Геофизика ( / ˌ dʒ iː oʊ ˈ f ɪ z ɪ k s / ) — предмет естествознания , изучающий физические процессы и физические свойства Земли и окружающей ее космической среды, а также использование количественных методов для их анализа. Геофизики, которые обычно изучают геофизику, физику или одну из наук о Земле на уровне аспирантуры, проводят исследования в широком спектре научных дисциплин. Термин «геофизика» классически относится к приложениям твердой Земли: форма Земли ; его гравитационное , магнитное и электромагнитное поля ; его внутренняя структура и состав ; его динамика и их поверхностное выражение в тектонике плит , генерации магмы , вулканизме и горных породах. [3] Однако современные геофизические организации и ученые используют более широкое определение, которое включает круговорот воды , включая снег и лед; гидродинамика океанов и атмосферы ; электричество и магнетизм в ионосфере и магнитосфере и солнечно-земная физика ; и аналогичные проблемы, связанные с Луной и другими планетами. [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Хотя геофизика была признана отдельной дисциплиной только в XIX веке, ее истоки восходят к древним временам. Первые магнитные компасы были сделаны из магнитов , а более современные магнитные компасы сыграли важную роль в истории мореплавания. Первый сейсмический прибор был построен в 132 году нашей эры. Исаак Ньютон применил свою теорию механики к приливам и прецессии равноденствия ; и были разработаны инструменты для измерения формы Земли, плотности и гравитационного поля, а также компонентов круговорота воды. В 20 в. были разработаны геофизические методы дистанционного исследования твёрдой Земли и океана, а геофизика сыграла существенную роль в развитии теории тектоники плит.
Геофизика применяется для удовлетворения социальных потребностей, таких как минеральные ресурсы , смягчение последствий стихийных бедствий и защита окружающей среды . [4] В разведочной геофизике данные геофизических исследований используются для анализа потенциальных нефтяных резервуаров и месторождений полезных ископаемых, определения местонахождения грунтовых вод, поиска археологических реликвий, определения толщины ледников и почв, а также оценки участков для восстановления окружающей среды .
Геофизика является весьма междисциплинарным предметом, и геофизики вносят вклад во все области наук о Земле , а некоторые геофизики проводят исследования в области планетарных наук . Чтобы дать более четкое представление о том, что представляет собой геофизика, в этом разделе описываются явления, которые изучаются в физике , и то, как они связаны с Землей и ее окружением. Геофизики также исследуют физические процессы и свойства Земли, ее жидких слоев и магнитного поля, а также околоземной среды Солнечной системы , в которую входят другие планетарные тела.
Гравитационное притяжение Луны и Солнца вызывает два прилива и два отлива каждый лунный день или каждые 24 часа 50 минут. Таким образом, между каждым приливом и каждым отливом существует промежуток в 12 часов 25 минут. [9]
Гравитационные силы заставляют камни давить на более глубокие породы, увеличивая их плотность по мере увеличения глубины. [10] Измерения гравитационного ускорения и гравитационного потенциала на поверхности Земли и над ней можно использовать для поиска месторождений полезных ископаемых (см. Гравитационные аномалии и гравиметрия ). [11] Поверхностное гравитационное поле предоставляет информацию о динамике тектонических плит . Геопотенциальная поверхность, называемая геоидом , является одним из определений формы Земли. Геоидом был бы глобальный средний уровень моря, если бы океаны находились в равновесии и могли бы простираться через континенты (например, с помощью очень узких каналов). [12]
Земля охлаждается, и возникающий в результате тепловой поток генерирует магнитное поле Земли посредством геодинамо и тектоники плит посредством мантийной конвекции . [13] Основными источниками тепла являются первичное тепло и радиоактивность , хотя есть также вклады от фазовых переходов . Тепло в основном переносится на поверхность за счет тепловой конвекции , хотя существует два тепловых пограничных слоя — граница ядро-мантия и литосфера , — в которых тепло переносится за счет проводимости . [14] Некоторое количество тепла переносится снизу мантии мантийными плюмами . Тепловой поток у поверхности Земли составляет около 4,2 × 10 13 Вт и является потенциальным источником геотермальной энергии. [15]
Сейсмические волны — это вибрации, которые распространяются через недра Земли или вдоль ее поверхности. Вся Земля также может колебаться в формах, которые называются нормальными модами или свободными колебаниями Земли . Движения грунта от волн или нормальных режимов измеряются с помощью сейсмографов . Если волны исходят от локализованного источника, такого как землетрясение или взрыв, для определения местоположения источника можно использовать измерения в нескольких местах. Местоположение землетрясений дает информацию о тектонике плит и мантийной конвекции. [16] [17]
Регистрация сейсмических волн от контролируемых источников дает информацию о регионе, через который проходят волны. Если плотность или состав породы меняется, волны отражаются. Отражения, записанные с помощью Reflection Seismology , могут предоставить обширную информацию о структуре Земли на глубине до нескольких километров и используются для улучшения нашего понимания геологии, а также для разведки нефти и газа. [11] Изменения в направлении движения, называемые рефракцией , можно использовать для вывода о глубинном строении Земли . [17]
Землетрясения представляют опасность для людей . Понимание их механизмов, которые зависят от типа землетрясения (например, внутриплитное или глубокофокусное ), может привести к более точным оценкам риска землетрясений и усовершенствованию сейсмической инженерии . [18]
Хотя мы в основном замечаем электричество во время грозы , у поверхности всегда существует нисходящее электрическое поле, составляющее в среднем 120 вольт на метр. [19] По отношению к твердой Земле атмосфера имеет суммарный положительный заряд из-за бомбардировки космическими лучами . В глобальной цепи течет ток силой около 1800 ампер . [19] Он течет вниз из ионосферы над большей частью Земли и возвращается вверх через грозы. Поток проявляется молниями под облаками и спрайтами вверху.
