Геофизика - Geophysics

Геофизик ( / ˌ dʒ я oʊ е ɪ г ɪ к с / ) является предметом естественных наук , связанных с физическими процессами и физическими свойствами в Земли и окружающей его космической среде, а также использование количественных методов их анализа. Термин геофизика иногда относится только к приложениям для твердой земли: форма Земли ; его гравитационное и магнитное поля ; его внутреннее строение и состав ; его динамика и их поверхностное выражение в тектонике плит , генерации магм , вулканизма и горных пород. Однако современные геофизические организации и чистые 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.

Хотя геофизика была признана отдельной дисциплиной только в 19 веке, ее истоки восходят к древним временам. Первые магнитные компасы были сделаны из магнитных камней , 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 ; были разработаны инструменты для измерения формы Земли, плотности и гравитационного поля, а также компонентов круговорота воды. В ХХ веке были разработаны геофизические методы дистанционного исследования твердой Земли и океана, и геофизика сыграла существенную роль в развитии теории тектоники плит.

Геофизика применяется для удовлетворения социальных потребностей, таких как полезные ископаемые , смягчение последствий стихийных бедствий и защита окружающей среды . В разведочной геофизике , геофизические исследования данные используются для анализа потенциала нефтяных резервуаров и месторождений полезных ископаемых, найти подземные воды, найти археологические реликвии, определить толщину ледников и почв, а также оценить сайты для восстановления окружающей среды .

Физические явления

Геофизика - это в высшей степени междисциплинарный предмет, и геофизики вносят свой вклад во все области наук о Земле . Чтобы дать более четкое представление о том, что составляет геофизику, в этом разделе описываются явления, изучаемые в физике, и их отношение к Земле и ее окружению. В геофизике принципы физики применяются для изучения «недр» Земли. В зависимости от изучаемой проблемы необходимо решить, какой метод применить. например, для исследования грунтовых вод полезен электрический метод. Для месторождений полезных ископаемых можно использовать гравиметрическую и / или магнитную съемку. Для нефти и природного газа необходимо провести гравиметрическую и магнитную съемку, чтобы получить приблизительное представление о структуре горных пород. Если желаемая структура существует, для детального изучения горных пород необходимо провести сейсмические и / или магнитотеллурические исследования.

Сила тяжести

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 отливом существует промежуток в 12 часов 25 минут.

Гравитационные силы заставляют камни давить на более глубокие породы, увеличивая их плотность с увеличением глубины. Измерения ускорения свободного падения и гравитационного потенциала на поверхности Земли и над ней можно использовать для поиска залежей полезных ископаемых (см. Аномалии силы тяжести и гравиметрию ). Гравитационное поле поверхности дает информацию о динамике тектонических плит . Геопотенциал поверхность называется геоида является определение формы Земли. Геоид был бы средним глобальным уровнем моря, если бы океаны находились в равновесии и могли бы проходить через континенты (например, с помощью очень узких каналов).

Тепловой поток

Земля охлаждается, и возникающий в результате тепловой поток создает магнитное поле Земли через геодинамо и тектонику плит через мантийную конвекцию . Основными источниками тепла являются изначальное тепло и радиоактивность , хотя есть и вклады от фазовых переходов . Тепло в основном переносится к поверхности за счет тепловой конвекции , хотя есть два тепловых пограничных слоя - граница ядро-мантия и литосфера, в которых тепло переносится за счет теплопроводности . Некоторые тепло возноситься из нижней части мантии по мантийных плюмов . Тепловой поток на поверхности Земли составляет около 4,2 × 10 ¹³ Вт , и это потенциальный источник геотермальной энергии.

Вибрации

Сейсмические волны - это колебания, которые проходят через недра Земли или вдоль ее поверхности. Вся Земля также может колебаться в формах, которые называются нормальными модами или свободными колебаниями Земли . Движение грунта от волн или нормальных мод измеряется с помощью сейсмографов . Если волны исходят от локализованного источника, такого как землетрясение или взрыв, измерения в более чем одном месте могут использоваться для определения местоположения источника. Местоположение землетрясений дает информацию о тектонике плит и мантийной конвекции.

Регистрация сейсмических волн от контролируемых источников дает информацию о регионе, через который проходят волны. При изменении плотности или состава породы отражаются волны. 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. Изменения направления движения, называемые рефракцией , можно использовать для определения глубинной структуры Земли .

Землетрясения представляют опасность для людей . Понимание их механизмов, которые зависят от типа землетрясения (например, внутриплитного или глубокого очага ), может привести к более точным оценкам риска землетрясений и улучшениям в сейсмической инженерии .

