Геофизика ( / ˌ dʒ iː oʊ ˈ f ɪ z ɪ k s / ) — это предмет естественной науки, занимающийся физическими процессами и физическими свойствами Земли и окружающей ее космической среды, а также использованием количественных методов для их анализа. Геофизики, которые обычно изучают геофизику, физику или одну из наук о Земле на уровне аспирантуры, выполняют исследования по широкому кругу научных дисциплин. Термин геофизика классически относится к приложениям, связанным с твердой землей: форма Земли ; ее гравитационные , магнитные поля и электромагнитные поля ; ее внутренняя структура и состав ; ее динамика и их поверхностное выражение в тектонике плит , генерация магм , вулканизм и формирование горных пород. [3] Однако современные геофизические организации и чистые ученые используют более широкое определение, которое включает круговорот воды , включая снег и лед; гидродинамику океанов и атмосферы ; электричество и магнетизм в ионосфере и магнитосфере и солнечно-земную физику ; и аналогичные проблемы, связанные с Луной и другими планетами. [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Хотя геофизика была признана как отдельная дисциплина только в 19 веке, ее истоки восходят к древности. Первые магнитные компасы были сделаны из магнитных железняков , в то время как более современные магнитные компасы сыграли важную роль в истории навигации. Первый сейсмический инструмент был построен в 132 году нашей эры. Исаак Ньютон применил свою теорию механики к приливам и прецессии равноденствия ; и были разработаны приборы для измерения формы Земли, плотности и гравитационного поля, а также компонентов круговорота воды. В 20 веке были разработаны геофизические методы для дистанционного исследования твердой Земли и океана, и геофизика сыграла существенную роль в развитии теории тектоники плит.
Геофизика применяется для решения общественных задач, таких как добыча полезных ископаемых , 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 местоположения подземных вод, поиска археологических реликвий, определения толщины ледников и почв, а также оценки участков для восстановления окружающей среды .
Геофизика является в высшей степени междисциплинарным предметом, и геофизики вносят вклад в каждую область наук о Земле , в то время как 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 как они связаны с Землей и ее окружением. Геофизики также исследуют физические процессы и свойства Земли, ее жидких слоев и магнитного поля вместе с околоземной средой в Солнечной системе , которая включает другие планетные тела.
Гравитационное притяжение Луны и Солнца приводит к двум приливам и двум отливам каждые лунные сутки, или каждые 24 часа и 50 минут. Таким образом, между каждым приливом и между каждым отливом есть промежуток в 12 часов и 25 минут. [9]
Гравитационные силы заставляют камни давить на более глубокие камни, увеличивая их плотность по мере увеличения глубины. [10] Измерения гравитационного ускорения и гравитационного потенциала на поверхности Земли и над ней могут быть использованы для поиска месторождений полезных ископаемых (см. гравитационная аномалия и гравиметрия ). [11] Поверхностное гравитационное поле предоставляет информацию о динамике тектонических плит . Геопотенциальная поверхность, называемая геоидом, является одним из определений формы Земли. Геоид был бы глобальным средним уровнем моря, если бы океаны находились в равновесии и могли бы быть расширены через континенты (например, с помощью очень узких каналов). [12]
Земля охлаждается, и результирующий тепловой поток генерирует магнитное поле Земли через геодинамо и тектонику плит через конвекцию мантии . [13] Основными источниками тепла являются: первичное тепло из-за охлаждения Земли и радиоактивность в верхней коре планеты. [14] Также есть некоторый вклад от фазовых переходов . Тепло в основном переносится на поверхность тепловой конвекцией , хотя есть два тепловых пограничных слоя — граница ядро-мантия и литосфера — в которых тепло переносится за счет проводимости . [15] Часть тепла переносится со дна мантии мантийными плюмами . Тепловой поток на поверхности Земли составляет около 4,2 × 10 13 Вт , и он является потенциальным источником геотермальной энергии. [16]
Сейсмические волны — это колебания, которые распространяются по недрам Земли или по ее поверхности. [17] Вся Земля также может колебаться в формах, которые называются нормальными модами или свободными колебаниями Земли . Движения грунта от волн или нормальных мод измеряются с помощью сейсмографов . Если волны исходят из локализованного источника, такого как землетрясение или взрыв, измерения в более чем одном месте могут быть использованы для определения местоположения источника. Места землетрясений предоставляют информацию о тектонике плит и конвекции мантии. [18] [19]
Регистрация сейсмических волн от контролируемых источников дает информацию о регионе, через который проходят волны. Если плотность или состав горной породы изменяется, волны отражаются. Отражения, записанные с помощью сейсмологии отражений, могут предоставить массу информации 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 , могут использоваться для определения глубинной структуры Земли . [19]
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 усовершенствованиям в сейсмостойком строительстве . [20]
Хотя мы в основном замечаем электричество во время гроз , у поверхности всегда есть направленное вниз электрическое поле, которое в среднем составляет 120 вольт на метр. [21] Относительно твердой Земли ионизация атмосферы планеты является результатом проникновения в нее галактических космических лучей , которые оставляют ее с чистым положительным зарядом. [22] Ток около 1800 ампер течет в глобальной цепи. [21] Он течет вниз от ионосферы над большей частью Земли и обратно вверх через грозы. Поток проявляется в виде молний под облаками и спрайтов над ними.