В геофизических исследованиях используются разнообразные электрические методы. Некоторые измеряют спонтанный потенциал , потенциал, который возникает в земле из-за антропогенных или природных нарушений. Теллурические токи текут на Земле и в океанах. У них есть две причины: электромагнитная индукция изменяющимся во времени геомагнитным полем внешнего происхождения и движение проводящих тел (таких как морская вода) поперек постоянного магнитного поля Земли. [20] Распределение плотности теллурического тока можно использовать для обнаружения изменений удельного электрического сопротивления подземных сооружений. Геофизики также могут сами обеспечить электрический ток (см. томографию наведенной поляризации и электросопротивления ).
Электромагнитные волны возникают в ионосфере и магнитосфере, а также во внешнем ядре Земли . Считается, что утренний хор вызван высокоэнергетическими электронами, попавшими в радиационный пояс Ван Аллена . Свистящие звуки возникают в результате ударов молний . Шипение может генерироваться обоими. Электромагнитные волны могут также генерироваться землетрясениями (см. Сейсмоэлектромагнетизм ).
В высокопроводящем жидком железе внешнего ядра магнитные поля генерируются электрическими токами посредством электромагнитной индукции. Волны Альвена — это магнитогидродинамические волны в магнитосфере или ядре Земли. В ядре они, вероятно, оказывают незначительное наблюдаемое влияние на магнитное поле Земли, но более медленные волны, такие как магнитные волны Россби, могут быть одним из источников геомагнитных вековых вариаций . [21]
Электромагнитные методы, используемые для геофизических исследований, включают нестационарную электромагнетику , магнитотеллурику , поверхностный ядерный магнитный резонанс и электромагнитный каротаж морского дна. [22]
Магнитное поле Земли защищает Землю от смертоносного солнечного ветра и издавна используется для навигации. Оно возникает в жидкостных движениях внешнего ядра. [21] Магнитное поле в верхних слоях атмосферы порождает полярные сияния . [23]
Поле Земли примерно похоже на наклонный диполь , но оно меняется со временем (феномен, называемый геомагнитной вековой вариацией). В основном геомагнитный полюс остается вблизи географического полюса , но через случайные промежутки времени, в среднем от 440 000 до миллиона лет или около того, полярность поля Земли меняется на противоположную. Эти геомагнитные инверсии , проанализированные в рамках временной шкалы геомагнитной полярности , содержат 184 интервала полярности за последние 83 миллиона лет, с изменением частоты с течением времени, причем самое последнее краткое полное изменение события Лашампа произошло 41 000 лет назад во время последнего ледникового периода. . Геологи наблюдали инверсию геомагнитного поля, зафиксированную в вулканических породах, посредством магнитостратиграфической корреляции (см . естественную остаточную намагниченность ), и ее признак можно увидеть в виде параллельных линейных полос магнитной аномалии на морском дне. Эти полосы предоставляют количественную информацию о расширении морского дна , что является частью тектоники плит. Они являются основой магнитостратиграфии , которая коррелирует магнитные инверсии с другими стратиграфиями для построения геологических временных шкал. [24] Кроме того, намагниченность горных пород можно использовать для измерения движения континентов. [21]
Радиоактивный распад составляет около 80% внутреннего тепла Земли , питая геодинамо и тектонику плит. [25] Основными тепловыделяющими изотопами являются калий-40 , уран-238 , уран-235 и торий-232 . [26] Радиоактивные элементы используются для радиометрического датирования — основного метода установления абсолютной шкалы времени в геохронологии .