Электричество

Хотя мы в основном замечаем электричество во время грозы , у поверхности всегда есть направленное вниз электрическое поле, которое в среднем составляет 120 вольт на метр. По сравнению с твердой Землей, атмосфера имеет чистый положительный заряд из-за бомбардировки космическими лучами . В глобальной цепи течет ток около 1800 ампер . Он течет вниз из ионосферы по большей части Земли и обратно вверх во время гроз. Поток проявляется в виде молний под облаками и спрайтов наверху.

При геофизических исследованиях используются различные электрические методы. Некоторые измеряют спонтанный потенциал , потенциал, который возникает в земле из-за искусственных или естественных нарушений. Теллурические токи текут по Земле и океанам. У них две причины: электромагнитная индукция изменяющимся во времени геомагнитным полем внешнего происхождения и движение проводящих тел (таких как морская вода) через постоянное магнитное поле Земли. Распределение плотности теллурического тока можно использовать для обнаружения изменений удельного электрического сопротивления подземных сооружений. Геофизики также могут сами подавать электрический ток (см. Томографию наведенной поляризации и электросопротивления ).

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны возникают в ионосфере и магнитосфере, а также во внешнем ядре Земли . Считается, что хор рассвета вызван электронами высокой энергии, которые попадают в радиационный пояс Ван Аллена . Вистлеры производятся ударами молнии . Шипение может быть произведено обоими. Электромагнитные волны также могут быть вызваны землетрясениями (см. Сейсмо-электромагнетизм ).

В высокопроводящем жидком железе внешнего сердечника магнитные поля генерируются электрическими токами за счет электромагнитной индукции. Альфвеновские волны - это магнитогидродинамические волны в магнитосфере или ядре Земли. В ядре они, вероятно, не оказывают заметного влияния на магнитное поле Земли, но более медленные волны, такие как магнитные волны Россби, могут быть одним из источников вековой геомагнитной вариации .

Электромагнитные методы, которые используются для геофизических исследований, включают нестационарную электромагнетизм , магнитотеллурию , поверхностный ядерный магнитный резонанс и электромагнитный каротаж морского дна.

Магнетизм

Магнитное поле Земли защищает Землю от смертоносного солнечного ветра и издавна используется для навигации. Это происходит из-за жидких движений внешнего ядра. Магнитное поле в верхних слоях атмосферы вызывает полярные сияния .

Поле Земли примерно похоже на наклонный диполь , но оно меняется со временем (явление, называемое вековыми геомагнитными вариациями). В основном геомагнитный полюс остается около географического полюса , но через случайные интервалы, в среднем от 440 000 до миллиона лет или около того, полярность поля Земли меняется на противоположную. Эти геомагнитные инверсии , проанализированные в рамках шкалы времени геомагнитной полярности , содержат 184 интервала полярностей за последние 83 миллиона лет с изменением частоты во времени, причем самая последняя краткая полная инверсия события Лашампа произошла 41000 лет назад во время последнего ледникового периода. . Геологи наблюдали геомагнитную инверсию, зарегистрированную в вулканических породах, с помощью корреляции магнитостратиграфии (см. Естественную остаточную намагниченность ), и их характерные черты можно увидеть в виде параллельных полос линейной магнитной аномалии на морском дне. Эти полосы предоставляют количественную информацию о растекании морского дна , которое является частью тектоники плит. Они являются основой магнитостратиграфии , которая коррелирует магнитные инверсии с другими стратиграфиями для построения геологических шкал времени. Кроме того, намагниченность горных пород можно использовать для измерения движения континентов.

Радиоактивность

Радиоактивный распад составляет около 80% внутреннего тепла Земли , питающего геодинамо и тектонику плит. Основными изотопами, выделяющими тепло, являются калий-40 , уран-238 , уран-235 и торий-232 . 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, поэтому радиоактивный распад можно использовать для точного датирования как недавних событий, так и событий прошлых геологических эпох . 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.

Динамика жидкостей

Движение жидкости происходит в магнитосфере, атмосфере , океане, мантии и ядре. Даже мантия, хотя и имеет огромную вязкость , течет как жидкость в течение длительных интервалов времени. Этот поток отражается в таких явлениях, как изостазия , послеледниковый отскок и мантийные плюмы . Мантийный поток движет тектоникой плит, а поток в ядре Земли движет геодинамо.

Геофизическая гидродинамика является основным инструментом физической океанографии и метеорологии . Вращение Земли оказывает глубокое влияние на гидродинамику Земли, часто из-за эффекта Кориолиса . В атмосфере он порождает крупномасштабные модели, такие как волны Россби, и определяет основные модели циркуляции штормов. В океане они управляют крупномасштабными схемами циркуляции, а также волнами Кельвина и спиралями Экмана на поверхности океана. В ядре Земли циркуляция расплавленного железа организована колоннами Тейлора .