В геофизической разведке используются различные электрические методы. Некоторые измеряют спонтанный потенциал , потенциал, который возникает в земле из-за искусственных или естественных возмущений. Теллурические токи текут в Земле и океанах. Они имеют две причины: электромагнитная индукция, вызванная изменяющимся во времени внешним геомагнитным полем и движением проводящих тел (например, морской воды) через постоянное магнитное поле Земли. [23] Распределение плотности теллурического тока может быть использовано для обнаружения изменений в электрическом сопротивлении подземных сооружений. Геофизики также могут сами обеспечивать электрический ток (см. томография индуцированной поляризации и электрического сопротивления ).
Электромагнитные волны возникают в ионосфере и магнитосфере, а также во внешнем ядре Земли . Считается, что хор рассвета вызывается высокоэнергетическими электронами, которые попадают в радиационный пояс Ван Аллена . Свистящие звуки возникают при ударах молний . Шипение может быть вызвано обоими. Электромагнитные волны также могут быть вызваны землетрясениями (см. сейсмоэлектромагнетизм ).
В высокопроводящем жидком железе внешнего ядра магнитные поля генерируются электрическими токами посредством электромагнитной индукции. Альфвеновские волны являются магнитогидродинамическими волнами в магнитосфере или ядре Земли. В ядре они, вероятно, оказывают малое наблюдаемое влияние на магнитное поле Земли, но более медленные волны, такие как магнитные волны Россби, могут быть одним из источников геомагнитных вековых вариаций . [24]
Электромагнитные методы, которые используются для геофизической разведки, включают переходную электродинамику , магнитотеллурию , поверхностный ядерный магнитный резонанс и электромагнитный каротаж морского дна. [25]
Магнитное поле Земли защищает Землю от смертоносного солнечного ветра и давно используется для навигации. Оно возникает в результате движения жидкости внешнего ядра. [24] Магнитное поле в верхних слоях атмосферы вызывает полярные сияния . [ 26]
Поле Земли примерно похоже на наклонный диполь , но оно меняется со временем (явление, называемое геомагнитной вековой вариацией). В основном геомагнитный полюс остается вблизи географического полюса , но в случайные интервалы, в среднем от 440 000 до миллиона лет или около того, полярность поля Земли меняется. Эти геомагнитные инверсии , проанализированные в рамках шкалы времени геомагнитной полярности , содержат 184 интервала полярности за последние 83 миллиона лет с изменением частоты с течением времени, причем самая последняя кратковременная полная инверсия события Лашампа произошла 41 000 лет назад во время последнего ледникового периода . Геологи наблюдали геомагнитную инверсию, зафиксированную в вулканических породах, с помощью магнитостратиграфической корреляции (см. естественная остаточная намагниченность ), и их сигнатура может рассматриваться как параллельные линейные полосы магнитной аномалии на морском дне. Эти полосы предоставляют количественную информацию о спрединге морского дна , части тектоники плит. Они являются основой магнитостратиграфии , которая сопоставляет магнитные инверсии с другими стратиграфиями для построения геологических временных шкал. [27] Кроме того, намагниченность в горных породах может быть использована для измерения движения континентов. [24]
Радиоактивный распад составляет около 80% внутреннего тепла Земли , питая геодинамо и тектонику плит. [28] Основными изотопами , производящими тепло, являются калий-40 , уран-238 , уран-235 и торий-232 . [29] Радиоактивные элементы используются для радиометрического датирования , основного метода установления абсолютной шкалы времени в геохронологии .