Нестабильные изотопы распадаются с предсказуемыми скоростями, а скорости распада различных изотопов охватывают несколько порядков, поэтому радиоактивный распад можно использовать для точной датировки как недавних событий, так и событий прошлых геологических эпох . [27] Радиометрическое картирование с использованием наземной и воздушной гамма-спектрометрии может использоваться для картирования концентрации и распределения радиоизотопов вблизи поверхности Земли, что полезно для картирования литологии и изменений. [28] [29]
Движения жидкости происходят в магнитосфере, атмосфере , океане, мантии и ядре. Даже мантия, хотя и обладает огромной вязкостью , течет как жидкость в течение длительных интервалов времени. Этот поток отражается в таких явлениях, как изостазия , послеледниковый отскок и мантийные плюмы . Мантийный поток приводит в движение тектонику плит, а поток в ядре Земли приводит в движение геодинамо. [21]
Геофизическая гидродинамика является основным инструментом в физической океанографии и метеорологии . Вращение Земли оказывает глубокое влияние на динамику земных жидкостей, часто из-за эффекта Кориолиса . В атмосфере это порождает крупномасштабные закономерности, подобные волнам Россби , и определяет основные закономерности циркуляции штормов. В океане они создают крупномасштабные модели циркуляции, а также волны Кельвина и спирали Экмана на поверхности океана. [30] В ядре Земли циркуляция расплавленного железа структурирована колоннами Тейлора . [21]
Волны и другие явления в магнитосфере можно моделировать с помощью магнитогидродинамики .
Физические свойства минералов необходимо понимать, чтобы сделать вывод о составе недр Земли на основе сейсмологии , геотермического градиента и других источников информации. Физики-минералы изучают упругие свойства минералов; их фазовые диаграммы при высоком давлении , температуры плавления и уравнения состояния при высоком давлении; и реологические свойства горных пород или их способность течь. Деформация горных пород путем ползучести делает возможным течение, хотя за короткое время породы становятся хрупкими. На вязкость горных пород влияют температура и давление, и они, в свою очередь, определяют скорость движения тектонических плит. [10]
Вода – очень сложное вещество, и ее уникальные свойства необходимы для жизни. [31] Его физические свойства формируют гидросферу и являются неотъемлемой частью круговорота воды и климата . Его термодинамические свойства определяют испарение и температурный градиент в атмосфере . Многие типы осадков включают в себя сложную смесь процессов, таких как слияние , переохлаждение и пересыщение . [32] Некоторое количество осажденной воды становится грунтовыми водами , а поток грунтовых вод включает в себя такие явления, как просачивание , а проводимость воды делает электрические и электромагнитные методы полезными для отслеживания потока грунтовых вод. Физические свойства воды, такие как соленость , оказывают большое влияние на ее движение в океанах. [30]
Многие фазы льда образуют криосферу и имеют такие формы, как ледяные щиты , ледники , морской лед , пресноводный лед, снег и мерзлый грунт (или вечная мерзлота ). [33]
Земля имеет примерно сферическую форму, но выпирает к экватору , поэтому имеет примерно форму эллипсоида (см. Земной эллипсоид ). Эта выпуклость возникает из-за ее вращения и почти соответствует Земле, находящейся в гидростатическом равновесии. Однако на детальную форму Земли также влияет распределение континентов и океанских бассейнов и в некоторой степени динамика плит. [12]
Данные сейсмологии , теплового потока на поверхности и физики минералов объединяются с массой Земли и моментом инерции для построения моделей недр Земли – ее состава, плотности, температуры и давления. Например, средний удельный вес Земли ( 5,515 ) намного выше, чем типичный удельный вес горных пород на поверхности ( 2,7–3,3 ), а это означает, что чем глубже материал, тем плотнее. Об этом же говорит и его низкий момент инерции ( 0,33 MR 2 по сравнению с 0,4 MR 2 для сферы постоянной плотности). Однако некоторая часть увеличения плотности связана с сжатием под огромным давлением внутри Земли. Влияние давления можно рассчитать с помощью уравнения Адамса – Вильямсона . Вывод состоит в том, что одно только давление не может объяснить увеличение плотности. Вместо этого мы знаем, что ядро Земли состоит из сплава железа и других минералов. [10]
Реконструкции сейсмических волн в глубоких недрах Земли показывают, что во внешнем ядре S-волн нет . Это указывает на то, что внешнее ядро является жидким, поскольку жидкости не могут выдерживать сдвиг. Внешнее ядро жидкое, и движение этой высокопроводящей жидкости создает поле Земли. Однако внутреннее ядро Земли твердое из-за огромного давления. [12]
