Какая наука изучает физические свойства земли и физические процессы

1. География. Современная энциклопедия

геофи́зика

(физика Земли ), комплекс наук, изучающих физические свойства Земли в целом и физические процессы, происходящие в её оболочках. Соответственно различаются: физика твёрдой Земли, охватывающая направления исследования внутренних оболочек планеты; гидрофизика и физика атмосферы. Они тесно смыкаются с науками, относящимися к геологии и географии.

В рамках первой группы выделяются: сейсмология, которая изучает акустическое поле Земли, землетрясения и связанные с ними явления; геомагнетизм, рассматривающий магнитное и электрическое поля Земли, их неоднородность в пространстве и изменение во времени; гравиметрия – изучает гравитационное поле Земли и его распределение в пространстве; геотермия, посвящённая тепловому полю планеты, гл. обр. тепловому режиму земной коры; ядерная геофизика, исследующая естественное радиоактивное излучение; разведочная геофизика, которая использует широкий спектр физических методов при поиске и разведке полезных ископаемых, при решении других народно-хоз. задач.

Гидрофизика – составная часть океанологии и гидрологии. Физика атмосферы фактически смыкается с метеорологией и синоптикой и имеет большое значение для прогнозирования погодных явлений.

Первые трактаты и сводки по физическим явлениям на Земле были известны со времён Средневековья, но на научную основу геофизические исследования были поставлены уже в 19 в. Они связаны с именами И. Ньютона, К. Ф. Гаусса, А. Гумбольдта и др. выдающихся учёных. Последнее столетие характеризуется бурным развитием геофизических методов исследования земной коры. Появилась разветвлённая сеть станций и пунктов наблюдения за физическими полями Земли, накоплен обширный фактический материал и сделаны принципиально важные теоретические обобщения. Они позволили установить внутреннее строение Земли, открыть ряд месторождений полезных ископаемых, поставить на научную основу прогноз многих опасных природных явлений.

комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Геофизика в широком смысле изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озер, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию).

В настоящей статье рассматривается исключительно физика твердой Земли, основными разделами которой являются сейсмология, геодезия, гравиметрия, геомагнетизм, геоэлектрика, геотермия, реология, физика минералов и горных пород. Прикладная геофизика разрабатывает методы и теорию геофизической съемки и геофизической разведки, главным образом с целью поиска месторождений полезных ископаемых (см. ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА). Морская геофизика проводит исследования в морях и океанах.

Геофизика использует данные других наук, в основном физики и геологии, а также математики, астрономии, кристаллографии, геохимии. Большое влияние на развитие геофизики оказали результаты космических исследований и развитие теории тектоники плит. ЗЕМЛЯ.

Сейсмология изучает землетрясения, их механизмы и последствия, распространение сейсмических волн, а также все виды движений земной коры, которые регистрируются сейсмографами на суше и на дне океанов и морей. Наиболее активные землетрясения наблюдаются в ослабленных зонах вдоль границ тектонических плит. При этом возбуждаются три типа сейсмических волн: продольные (P), поперечные (S) и поверхностные (волны Лява и Рэлея). Сильные землетрясения могут также возбуждать свободные колебания всей Земли.

Выбором сейсмически безопасных мест для строительства проектируемых сейсмостойких сооружений занимается инженерная сейсмология. Реальной методологии точного прогноза времени и места землетрясений пока не существует. Известно, что наиболее сильные землетрясения сопровождают процесс субдукции (поддвига) в глубоководных желобах или движения по трансформным разломам. Это позволяет прогнозировать районы возможных землетрясений. Информация о силе ожидаемых толчков крайне необходима для определения возможной интенсивности сейсмических воздействий на такие сооружения, как ядерные реакторы, плотины, мосты и здания.

Сейсмические методы используются для изучения внутреннего строения Земли в целом и ее структуры на разных глубинах. Следует отметить, что на основе результатов сейсмических исследований установлено, что Земля состоит из ядра, мантии и земной коры. Использование цифровых сейсмографов сыграло огромную роль в изучении земных недр и позволило регистрировать землетрясения. По данным об изменениях скоростей волн была составлена трехмерная схема строения мантии. Структура верхней мантии, определяемая по скоростям сейсмических волн, различна для районов срединно-океанических хребтов и материков и соответствует распределению теплового потока. Сходная картина в изменениях скоростей волн отмечается и в нижней мантии, однако они не коррелируют с макрорельефом поверхности Земли. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ.

Геодезия исследует главным образом форму Земли. Различают две геодезические задачи: определение параметров сфероида или эллипсоида (дающего наилучшее совпадение с поверхностью моря), в первом приближении аппроксимирующего форму Земли, и измерение отклонений действительной поверхности геоида от сфероида. По существу, форма Земли представляет собой эллипсоид вращения, слегка сплющенный на полюсах. Определение формы геоида и сфероида осуществляется в основном путем сочетания наземной геодезической съемки и изучения орбит искусственных спутников Земли. Изменения формы Земли, связанные с перемещением литосферных плит, определяются по данным радиоинтерферометрии и Системы глобального определения местоположения (GPS). ГЕОДЕЗИЯ.

Гравиметрия занимается изучением гравитационного поля Земли. Локальные вариации этого поля, связанные с плотностными неоднородностями в пределах земной коры, используются для определения положения рудных тел. Полагают, что рельеф земной поверхности и плотностные изменения внутри земной коры с глубиной взаимно компенсируются, поэтому удовлетворительная корреляция между гравитационными аномалиями протяженностью 100-1000 км и рельефом не наблюдается.

