Геофизика

редактировать
физика Земли и ее окрестностей

изображение в искусственных цветах Возраст морского дна. Большая часть информации о датировании поступает из магнитных аномалий. Компьютерное моделирование магнитного поля Земли в период нормальной полярности между инверсиями.

Геофизика () является предметом естествознания, связанного с физическими процессами и физическими свойствами Земли и окружающей ее космической среды, а также использованием количественные методы их анализа. Термин «геофизика» иногда относится только к геологическим приложениям: форма Земли ; его гравитационное и магнитные поля ; его внутренняя структура и состав ; его динамика и их поверхностное выражение в тектонике плит, генерации магм, вулканизма и горных породах. 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-земные отношения; 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 магнитов, а более современные магнитные компасы сыграли важную роль в истории мореплавания. 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 для дистанционного исследования твердой Земли и океана, и геофизика сыграла существенную роль в развитии теории тектоники плит.

Геофизика применяется для удовлетворения социальных нужд, таких как минеральные ресурсы, смягчение последствий природных опасностей и охрана окружающей среды. В Разведочная геофизика, 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 восстановление окружающей среды.

Содержание

  • 1 Физические явления
    • 1,1 Гравитация
    • 1,2 Тепловой поток
    • 1,3 Вибрации
    • 1,4 Электричество
    • 1,5 Электромагнитные волны
    • 1,6 Магнетизм
    • 1,7 Радиоактивность
    • 1.8 Гидродинамика
    • 1.9 Минеральная физика
  • 2 Области Земли
    • 2.1 Размер и форма Земли
    • 2.2 Структура недр
    • 2.3 Магнитосфера
  • 3 Методы
    • 3.1 Геодезия
    • 3.2 Спутники и космические зонды
  • 4 История
    • 4.1 Древние и классические эпохи
    • 4.2 Начало современной науки
  • 5 См. Также
  • 6 Примечания
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Физические явления

Геофизика - это очень междисциплинарный предмет, и геофизики вносят свой вклад во все области наук о Земле. ces. 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.

Гравитация

Изображение земного шара, сочетающее цвет с топографией. Карта отклонений гравитации от идеально гладкой, идеализированной Земли.

Гравитационное притяжение Луны и Солнца вызывает два прилива и два отлива каждый лунный день, или каждые 24 часа 50 минут. Следовательно, 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. аномалия силы тяжести и гравиметрия ). Гравитационное поле на поверхности дает информацию о динамике тектонических плит. Геопотенциальная поверхность , называемая геоидом, является одним из определений формы Земли. Геоид был бы средним глобальным уровнем моря, если бы океаны находились в равновесии и могли бы проходить через континенты (например, с очень узкими каналами).

Тепловой поток

Псевдоцветное изображение в вертикальном профиле. Модель тепловой конвекции в мантии Земли. Тонкие красные столбики - мантийные шлейфы.

Земля охлаждается, и возникающий в результате тепловой поток создает магнитное поле Земли через геодинамо и тектонику плит через мантийная конвекция. Основными источниками тепла являются первичное тепло и радиоактивность, хотя есть также вклады от фазовых переходов. Тепло в основном переносится к поверхности посредством тепловой конвекции, хотя есть два тепловых пограничных слоя - граница ядро-мантия и литосфера, в которых тепло выделяется. транспортируется проводкой. Некоторое количество тепла уносится от нижней части мантии мантийными перьями. Тепловой поток на поверхности Земли составляет около 4,2 × 10 Вт, и он является потенциальным источником геотермальной энергии.

Вибрации

Деформированные блоки с сетками на поверхности. Иллюстрация деформации блока объемными волнами и поверхностные волны (см. сейсмическая волна ).

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 свободные колебания Земли. Движение земли от волн или нормальных мод измеряется с помощью сейсмографов. Если волны исходят от локализованного источника, такого как землетрясение или взрыв, измерения на уровне более одно местоположение может 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. Если плотность или состав породы меняется, волны отражаются. Reflectio нс, 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 вывода глубинной структуры Земли.