Реконструкция сейсмических отражений в глубоких недрах указывает на некоторые серьезные разрывы в сейсмических скоростях, которые разграничивают основные зоны Земли: внутреннее ядро , внешнее ядро , мантию, литосферу и кору . Сама мантия разделена на верхнюю мантию , переходную зону, нижнюю мантию и слой D'' . Между корой и мантией находится разрыв Мохоровичича . [12]
Сейсмическая модель Земли сама по себе не определяет состав слоев. Для полной модели Земли необходима физика минералов, чтобы интерпретировать сейсмические скорости с точки зрения состава. Свойства минерала зависят от температуры, поэтому необходимо также определить геотерму . Для этого необходима физическая теория теплопроводности и конвекции , а также теплового вклада радиоактивных элементов . Основной моделью радиального строения недр Земли является предварительная эталонная модель Земли (PREM). Некоторые части этой модели были обновлены недавними открытиями в области физики минералов (см. постперовскит ) и дополнены данными сейсмической томографии . Мантия в основном состоит из силикатов , а границы между слоями мантии соответствуют фазовым переходам. [10]
Мантия действует как твердое тело для сейсмических волн, но под высоким давлением и температурой она деформируется так, что в течение миллионов лет ведет себя как жидкость. Это делает возможной тектонику плит .
Если магнитное поле планеты достаточно сильное, его взаимодействие с солнечным ветром образует магнитосферу. Первые космические зонды нанесли на карту общие размеры магнитного поля Земли, которое простирается примерно на 10 земных радиусов в сторону Солнца. Солнечный ветер, поток заряженных частиц, вырывается наружу и вокруг земного магнитного поля и продолжается за магнитным хвостом , на сотни радиусов Земли вниз по течению. Внутри магнитосферы существуют относительно плотные области частиц солнечного ветра, называемые радиационными поясами Ван Аллена. [23]
Геофизические измерения обычно проводятся в определенное время и в определенном месте. Точные измерения положения, а также деформации земли и гравитации являются прерогативой геодезии . Хотя геодезия и геофизика являются отдельными областями, они настолько тесно связаны между собой, что многие научные организации, такие как Американский геофизический союз , Канадский геофизический союз и Международный союз геодезии и геофизики, охватывают обе. [34]
Абсолютные позиции чаще всего определяются с помощью системы глобального позиционирования (GPS). Трехмерное положение рассчитывается с использованием сообщений от четырех или более видимых спутников и соотносится с Геодезической справочной системой 1980 года . Альтернативная оптическая астрономия объединяет астрономические координаты и местный вектор гравитации для получения геодезических координат. Этот метод определяет положение только в двух координатах, и его сложнее использовать, чем GPS. Тем не менее, это полезно для измерения движений Земли, таких как нутация и колебание Чендлера . Относительные положения двух или более точек можно определить с помощью интерферометрии со очень длинной базой . [34] [35] [36]
Измерения гравитации стали частью геодезии, поскольку они были необходимы для привязки измерений на поверхности Земли к базовой системе координат. Измерения силы тяжести на суше можно проводить с помощью гравиметров , установленных либо на поверхности, либо во время пролетов вертолетов. С 1960-х годов гравитационное поле Земли измеряется путем анализа движения спутников. Уровень моря также может быть измерен с помощью спутников с использованием радиолокационной альтиметрии , что способствует получению более точного геоида . [34] В 2002 году НАСА запустило эксперимент по восстановлению гравитации и климата (GRACE), в рамках которого два спутника- близнеца составляют карту изменений гравитационного поля Земли, выполняя измерения расстояния между двумя спутниками с использованием GPS и системы микроволнового измерения дальности. Изменения гравитации, обнаруженные GRACE, включают изменения, вызванные изменениями океанских течений; сток и истощение грунтовых вод; таяние ледниковых покровов и ледников. [37]
Спутники в космосе позволили собирать данные не только в видимой области света, но и в других областях электромагнитного спектра . Планеты можно охарактеризовать своими силовыми полями: гравитацией и магнитными полями , которые изучаются с помощью геофизики и космической физики.