Геомагнетизм исследует магнитное поле Земли (его источники и изменения на протяжении геологической истории Земли), а также магнитные свойства горных пород. Принято считать, что магнитное поле Земли обусловлено электрическими токами в жидком внешнем ядре, его напряженность изменяется с периодичностью от 100 до 10 000 лет, а полярность подвержена обращениям (инверсиям). Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют изучать происхождение и изменения во времени геомагнитного поля и служат ключевой информацией для развития теории тектоники плит и дрейфа материков. геомагнетизм.

магнитное поле Земли.

Геоэлектрика изучает изменяющуюся с глубиной электропроводность Земли путем наблюдений за изменениями магнитного поля. Взаимодействие вариаций магнитного и электрического полей, обусловленных как естественными, так и искусственно индуцированными токами, используется в магнитотеллурическом зондировании при разведке полезных ископаемых и для изучения строения нижней части коры и верхней мантии. геофизическая разведка.

Геотермические исследования основаны на измерении теплового потока и теплопроводности, а также радиоактивности вблизи поверхности, которые затем экстраполируются на глубину. Тепловое излучение Солнца оказывает незначительный эффект на недра Земли. Точно так же энергия, высвобождаемая при землетрясениях и приливном трении, мала по сравнению с геотермальными потерями тепла. Предполагается, что главный источник тепла в Земле обусловлен радиоактивным распадом долгоживущих радионуклидов, а также высвобождением гравитационной энергии и распадом короткоживущих радионуклидов. Современный тепловой поток Земли подвержен большим изменениям. На материках он зависит от радиоактивности коренных пород, причем на долю мантии приходится примерно половина общего теплового потока. В океанах он вдвое больше, чем на материках, и обусловлен, главным образом, конвекцией в мантии.

На глубинах ниже 100 км распределение температур и источников тепла, а также механизм его переноса точно не установлены. Конвекция, вероятно, происходит в верхней мантии и внешнем ядре, но неясно, насколько она активна в нижней мантии. На ранних этапах истории Земли термальная конвекция могла быть более интенсивной. В вулканических областях, срединно-океанических хребтах и областях гидротермальной активности обнаружен более высокий тепловой поток.

Реология занимается изучением остаточных деформаций и течения вязких и пластичных материалов. Применительно к Земле это обычно означает исследование вязкости внутренних слоев и ее изменений во времени, а также глубинных движений вдоль разломов, перемещений литосферы относительно астеносферы, субдукции литосферных плит, трещинообразования в горных породах, крипа и т.п. Прямые измерения вязкости в недрах Земли невозможны, однако ее оценки могут быть выполнены на основе изучения скорости поднятий таких древних областей, как Канадский и Балтийский щиты, ранее опустившихся под действием ледниковой нагрузки. Согласно этим оценкам, вязкость верхней мантии – 1020-1022 Па·с, а нижней – от 1022 до 1026 Па·с (паскаль – единица давления, 1 Па = 10 дн/см2).

На основе исследований горных пород при высоких давлениях изучаются их свойства и интерпретируются данные о скоростях распространения сейсмических волн и распределении плотности вещества в недрах Земли. Таким образом определяется минералогический состав ее внутренних слоев. Методы изучения плотности, кристаллической структуры, электропроводности, точки плавления минералов и горных пород при высоких давлениях базируются на достижениях термодинамики и физики твердого тела. Экспериментальные методы включают ультразвуковые измерения скорости как функции давления величиной примерно 30 кбар (1 кбар = 108 Па). При помощи специальной техники можно генерировать высокие давления, по крайней мере до 1000 кбар (100 ГПа). Под действием ударного сжатия или в камерах с алмазными наковальнями могут быть получены более высокие давления, чем в центре Земли (геофизика3600 кбар, или 360 ГПа).

В идеальном случае для полного понимания процессов, происходящих в глубине Земли, необходимо знать зависимости скоростей распространения продольных и поперечных волн, модуля упругости, плотности, коэффициента термического расширения, удельной теплоемкости, температуры плавления, вязкости, электро- и теплопроводности горных пород от давления. Поскольку эти сведения невозможно получить путем непосредственных наблюдений, бóльшая часть современных знаний предстает в форме теоретически рассчитанных уравнений состояния как функции от плотности. На основе использования уравнений состояния экспериментальные данные экстраполируются на область высоких давлений, характерных для недр Земли.

Важную роль в определении свойств, не поддающихся непосредственным измерениям, и интерпретации сейсмических данных для определения состава пород и фазовых переходов в Земле играют опытным путем установленные соотношения между скоростями волн, плотностью и атомным весом. Все модели Земли включают зоны скачкообразных изменений плотности и волновых скоростей на различных глубинах, обусловленные изменениями химического состава. Некоторые из этих зон идентифицируются как фазовые переходы или перестройка кристаллической структуры в минеральных ассоциациях, что подтвердили эксперименты с использованием методов рентгеноструктурного анализа. Лабораторные эксперименты по фазовым переходам в горных породах при высоких давлениях и температурах позволяют определить границы различных сред в земных недрах.

Фазовые переходы в недрах Земли происходят в определенном диапазоне глубин. Переходная зона между 400 и 1000 км включает две главные границы со скачкообразным изменением свойств на глубинах геофизика400 и геофизика670 км, которые идентифицированы как границы перехода оливина в шпинель и шпинелеподобные структуры и шпинели в более плотную ассоциацию – перовскит плюс магнезиовюстит.

Граница между ядром и мантией имеет химическую природу. Внешнее ядро может быть представлено жидким железо-никелевым расплавом с добавками более легких элементов, по всей вероятности, серы, кислорода или кремния.

Наиболее точные изотопные методы определения возраста горных пород основаны на процессах распада радиоактивных элементов в этих породах.

ЛИТЕРАТУРА

Джефрис Г. Земля, ее происхождение, история и строение. М., 1960

Гутенберг Б. Физика земных недр. М., 1963