Перейти к содержанию

Геофизика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Геофизическая разведка»)
Наука
Геофизика
англ. Geophysics, физика Земли
Тема Геология, Физика
Предмет изучения Земля и её окружающее космическое пространство, планеты
Период зарождения Древность (зарождение), XIX век (оформление в отдельную научную дисциплину)
Основные направления Физика твёрдой Земли, гидрофизика, физика атмосферы, разведочная (прикладная) геофизика
Вспомогат. дисциплины Геодезия, математическая физика, астрономия, метеорология
Центры исследований Международный геодезический и геофизический союз (IUGG), Американский геофизический союз (AGU), ИФЗ РАН
Значительные учёные Уильям Гильберт, Исаак Ньютон, Феликс Венинг-Мейнес, О. Ю. Шмидт, Г. А. Гамбурцев
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Геофи́зика (от др.-греч. γῆ — Земля + φύсις — природа), или физика Земли, — комплекс научных дисциплин, исследующих физическими методами (контактными и дистанционными аэрокосмическими[1]) строение Земли, процессы, происходящие в геосфере, а также специфические методы исследования упомянутых объектов и процессов[2]. Она использует количественные методы и данные систематических наблюдений для изучения физических свойств и процессов как самой Земли, так и окружающего её космического пространства[3]. Основное внимание геофизика уделяет форме Земли, её гравитационному, магнитному и электромагнитному полям, а также изучению её внутреннего строения, состава и динамики, находящих своё поверхностное отражение в тектонике, вулканизме и процессах породообразования[4]. Помимо этого, геофизика охватывает более широкую системную и планетарную перспективу, включая физику океанов (гидрофизику), атмосферы, криосферы, ионосферы и магнитосферы, а также солнечно-земные связи и аналогичные физические процессы на Луне, других планетах и их спутниках[5][6][7].

Геофизика является одной из старейших наук: её истоки восходят к глубокой древности, когда появились первые магнитные компасы и простейшие сейсмоскопы, а в Новое время её развитие продолжилось благодаря ньютоновскому анализу приливов, прецессии земной оси и общих физических свойств Земли[8]. Сегодня геофизика развивается как ради фундаментального научного понимания Земли, так и для решения многочисленных практических задач. К числу последних относятся поиск и разведка месторождений полезных ископаемых и энергоресурсов, оценка и снижение рисков природных катастроф, гидрогеологические и экологические изыскания, геоархеологические исследования, а также непрерывный экологический мониторинг[5].

Методология геофизики объединяет теорию, наблюдения и эксперименты для изучения систем Земли и других планет в самых разных пространственных и временных масштабах. Методы исследований включают полевые измерения, лабораторные эксперименты, дистанционное зондирование Земли, численное моделирование, а также компьютерный анализ данных (включая цифровую обработку сигналов). Выступая в качестве связующей физической основы для наук о Земле и планетологии, геофизика объединяет в рамках единого подхода физические явления — от происходящих глубоко в недрах планеты до процессов в верхних слоях атмосферы и ближнем космосе. Это закладывает базу для понимания эволюции планет, их динамики и жизнепригодности.

Геофизика оформилась в качестве самостоятельной научной дисциплины лишь в XIX веке на стыке физической географии, геологии, астрономии, метеорологии и физики[9][10]. Первое известное использование термина «геофизика» на немецком языке («Geophysik») принадлежит Юлиусу Фрёбелю в 1834 году[11]. Однако многие геофизические явления, такие как магнитное поле Земли и землетрясения, исследовались ещё с древнейших времён.

Древность и классический период

[править | править код]
Реплика сейсмоскопа Чжан Хэна, первого известного прибора в истории сейсмологии

Магнитный компас существовал в Китае ещё в IV веке до н. э. Первоначально он использовался как в фэншуй, так и для сухопутной навигации. Использование компаса в мореплавании началось только после того, как в Европе и Азии научились ковать стальные иглы, способные долго удерживать намагниченность. Первое упоминание компаса в Европе относится к 1190 году н. э.[12]

Около 240 года до н. э. Эратосфен Киренский доказал шарообразность Земли и с высокой точностью измерил длину земного меридиана[13]. Он также разработал систему географических координат из широты и долготы[14].