Измерение изменений ускорения, испытываемых космическими кораблями на орбите, позволило нанести на карту мелкие детали гравитационных полей планет. Например, в 1970-х годах возмущения гравитационного поля над лунными морями были измерены с помощью лунных орбитальных аппаратов , что привело к открытию концентраций массы, масконов , под бассейнами Имбриум , Серенитатис , Крисиум , Нектарис и Гуморум . [38]
Поскольку геофизика занимается формой Земли и, в более широком смысле, картографированием объектов вокруг и на планете, геофизические измерения включают высокоточные измерения GPS. Эти измерения обрабатываются для повышения их точности посредством дифференциальной обработки GPS . После обработки и инвертирования геофизических измерений интерпретированные результаты отображаются с использованием ГИС. Такие программы, как ArcGIS и Geosoft, были созданы для удовлетворения этих потребностей и включают в себя множество встроенных геофизических функций, таких как продолжение вверх и расчет производной измерения , такой как первая вертикальная производная. [11] [39] Многие геофизические компании разработали собственные геофизические программы, которые предшествуют ArcGIS и GeoSoft, чтобы удовлетворить требования к визуализации набора геофизических данных.
Разведочная геофизика — это прикладная геофизика, в которой часто используются платформы дистанционного зондирования, такие как; спутники, самолеты, корабли, лодки, вездеходы, дроны, скважинное зондовое оборудование и сейсмические приемники. [11] Большая часть коррекции данных, собранных с использованием геофизических методов, таких как магнитные , гравиметрические , электромагнитные , радиометрические , радиолокационные , лазерные альтиметрические , барометрические и лидарные , на платформах дистанционного зондирования, включает в себя коррекцию геофизических данных, собранных с этой платформы дистанционного зондирования, из-за влияние этой платформы на геофизические данные. [11] Например, аэромагнитные данные ( магнитные данные, собранные самолетом), собранные с использованием обычных авиационных платформ с неподвижным крылом, должны быть скорректированы с учетом электромагнитных вихревых токов, которые создаются при движении самолета через магнитное поле Земли . [11] Существуют также поправки, связанные с изменениями измеренной напряженности потенциального поля при вращении Земли, при вращении Земли вокруг Солнца и при вращении Луны вокруг Земли. [11] [39]
Геофизические измерения часто записываются в виде временных рядов с указанием местоположения по GPS . Обработка сигналов включает в себя коррекцию данных временных рядов на предмет нежелательного шума или ошибок, вносимых измерительной платформой, таких как вибрации самолета в гравитационных данных. Это также предполагает уменьшение источников шума, таких как суточные поправки в магнитных данных. [11] [39] В сейсмических данных, электромагнитных данных и гравиметрических данных обработка продолжается после исправления ошибок, чтобы включить вычислительную геофизику , которая приводит к окончательной интерпретации геофизических данных в геологическую интерпретацию геофизических измерений [11] [39]
Как отдельная дисциплина геофизика возникла только в XIX веке на стыке физической географии , геологии , астрономии , метеорологии и физики. [40] [41] Первое известное использование слова «геофизика» было на немецком языке («Geophysik») Юлиусом Фребелем в 1834 году. [42] Однако многие геофизические явления, такие как магнитное поле Земли и землетрясения, были исследованы с тех пор. древняя эпоха .
Магнитный компас существовал в Китае еще в четвертом веке до нашей эры. Его использовали как для фэн-шуй , так и для навигации по суше. Только когда были изобретены хорошие стальные иглы, компасы стали использовать для навигации на море; до этого они не могли сохранять свой магнетизм достаточно долго, чтобы быть полезными. Первое упоминание о компасе в Европе относится к 1190 году нашей эры. [43]
Примерно в 240 году до нашей эры Эратосфен Киренский пришел к выводу, что Земля круглая, и с большой точностью измерил ее окружность . [44] Он разработал систему широты и долготы . [45]
Возможно, самым ранним вкладом в сейсмологию было изобретение сейсмоскопа плодовитым изобретателем Чжан Хэном в 132 году нашей эры. [46] Этот инструмент был разработан для того, чтобы бросать бронзовый шар из пасти дракона в пасть жабы. Посмотрев, у какой из восьми жаб был мяч, можно было определить направление землетрясения. Прошел 1571 год, прежде чем Жан де ла Отфей опубликовал в Европе первый проект сейсмоскопа . Он так и не был построен. [47]
Одной из публикаций, положивших начало современной науке, была книга Уильяма Гилберта «О магнете» (1600 г.), отчет о серии тщательных экспериментов по магнетизму. Гилберт пришел к выводу, что компас указывает на север, потому что сама Земля магнитна. [21]
В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свои «Начала» , которые не только заложили основы классической механики и гравитации , но также объяснили множество геофизических явлений, таких как приливы и прецессия равноденствия. [48]
Первый сейсмометр , прибор, способный вести непрерывную регистрацию сейсмической активности, был построен Джеймсом Форбсом в 1844 году. [47]
