофізичних полів і побудовані на основі їх інтерпретації карти й схеми, які відображають глибинну будову літосфери, динаміку тектонічних структур, небезпеку, пов’язану із землетрусами, криповими рухами, зсувами, просадками тощо, є важливим інструментом пізнання глибинної будови планети, цілеспрямованого пошуку корисних копалин, захисту населення, житла та важливих споруд від небезпечних ендогенних процесів і пов’язаних з ними вторинних інженерно-геологічних явищ.
О.В. Кендзера, В.І. Старостенко