Нестабильные изотопы распадаются с предсказуемой скоростью, а скорости распада различных изотопов охватывают несколько порядков величины, поэтому радиоактивный распад может быть использован для точного датирования как недавних событий, так и событий прошлых геологических эпох . [30] Радиометрическое картирование с использованием наземной и воздушной гамма-спектрометрии может быть использовано для картирования концентрации и распределения радиоизотопов вблизи поверхности Земли, что полезно для картирования литологии и изменений. [31] [32]
Движения жидкости происходят в магнитосфере, атмосфере , океане, мантии и ядре. Даже мантия, хотя она и имеет огромную вязкость , течет как жидкость в течение длительных интервалов времени. Этот поток отражается в таких явлениях, как изостазия , постледниковый отскок и мантийные плюмы . Поток мантии управляет тектоникой плит, а поток в ядре Земли управляет геодинамо. [24]
Геофизическая динамика жидкости является основным инструментом в физической океанографии и метеорологии . Вращение Земли оказывает глубокое влияние на динамику жидкости Земли, часто из-за эффекта Кориолиса . В атмосфере оно порождает крупномасштабные модели, такие как волны Россби , и определяет основные модели циркуляции штормов. В океане они управляют крупномасштабными моделями циркуляции, а также волнами Кельвина и спиралями Экмана на поверхности океана. [33] В ядре Земли циркуляция расплавленного железа структурирована колоннами Тейлора . [24]
Волны и другие явления в магнитосфере можно моделировать с помощью магнитогидродинамики .
Физические свойства минералов должны быть поняты, чтобы вывести состав недр Земли из сейсмологии , геотермического градиента и других источников информации. Физики-минералоги изучают упругие свойства минералов; их фазовые диаграммы высокого давления , точки плавления и уравнения состояния при высоком давлении; и реологические свойства горных пород или их способность течь. Деформация горных пород ползучестью делает текучесть возможной, хотя в течение короткого времени горные породы становятся хрупкими. Вязкость горных пород зависит от температуры и давления и, в свою очередь, определяет скорости, с которыми движутся тектонические плиты. [10]
Вода является очень сложным веществом, и ее уникальные свойства необходимы для жизни. [34] Ее физические свойства формируют гидросферу и являются неотъемлемой частью круговорота воды и климата . Ее термодинамические свойства определяют испарение и температурный градиент в атмосфере . Многие типы осадков включают сложную смесь процессов, таких как коалесценция , переохлаждение и пересыщение . [35] Часть осажденной воды становится грунтовой водой , а поток грунтовых вод включает такие явления, как просачивание , в то время как 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. [33]
Многочисленные фазы льда образуют криосферу и существуют в таких формах, как ледяные щиты , ледники , морской лед , пресноводный лед, снег и мерзлый грунт (или вечная мерзлота ). [36]
Вопреки распространенному мнению, Земля не полностью сферическая, а вместо этого в целом имеет эллипсоидную форму, что является результатом центробежных сил, которые планета генерирует из-за своего постоянного движения. [37] Эти силы заставляют диаметр планеты выпячиваться к экватору и приводят к форме эллипса . [37] Форма Земли постоянно меняется, и различные факторы, включая ледниковый изостатический отскок (таяние больших ледяных щитов, вызывающее отскок земной коры из-за высвобождения давления [38] ), геологические особенности, такие как горы или океанические впадины , динамика тектонических плит и стихийные бедствия , могут еще больше исказить форму планеты. [37]
Данные сейсмологии , теплового потока на поверхности и физики минералов объединяются с массой и моментом инерции Земли для выведения моделей недр Земли – ее состава, плотности, температуры, давления. Например, средний удельный вес Земли ( 5,515 ) намного выше, чем типичный удельный вес горных пород на поверхности ( 2,7–3,3 ), что подразумевает, что более глубокий материал плотнее. Это также подразумевается его низким моментом инерции ( 0,33 MR 2 по сравнению с 0,4 MR 2 для сферы постоянной плотности). Однако часть увеличения плотности – это сжатие под огромным давлением внутри Земли. Эффект давления можно рассчитать с помощью уравнения Адамса–Вильямсона . Вывод заключается 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 глубине Земли показывают, что во внешнем ядре нет S-волн . Это указывает на то, что внешнее ядро жидкое, потому что жидкости не могут поддерживать сдвиг. Внешнее ядро жидкое, и движение этой высокопроводящей жидкости генерирует поле Земли. Внутреннее ядро Земли , однако, твердое из-за огромного давления. [12]
Реконструкция сейсмических отражений в глубоких недрах указывает на некоторые крупные разрывы в сейсмических скоростях, которые разграничивают основные зоны Земли: внутреннее ядро , внешнее ядро , мантию, литосферу и кору . Сама мантия делится 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 минеральная физика для интерпретации сейсмических скоростей с точки зрения состава. Свойства минералов зависят от температуры, поэтому геотерма также должна быть определена. Для этого требуется физическая теория теплопроводности и конвекции , а также тепловой вклад радиоактивных элементов . Основной моделью радиальной структуры недр Земли является предварительная эталонная модель Земли (PREM). Некоторые части этой модели были обновлены недавними открытиями в области минералогии (см. постперовскит ) и дополнены сейсмической томографией . Мантия в основном состоит из силикатов , а границы между слоями мантии согласуются с фазовыми переходами. [10]
Мантия действует как твердое тело для сейсмических волн, но под воздействием высоких давлений и температур она деформируется так, что на протяжении миллионов лет она действует как жидкость. Это делает возможной тектонику плит .