Волны и другие явления в магнитосфере можно моделировать с помощью магнитогидродинамики .

Минеральная физика

Чтобы сделать вывод о составе недр Земли на основе сейсмологических данных , геотермического градиента и других источников информации, необходимо понимать физические свойства минералов . Физики- минералы 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 путем ползучести делает возможным течение, хотя в течение короткого времени породы становятся хрупкими. Вязкость пород зависит от температуры и давления, и в свою очередь определяет скорости , при которой движутся тектонические плиты.

Вода - очень сложное вещество, и ее уникальные свойства необходимы для жизни. Его физические свойства формируют гидросферу и являются важной частью круговорота воды и климата . Его термодинамические свойства определяют испарение и температурный градиент в атмосфере. Многие типы осаждения включают сложную смесь таких процессов, как коалесценция , переохлаждение и перенасыщение . Некоторая выпавшая в осадок вода становится грунтовой водой , и поток грунтовых вод включает в себя 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, сильно влияют на ее движение в океанах.

Множество фаз льда образуют криосферу и принимают форму ледяных щитов , ледников , морского льда , пресноводного льда, снега и мерзлого грунта (или вечной мерзлоты ).

Регионы Земли

Размер и форма Земли

Земля имеет примерно сферическую форму, но она выпирает к экватору , поэтому имеет примерно форму эллипсоида (см. Земной эллипсоид ). Эта выпуклость возникает из-за ее вращения и почти соответствует состоянию Земли в гидростатическом равновесии. Однако на детальную форму Земли также влияет расположение континентов и океанических бассейнов и, в некоторой степени, динамика плит.

Структура интерьера

Данные сейсмологии, теплового потока на поверхности и физики минералов в сочетании с массой и моментом инерции Земли позволяют вывести модели недр Земли - ее состав, плотность, температуру, давление. Например, средний удельный вес Земли ( 5,515 ) намного выше, чем типичный удельный вес горных пород на поверхности ( 2,7–3,3 ), что означает, что более глубокий материал более плотный. Это также подразумевается его низким моментом инерции ( 0,33 MR ² по сравнению с 0,4 MR ² для сферы постоянной плотности). Однако отчасти увеличение плотности связано 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.

Реконструкции сейсмических волн в глубоких недрах Земли показывают, что во внешнем ядре нет S-волн . Это указывает на то, что внешнее ядро ​​жидкое, потому что жидкости не могут выдерживать сдвиг. Внешнее ядро ​​жидкое, и движение этой жидкости с высокой проводимостью создает поле Земли. Однако внутреннее ядро ​​Земли твердое из-за огромного давления.

Реконструкция сейсмических отражений в глубоких недрах указывает на некоторые серьезные нарушения непрерывности сейсмических скоростей, 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 Мохоровичич .

Сейсмическая модель Земли сама по себе не определяет состав слоев. Для полной модели Земли физика минералов необходима для интерпретации сейсмических скоростей с точки зрения состава. Минеральные свойства в зависимости от температуры, поэтому Geotherm также должны быть определены. Это требует физической теории теплопроводности и конвекции, а также теплового вклада радиоактивных элементов . Основной моделью радиальной структуры недр Земли является предварительная эталонная модель Земли (PREM). Некоторые части этой модели были обновлены недавними открытиями в физике минералов (см. Постперовскит ) и дополнены сейсмической томографией . Мантия в основном состоит из силикатов , а границы между слоями мантии соответствуют фазовым переходам.

Мантия действует как твердое тело для сейсмических волн, но при высоких давлениях и температурах она деформируется так, что в течение миллионов лет действует как жидкость. Это делает возможной тектонику плит .

Магнитосфера

Если магнитное поле планеты достаточно сильное, ее взаимодействие с солнечным ветром образует магнитосферу. Ранние космические зонды нанесли на карту общие размеры магнитного поля Земли, которое простирается примерно на 10 радиусов Земли по направлению к Солнцу. Солнечный ветер, поток заряженных частиц, течет наружу и вокруг магнитного поля Земли и продолжается за магнитным хвостом , на сотни радиусов Земли вниз по течению. Внутри магнитосферы есть относительно плотные области частиц солнечного ветра, называемые радиационными поясами Ван Аллена.