Вероятно, самым ранним вкладом в сейсмологию стало изобретение сейсмоскопа китайским учёным Чжан Хэном в 132 году н. э.[15] Прибор сбрасывал бронзовый шар из пасти дракона в рот лягушки: по тому, в какую из восьми лягушек падал шар, можно было определить направление эпицентра землетрясения. Лишь спустя 1571 год первый европейский проект сейсмоскопа был предложен Жаном де Отфёем в 1571 году, однако он так и не был построен в металле[8].

Начало современной науки

[править | править код]

XVII век ознаменовался важнейшими вехами, положившими начало современной науке. В 1600 году Уильям Гильберт опубликовал свой классический труд «De Magnete», в котором описал серию экспериментов с природными магнитными железняками («магнитными камнями») и искусственно намагниченным железом[16]. С помощью легкой магнитной стрелки он воспроизвел поведение компаса на поверхности сферического магнита и обнаружил явление магнитного наклонения. На основе этих опытов Гильберт пришёл к выводу, что стрелка компаса указывает на север потому, что сама Земля является гигантским магнитом[16].

В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал фундаментальный труд «Математические начала натуральной философии» (Principia), ставший ключевым для развития астрономии и физики[17]. В нём Ньютон заложил основы классической механики и теории всемирного тяготения, а также физически объяснил ряд геофизических явлений, таких как прецессия земной оси и приливы.

Первый сейсмометр, способный вести непрерывную запись сейсмической активности, был построен шотландским физиком Джеймсом Форбсом в 1844 году[8].

Развитие геофизики в России и СССР

[править | править код]

Развитие отечественной геофизики тесно связано с освоением обширных территорий страны и решением крупных научно-технических задач:

  • Михаил Ломоносов (XVIII в.): Заложил основы отечественных геофизических исследований. Он изучал атмосферное электричество (совместно с Георгом Рихманом), разрабатывал маятниковые методы измерения силы тяжести и опубликовал работу «Слово о рождении металлов от трясения Земли» (1757), заложившую основы учения о динамике земной коры.
  • Курская магнитная аномалия: Открыта академиком П. Б. Иноходцевым в 1773 году во время картографических работ. Её детальное геофизическое изучение в конце XIX — начале XX веков профессором Э. Е. Лейстом и академиком П. П. Лазаревым привело к открытию крупнейшего в мире железорудного бассейна.
  • Борис Голицын (начало XX в.): Выдающийся физик, создатель первого в мире электромагнитного сейсмографа (1906), преобразующего сейсмические колебания в электрический ток. Изобретение Голицына легло в основу современных приборов и сделало его одним из основоположников мировой научной сейсмологии.
  • Советская геофизическая школа: В 1920–1930-х годах под руководством академиков О. Ю. Шмидта, П. П. Лазарева и профессора Г. А. Гамбурцева были заложены основы современной разведочной геофизики. Гамбурцев разработал методы глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) земной коры и метод преломленных волн (КМПВ), получившие мировое признание. В 1928 году был основан Институт физики Земли, ставший одним из крупнейших геофизических центров мира.

Классификация

[править | править код]

Геофизика состоит из следующих основных разделов:

Подразделяется на фундаментальную и прикладную (разведочную геофизику). Отдельно выделяются методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, промышленную геофизику, или геофизические методы исследований скважин, и шахтную геофизику[2].

Фундаментальная геофизика

[править | править код]

Фундаментальная геофизика (также общая геофизика или физика Земли) занимается изучением глобальных физических свойств и динамических процессов, протекающих в недрах планеты Земля, её жидких и газообразных оболочках, а также в ближнем космосе. В отличие от разведочной геофизики, ориентированной на локальный поиск полезных ископаемых, фундаментальные исследования направлены на изучение планеты как целостной системы[7]. Она подразделяется на три ключевых направления: физику твёрдой Земли, гидрофизику и физику атмосферы[2].