Если магнитное поле планеты достаточно сильное, его взаимодействие с солнечным ветром образует магнитосферу. Ранние космические зонды составили карту общих размеров магнитного поля Земли, которое простирается примерно на 10 радиусов Земли в сторону Солнца. Солнечный ветер, поток заряженных частиц, вытекает и огибает земное магнитное поле и продолжается за магнитным хвостом , на сотни радиусов Земли вниз по течению. Внутри магнитосферы находятся относительно плотные области частиц солнечного ветра, называемые радиационными поясами Ван Аллена. [26]
Геофизические измерения обычно проводятся в определенное время и в определенном месте. Точные измерения положения, наряду с деформацией Земли и гравитацией, являются областью геодезии . Хотя геодезия и геофизика являются отдельными областями, они настолько тесно связаны, что многие научные организации, такие как Американский геофизический союз , Канадский геофизический союз и Международный союз геодезии и геофизики , охватывают обе. [39]
Абсолютные позиции чаще всего определяются с помощью глобальной системы позиционирования (GPS). Трехмерная позиция вычисляется с использованием сообщений от четырех или более видимых спутников и ссылается на Геодезическую систему отсчета 1980 года . Альтернатива, оптическая астрономия , объединяет астрономические координаты и локальный вектор силы тяжести для получения геодезических координат. Этот метод обеспечивает только позицию в двух координатах и более сложен в использовании, чем GPS. Однако он полезен для измерения движений Земли, таких как нутация и колебание Чандлера . Относительные позиции двух или более точек можно определить с помощью интерферометрии со сверхдлинной базой . [39] [40] [41]
Измерения силы тяжести стали частью геодезии, поскольку они были необходимы для сопоставления измерений на поверхности Земли с опорной системой координат. Измерения силы тяжести на суше можно проводить с помощью гравиметров, размещенных либо на поверхности, либо во время пролетов вертолетов. С 1960-х годов гравитационное поле Земли измерялось путем анализа движения спутников. Уровень моря также может быть измерен спутниками с помощью радиолокационной альтиметрии , что способствует более точному геоиду . [39] В 2002 году НАСА запустило эксперимент по восстановлению силы тяжести и изменению климата (GRACE), в котором два спутника- близнеца отображают изменения гравитационного поля Земли, выполняя измерения расстояния между двумя спутниками с помощью GPS и микроволновой системы дальномерности. Изменения силы тяжести, обнаруженные GRACE, включают изменения, вызванные изменениями в океанических течениях; стоком и истощением грунтовых вод; таянием ледяных щитов и ледников. [42]
Спутники в космосе позволили собирать данные не только из области видимого света, но и из других областей электромагнитного спектра . Планеты можно охарактеризовать по их силовым полям: гравитации и магнитным полям , которые изучаются геофизикой и космической физикой.
Измерение изменений ускорения, испытываемых космическими аппаратами по мере их движения по орбите, позволило нанести на карту мельчайшие 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 Дождей , Ясности , Кризисов , Нектара и Гуморума . [43]
Поскольку геофизика занимается формой Земли и, как следствие, картографированием объектов вокруг и внутри планеты, геофизические измерения включают высокоточные измерения GPS. Эти измерения обрабатываются для повышения их точности с помощью дифференциальной обработки GPS. После обработки и инвертирования геофизических измерений интерпретированные результаты наносятся на график 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 вычисление производной измерения , такой как первая вертикальная производная. [11] [44] Многие геофизические компании разработали внутренние геофизические программы, которые предшествуют ArcGIS и GeoSoft, чтобы удовлетворить требования визуализации геофизического набора данных.