Методы

Геодезия

Геофизические измерения обычно проводятся в определенное время и в определенном месте. Точные измерения местоположения, наряду с деформацией земли и гравитацией, являются областью геодезии . Хотя геодезия и геофизика - отдельные области, они настолько тесно связаны, что многие научные организации, такие как Американский геофизический союз , Канадский геофизический союз и Международный союз геодезии и геофизики, охватывают и то, и другое.

Абсолютные координаты чаще всего определяются с помощью глобальной системы позиционирования (GPS). Трехмерное положение рассчитывается с использованием сообщений от четырех или более видимых спутников и относится к Геодезической справочной системе 1980 года . Альтернатива, оптическая астрономия , объединяет астрономические координаты и местный вектор гравитации для получения геодезических координат. Этот метод обеспечивает только положение в двух координатах и ​​его сложнее использовать, чем GPS. Однако он полезен для измерения движений Земли, таких как нутация и чендлеровское колебание . Относительное положение двух или более точек можно определить с помощью интерферометрии с очень длинной базой .

Измерения силы тяжести стали частью геодезии, потому что они были необходимы для привязки измерений на поверхности Земли к опорной системе координат. Измерения силы тяжести на суше могут производиться с помощью гравиметров, установленных либо на поверхности, либо на эстакадах вертолетов. С 1960-х годов гравитационное поле Земли измеряется путем анализа движения спутников. Уровень моря также может быть измерен спутниками с помощью радиолокационной альтиметрии , что способствует более точному геоиду . В 2002 году НАСА запустило эксперимент по восстановлению гравитации и климату (GRACE), в котором два спутника-близнеца отображают вариации гравитационного поля Земли путем измерения расстояния между двумя спутниками с помощью GPS и системы микроволнового измерения дальности. Изменения силы тяжести, обнаруженные GRACE, включают изменения, вызванные изменениями океанских течений; сток и истощение грунтовых вод; таяние ледяных щитов и ледников.

Спутники и космические зонды

Спутники в космосе позволили собирать данные не только из области видимого света, но и из других областей электромагнитного спектра . Планеты можно охарактеризовать их силовыми полями: гравитацией и их магнитными полями, которые изучаются с помощью геофизики и космической физики.

Измерение изменений ускорения, испытываемого космическими аппаратами на орбите, позволило нанести на карту мельчайшие детали гравитационных полей планет. Например, в 1970 - х годах, возмущение гравитационного поля выше лунных морей было измерено с помощью лунных орбитальных аппаратов , что привело к обнаружению концентрации массы, масконы , под Дождями , Ясность , Кризисы , Нектар и Влажность бассейнов.

История

Геофизика возникла как отдельная дисциплина только в XIX веке на стыке физической географии , геологии , астрономии , метеорологии и физики. Однако многие геофизические явления, такие как магнитное поле Земли и землетрясения, исследовались с древнейших времен .

Древние и классические эпохи

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 после того, как стали выкованы хорошие стальные иглы, компасы стали использоваться для навигации в 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.

Примерно в 240 г. до н.э. Эратосфен из Кирены пришел к выводу, что Земля круглая, и измерил ее окружность с большой точностью. Он разработал систему широты и долготы .

Возможно, самым ранним вкладом в сейсмологию было изобретение сейсмоскопа плодовитым изобретателем Чжаном Хэном в 132 году нашей эры. 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 мяч, можно было определить направление землетрясения. Это было за 1571 год до того, как Жан де ла Отфёй опубликовал в Европе первый проект сейсмоскопа . Его так и не построили.

Начала современной науки

Одна из публикаций , которые ознаменовали начало современной науки был Уильям Гильберт «s De Magnete (1600), отчет о серии тщательных экспериментов в магнетизме. Гилберт пришел к выводу, что компасы указывают на север, потому что сама Земля магнитная.

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.

Первый сейсмометр , прибор, способный вести непрерывный учет сейсмической активности, был построен Джеймсом Форбсом в 1844 году.

Смотрите также

• Наука о земных системах  - Научное изучение сфер Земли и их естественных интегрированных систем.
• Список геофизиков  - статья со списком Википедии
• Очерк геофизики  - Темы физики Земли и ее окрестностей
• Геодинамика  - Изучение динамики Земли
• Планетарная наука  - Наука о планетах и ​​планетных системах

Примечания

использованная литература

внешние ссылки

• Справочное руководство по методам и приложениям приповерхностной геофизики
• Комиссия по геофизическим рискам и устойчивости (GeoRisk), Международный союз геодезии и геофизики (IUGG)
• Исследование глубоких недр Земли, комитет IUGG
• Профсоюзные комиссии (IUGG)
• Программа геомагнетизма USGS
• Карьерный ящик: сейсмический процессор
• Общество геофизиков-исследователей