Физика твёрдой Земли

[править | править код]

Гравиметрия и фигура Земли

[править | править код]

Гравиметрия изучает гравитационное поле Земли и распределение масс в её недрах. Сила тяжести вызывает сжатие вещества, приводя к росту плотности с глубиной. Эквипотенциальная поверхность силы тяжести — геоид — служит физическим определением формы Земли (соответствуя среднему уровню Мирового океана)[4]. Изменения гравитационного поля по горизонтали называют гравитационными аномалиями. Внешнее гравитационное воздействие Луны и Солнца вызывает приливы и отливы, а также приливные деформации в твёрдом теле Земли[7].

Сейсмология и сейсмотомография

[править | править код]

Сейсмология исследует распространение сейсмических волн (упругих колебаний, вызванных землетрясениями или искусственными взрывами). Поведение продольных (P-волн) и поперечных (S-волн) волн в различных средах позволило реконструировать внутреннее строение Земли и выделить ключевые геосферы: земную кору, мантию и земное ядро (включая жидкое внешнее ядро и твёрдое Внутреннее ядро Земли):

Развитие вычислительных методов сейсмической томографии позволило строить трёхмерные модели мантии и отслеживать движение холодных плит в зонах субдукции и горячих мантийных плюмов[18].

Геомагнетизм, палеомагнетизм и электрометрия

[править | править код]

Естественное магнитное поле Земли генерируется конвективными движениями жидкого электропроводящего железа во внешнем ядре под влиянием вращения планеты и силы Кориолиса (механизм геодинамо)[7]. Наземная и спутниковая магнитометрия изучают изменения этого поля в пространстве и времени. Палеомагнетизм исследует остаточную намагниченность горных пород, что позволило доказать существование регулярных инверсий магнитного поля и легло в основу теории тектоники плит и спрединга океанического дна[19]. В фундаментальном аспекте электрометрия изучает глобальное распределение электропроводности в недрах Земли и естественные теллурические токи, индуцируемые изменениями геомагнитного поля во внешних оболочках планеты.

Геодинамика, тектонофизика и геотермия

[править | править код]

Внутреннее тепло Земли состоит из первичной энергии аккреции планеты и тепла, непрерывно выделяющегося при радиоактивном распаде долгоживущих изотопов урана, тория и калия[20]. Раздел геотермия изучает тепловой поток, проходящий через поверхность планеты, и геотермический градиент. Геодинамика исследует крупномасштабную вязкую конвекцию в мантии, которая является главным двигателем глобальной тектоники плит. Смежная дисциплина — тектонофизика — исследует физические основы деформации земной коры, формирование разломов, складок и напряжённо-деформированное состояние горных пород под действием тектонических сил[21].

Физика минералов и петрофизика

[править | править код]

Физика минералов исследует физические, упругие, термодинамические и механические свойства слагающих недра минералов при экстремальных давлениях и температурах. Это необходимо для сопоставления скоростей сейсмических волн и плотности (модель PREM) с конкретным химическим составом. Она детально описывает термодинамические уравнения состояния и фазовые переходы минералов, такие как переход оливина в его плотные полиморфные модификации — вадслеит и рингвудит на границе верхней и нижней мантии, а также переход в бриджманит и постперовскит в нижней мантии[22]. Смежная дисциплина — петрофизика — изучает взаимосвязь различных физических свойств (электрических, магнитных, тепловых, радиоактивных, упруго-прочностных) горных пород и руд на макроуровне.

Гидрофизика и океанология

[править | править код]

Гидрофизика исследует физические процессы в водной оболочке Земли (гидросфере). Основная фундаментальная дисциплина здесь — физическая океанология (физика океана), изучающая океанические течения, динамику волн, приливы, турбулентность, а также распределение температуры, солёности и плотности в морях и океанах. Гидрофизика также охватывает физические процессы в материковых водоёмах (физика озёр и рек), термодинамику льдов и снежного покрова (гляциология), а также физику фильтрации и переноса подземных вод в водоносных горизонтах земной коры.