Разведочная геофизика — это раздел прикладной геофизики, который включает в себя разработку и использование различных сейсмических или электромагнитных методов, которые направлены на исследование различных энергетических, минеральных и водных ресурсов. [45] Это делается с помощью использования различных платформ дистанционного зондирования, таких как: спутники , самолеты , лодки , беспилотники , скважинное зондирующее оборудование и сейсмические приемники . Это оборудование часто используется в сочетании с различными геофизическими методами, такими как магнитные , гравиметрические , электромагнитные , радиометрические , барометрические методы, для сбора данных. Платформы дистанционного зондирования, используемые в разведочной геофизике, не идеальны и требуют настройки, выполняемой на них, чтобы точно учитывать эффекты, которые сама платформа может оказывать на собранные данные. Например, при сборе аэромагнитных данных (самолет собирал магнитные данные) с использованием обычного самолета с фиксированным крылом — платформа должна быть настроена для учета электромагнитных токов, которые она может генерировать при прохождении через магнитное поле Земли . [11] Существуют также поправки, связанные с изменениями в измеренной интенсивности потенциального поля по мере вращения Земли, по мере того, как Земля вращается вокруг Солнца, и по мере того, как Луна вращается вокруг Земли. [11] [44]
Геофизические измерения часто регистрируются как временные ряды с местоположением GPS . Обработка сигнала включает в себя коррекцию данных временных рядов для нежелательных шумов или ошибок, вносимых измерительной платформой, таких как вибрации самолета в гравитационных данных. Она также включает в себя уменьшение источников шума, таких как суточные поправки в магнитных данных. [11] [44] В сейсмических данных, электромагнитных данных и гравитационных данных обработка продолжается после исправления ошибок, чтобы включить вычислительную геофизику , которая приводит к окончательной интерпретации геофизических данных в геологическую интерпретацию геофизических измерений [11] [44]
Геофизика возникла как отдельная дисциплина только в 19 веке на стыке физической географии , геологии , астрономии , метеорологии и физики. [46] [47] Первое известное использование слова «геофизика» было в немецком языке («Geophysik») Юлиусом Фрёбелем в 1834 году. [48] Однако многие геофизические явления, такие как магнитное поле Земли и землетрясения, исследовались еще с древнейших времен .
Магнитный компас существовал в Китае еще в четвертом веке до нашей эры. Он использовался как для фэн-шуй, так и для навигации на суше. Только когда удалось выковать хорошие стальные иглы, компасы стали использоваться 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. [49]
Около 240 г. до н.э. Эратосфен из Кирены пришел к выводу, что Земля круглая, и с большой точностью измерил окружность Земли . [50] Он разработал систему широты и долготы . [51]
Возможно, самым ранним вкладом в сейсмологию было изобретение сейсмоскопа плодовитым изобретателем Чжан Хэном в 132 году нашей эры. [52] Этот инструмент был разработан для того, чтобы бросать бронзовый шар из пасти дракона в пасть жабы. Глядя на то, у какой из восьми жаб был шар, можно было определить направление землетрясения. Это было за 1571 год до того, как в Европе был опубликован первый проект сейсмоскопа Жаном де ла Отфейлем . Он так и не был построен. [53]
XVII век ознаменовался важными вехами, которые ознаменовали начало современной науки. В 1600 году Уильям Гилберт выпустил публикацию под названием De Magnete (1600), в которой он провел серию экспериментов как с естественными магнитами (называемыми «магнитными камнями »), так и с искусственно намагниченным железом. [54] Его эксперименты привели к наблюдениям с участием небольшой стрелки компаса ( версориум ), которая воспроизводила магнитное поведение при воздействии сферического магнита, а также испытывала « магнитные провалы », когда ее поворачивали на горизонтальной оси. [54] Его открытия привели к выводу, что компасы указывают на север, поскольку сама Земля является гигантским магнитом. [54]
В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свой труд под названием «Начала» , который сыграл решающую роль в развитии современных научных областей, таких как астрономия и физика . [55] В нем Ньютон заложил основы классической механики и гравитации , а также объяснил различные геофизические явления, такие как прецессия равноденствия (орбита целых звездных узоров вдоль оси эклиптики ). [56] Теория гравитации Ньютона приобрела такой большой успех, что это привело к изменению главной цели физики в ту эпоху — раскрытию фундаментальных сил природы и их описанию в законах. [55]
Первый сейсмометр , прибор, способный вести непрерывную запись сейсмической активности, был построен Джеймсом Форбсом в 1844 году. [53]