Физика атмосферы и ближнего космоса

[править | править код]

Физика атмосферы исследует строение, состав, термодинамику и динамику газовой оболочки планеты. Фундаментальные аспекты включают:

  • метеорологию — изучает мгновенные физические процессы в нижней атмосфере (тропосфере), определяющие погоду;
  • климатологию — исследует долгосрочные закономерности и изменения климатической системы Земли;
  • аэрономию — изучает фотохимические процессы, ионизацию и диссоциацию газов в верхних слоях атмосферы под влиянием солнечного излучения;
  • Физику ионосферы и магнитосферы — исследует поведение плазмы, токов и волн в областях взаимодействия геомагнитного поля с солнечным ветром (солнечно-земные связи);
  • атмосферную оптику — изучает процессы рассеяния, поглощения и преломления света в воздухе.

Для математического описания движения флюидов в океане и атмосфере с учётом вращения Земли используется геофизическая гидродинамика, базирующаяся на уравнениях Навье — Стокса в неинерциальных системах отсчёта[23]. В расплавленном жидком ядре циркуляция жидкого металла под воздействием вращения планеты структурируется в виде вертикальных вихрей, известных как столбы Тейлора.

Разведочная геофизика

[править | править код]

Разведочной геофизикой называют раздел геофизики, посвящённый изучению строения Земли с целью поиска и уточнения строения залежей полезных ископаемых, а также выявлению предпосылок для их образования. Разведочные геофизические исследования проводятся на суше, акватории морей, океанов и пресных водоемов, в скважинах, с воздуха и из космоса. Разведочная геофизика является важной составляющей геологоразведочного процесса благодаря высокой эффективности, надёжности, дешевизне и скорости проведения. К методам разведочной геофизики относят сейсморазведку, электроразведку на постоянном и переменном токе, магниторазведку, гравиразведку, геофизические исследования скважин, радиометрию, ядерную геофизику и теплометрию.

Сейсморазведка

[править | править код]

Сейсморазведка — раздел разведочной геофизики, включающий методы изучения строения Земли, основанные на возбуждении и регистрации упругих волн. Породы земной коры различаются по упругим свойствам — модулю Юнга, коэффициенту Пуассона, скорости продольных и поперечных волн и плотности. На границах слоев с различными упругими свойствами возникают вторичные волны, содержащие информацию о геологическом строении.

Для регистрации колебаний упругих волн применяют специальные устройства — сейсмоприёмники, преобразующие колебания частиц почвы в электрический сигнал. Полученная информация собирается на графиках, называемых сейсмограммами, обрабатывается и получает геологическое толкование. В результате строение земной коры изображается в виде разрезов и карт, на которых определяется место возможного скопления полезных ископаемых.

Гравиразведка

[править | править код]
Отклонения ускорения свободного падения на поверхности Земли от стандартного

Гравиразведкой (гравиметрией) называется раздел разведочной геофизики, изучающий изменение ускорения свободного падения в связи с изменением плотности геологических тел. Гравиразведка активно применяется при региональном исследовании земной коры и верхней мантии, выявлении глубинных тектонических нарушений, поиске полезных ископаемых — преимущественно рудных, выделении алмазоносных трубок взрыва. Гравиразведка позволяет изучать состав горных пород, и их положение в геологическом разрезе, например для магматических с ростом основности возрастает концентрация железистых соединений и плотность.

Для проведения гравиразведки применяются гравиметры, чувствительные приборы, измеряющие ускорение свободного падения. Единицей измерения этой величины является Гал или более употребительные мГал или мкГал. Крупные геологические тела характеризуются аномалиями в десятки и даже сотни мГал.

Магниторазведка

[править | править код]

Магниторазведка — раздел разведочной геофизики, исследующий магнитное поле Земли (его источники и изменения на протяжении геологической истории Земли), а также магнитные свойства горных пород. С целью поисков месторождений полезных ископаемых магниторазведка применяется в виде наземной, морской или аэромагнитной съёмки. Магнитная съёмка проводится, как правило, по сети параллельных линий, или профилей. После ввода необходимых поправок строится карта магнитного поля в виде графиков или изолиний. На карте могут находиться области спокойного поля и магнитные аномалии — локальные возмущения магнитного поля, вызванные неоднородностями магнитных свойств горных пород. Магниторазведка проводится с целью выявления аномалий как непосредственно связанных с полезным ископаемым, так и с контролирующими залежь тектоническими и стратиграфическими структурами.

Электроразведка

[править | править код]

Электроразведка — раздел разведочной геофизики, основанный на измерениях электромагнитного поля. Методы электроразведки позволяют изучать параметры геологического разреза, измеряя параметры постоянного электрического или переменного электромагнитного поля. Методы электроразведки разделяются:

По характеру источника электромагнитного поля

[править | править код]
  • методы искусственного поля;
  • методы естественного поля.
По типу источника электромагнитного поля
[править | править код]
  • методы постоянного тока;
  • методы низкочастотного электромагнитного поля;
  • методы высокочастотного электромагнитного поля.

Примером электроразведки может служить исследование методом вызванной поляризации.

Геофизическое исследование скважин

[править | править код]

Геофизические исследования скважин (ГИС) — исследования бурящихся, промысловых и других скважин геофизическими методами с целью изучения разреза скважины для последующей качественной и количественной геологической оценки, как самой скважины, так и месторождения в целом.

Комплекс ГИС включает в себя множество методов, которые можно условно разделить на несколько больших и не очень разделов, в зависимости от типа изучаемых физических параметров пород. Работы проводят с помощью геофизического оборудования. Методов каротажа и ГИС довольно много. Они включают в себя:

Существуют и некоторые другие отдельные виды геофизических работ в скважинах.

Наиболее широкое применение геофизических исследований скважин приходится на нефтегазовую промышленность:

  • Каротажи.
  • Контроль за разработкой месторождения.
  • Перфорация.

Радиометрия и ядерная геофизика

[править | править код]

Радиометрия и ядерная геофизика (также радиационная или радиометрическая разведка) — раздел разведочной геофизики, изучающий естественные и искусственно вызванные поля ионизирующих излучений в горных породах, рудах и других объектах литосферы. Эти методы основаны на исследовании процессов радиоактивного распада и взаимодействия ядерных излучений (альфа-, бета-, гамма-излучений и нейтронов) со средой[24].

Раздел разделяют на два основных направления:

  • Радиометрия — занимается изучением естественного радиоактивного излучения горных пород и руд (гамма-съёмка) либо концентрации радиоактивных газов в почвенном воздухе (эманационная съёмка, основанная на регистрации альфа-излучения радона)[25].
  • Ядерная геофизика — исследует вторичные излучения, возникающие в породах при их облучении внешними источниками нейтронов или гамма-квантов (нейтронные и гамма-методы).

Данные методы применяются для:

Теплометрия

[править | править код]

Тепломе́трия (также термическая разведка, терморазведка) — раздел разведочной геофизики, изучающий естественные и искусственные тепловые поля Земли, а также теплофизические свойства горных пород (теплопроводность, теплоёмкость, температуропроводность). Физической основой метода является различие тепловых свойств геологических тел и вмещающих их пород, что приводит к искажению теплового потока и формированию температурных аномалий[27].

Теплометрия позволяет решать широкий круг геологических и прикладных задач:

Для измерений температурных полей используют высокочувствительные электротермометры, тепловизоры и специализированные датчики теплового потока. В зависимости от условий проведения работ съёмка может быть наземной, воздушной (инфракрасная аэросъёмка), скважинной (термокаротаж) или морской (с использованием донных термоградиентометров)[29].

Примечания

[править | править код]
  1. Publications (амер. англ.). GRSS-IEEE. Дата обращения: 3 февраля 2022. Архивировано 3 февраля 2022 года.
  2. 1 2 3 4 В. І. Старостенко, В. Г. Гутерман Геофізика Архивная копия от 21 июня 2020 на Wayback Machine // Енциклопедія Сучасної України
  3. Sheriff, R. E. Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics. — 3rd. — Society of Exploration Geophysicists, 1991. ISBN 1-56080-018-6.
  4. 1 2 Blakely, Richard J. Potential Theory in Gravity and Magnetic Applications. — Cambridge University Press, 1995. ISBN 978-0-521-41508-8.
  5. 1 2 About IUGG. IUGG (2011). Дата обращения: 30 сентября 2011. Архивировано 13 мая 2020 года.
  6. Our Science. AGU (2011). Дата обращения: 30 сентября 2011. Архивировано 19 сентября 2012 года.
  7. 1 2 3 4 Lowrie, William. Fundamentals of Geophysics. — 2nd. — Cambridge University Press, 2007. ISBN 978-0-521-67547-5.
  8. 1 2 3 Dewey, James; Byerly, Perry (1969). The Early History of Seismometry (to 1900). Bulletin of the Seismological Society of America. 59 (1): 183—227.
  9. Hardy H. R., Goodman R. Geotechnical Applications of Geophysics. — Taylor & Francis, 2005.
  10. Schröder, W. (2010). History of geophysics. Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica. 45 (2): 253—261. Bibcode:2010AGGH...45..253S. doi:10.1556/AGeod.45.2010.2.9. S2CID 122239663.
  11. Varga, P. (2009). Common roots of modern seismology and of earth tide research. A historical overview. Journal of Geodynamics (англ.). 48 (3—5): 241—246. Bibcode:2009JGeo...48..241V. doi:10.1016/j.jog.2009.09.032. S2CID 129513373.
  12. Temple R. The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention. — Andre Deutsch, 2006. — P. 162–166. ISBN 978-0-233-00202-6.
  13. Russo, Lucio. The Forgotten Revolution. — Berlin : Springer, 2004. — P. 273–277. ISBN 978-3-540-20396-4.
  14. Eratosthenes. Eratosthenes' Geography. — Princeton University Press, 2010. ISBN 978-0-691-14267-8.
  15. Temple R. The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention. — Andre Deutsch, 2006. — P. 177–181. ISBN 978-0-233-00202-6.
  16. 1 2 Review of "De Magnete". pwg.gsfc.nasa.gov. Дата обращения: 18 февраля 2024.
  17. Smith George. Newton's Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. — Stanford University, 2008.
  18. Продайвода Г. Т. Физика Земли: учебник. — Киев: ВПЦ "Киевский университет", 2004. — С. 145—158. ISBN 966-594-554-1.
  19. Merrill, Ronald T. The Magnetic Field of the Earth: Paleomagnetism, the Core, and the Deep Mantle / Ronald T. Merrill, Michael W. McElhinny, Phillip L. McFadden. — Academic Press, 1998. ISBN 978-0124912458.
  20. Pollack, Henry N.; Hurter, Suzanne J.; Johnson, Jeffrey R. (1993). Heat flow from the Earth's interior: Analysis of the global data set. Reviews of Geophysics. 31 (3): 267—280. doi:10.1029/93RG01249.
  21. Туркотт Д., Шуберт Дж. Геодинамика: Геологические приложения физики сплошных сред. М.: Мир, 1985. — С. 320—345.
  22. Poirier, Jean-Paul. Introduction to the Physics of the Earth's Interior. — Cambridge University Press, 2000. ISBN 0-521-66313-X.
  23. Pedlosky, Joseph. Geophysical Fluid Dynamics. — 2nd. — Springer-Verlag, 1987. ISBN 0-387-96387-1.
  24. Гершанок В. А., Гершанок Л. А. Разведочная геофизика. Радиометрия и ядерная геофизика. — Пермь: ПГНИУ, 2018. — С. 4—12.
  25. 1 2 Ларионов В. В., Резванов Р. А. Ядерная геофизика и радиометрическая разведка. М.: Недра, 1990. — С. 15—22.
  26. Новиков Г. Ф. Радиометрическая разведка. Л.: Недра, 1989. — С. 85—90.
  27. Костицын В. И., Хмелевской В. К. Геофизика: учебник. — Пермь: ПГНИУ, 2018. — С. 308—315.
  28. Балоян Б. М., Рукин М. Д., Хмелевской В. К. Основы геофизики. — 2-е изд., перераб. и доп.. М.: Юрайт, 2023. — С. 245—252.
  29. Череменский Г. А. Геотермия. Л.: Недра, 1972. — С. 45—62.

Литература

[править | править код]