Землетрясения представляют риск для людей. Понимание их механизмов, которые зависят от типа землетрясения (например, внутриплитный или глубокий фокус ), может привести к более точным оценкам риска землетрясений и улучшениям в сейсмической инженерии.

Электричество

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. По сравнению с твердой Землей, атмосфера имеет чистый положительный заряд из-за бомбардировки космическими лучами. В глобальной цепи протекает ток около 1800 ампер. Он течет вниз из ионосферы по большей части Земли и обратно вверх во время гроз. Поток проявляется в виде молнии под облаками и спрайтов выше.

В геофизических исследованиях используются различные электрические методы. Некоторые измеряют спонтанный потенциал, потенциал, который возникает в земле из-за искусственных или естественных возмущений. Теллурические токи текут на Земле и в океанах. У них есть две причины: электромагнитная индукция из-за изменяющегося во времени геомагнитного поля внешнего происхождения и движения проводящих тел (таких как морская вода) через постоянное магнитное поле Земли. Распределение плотности теллурического тока может использоваться для обнаружения изменений в удельном электрическом сопротивлении подземных сооружений. Геофизики также могут подавать электрический ток самостоятельно (см. индуцированная поляризация и томография электрического сопротивления ).

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны возникают в ионосфере и магнитосфере, а также во внешнем ядре Земли. Рассветный хор, как полагают, вызван электронами высокой энергии, которые попадают в радиационный пояс Ван Аллена. Вистлеры производятся ударами молнии. Шипение может генерироваться 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, оказывают незначительное наблюдаемое влияние 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 геофизические исследования включают переходную электромагнетизм, магнитотеллурию, поверхностный ядерный магнитный резонанс и электромагнитный каротаж морского дна.

Магнетизм

Земли Магнитное поле защищает Землю от смертоносного солнечного ветра и издавна используется для навигации. Он возникает в жидких движениях внешнего ядра. Магнитное поле в верхних слоях атмосферы вызывает полярные сияния..

Схема с силовыми линиями, осями и магнитными линиями. Ось земного диполя (розовая линия) наклонена от оси вращения (синяя линия).

Поле Земли примерно похоже на наклонное диполь, но он меняется со временем (явление, называемое вековой геомагнитной вариацией). В основном геомагнитный полюс находится около 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 шкалы времени геомагнитной полярности, содержат 184 интервала полярности за последние 83 миллиона лет, с изменением частоты во времени, с самой последней краткой полной инверсией событие Лашампа, произошедшее 41 000 лет назад во время последнего ледникового периода. Геологи наблюдали инверсию геомагнитного поля, зафиксированную в вулканических породах, с помощью корреляции магнитостратиграфии (см. естественная остаточная намагниченность ), и их сигнатуры можно увидеть в виде параллельных полос линейной магнитной аномалии на морское дно. Эти полосы предоставляют количественную информацию о растекании морского дна, как части тектоники плит. Они являются основой магнитостратиграфии, которая коррелирует магнитные инверсии с другими стратиграфиями для построения геологических шкал времени. Кроме того, намагниченность горных пород может быть использована для измерения движения континентов.

Радиоактивность

Схема с составными шарами, представляющими ядра и стрелки. Пример цепочки радиоактивного распада (см. Радиометрическое датирование ).

Радиоактивное распад составляет около 80% внутреннего тепла Земли, питающего геодинамо и тектонику плит. Основными выделяющими тепло изотопами являются калий-40, уран-238, уран-235 и торий-232. Радиоактивные элементы используются для радиометрического датирования, основного метода установления абсолютной шкалы времени в геохронология.

Нестабильные изотопы распадаются с предсказуемой скоростью, 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. Радиометрическое картирование с использованием наземной и воздушной гамма-спектрометрии может быть использовано для картирования концентрации и распределения радиоизотопов вблизи Ea. rth поверхности, которая полезна для картографирования литологии и изменений.

Гидродинамика

Движения жидкости происходят 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 в 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 структурирована колонками Тейлора.

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

физики минералов

физических Чтобы сделать вывод о составе недр Земли на основе сейсмологии, геотермального градиента и других источников информации, необходимо понимать 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 в результате ползучести делает возможным течение, хотя в течение короткого времени породы становятся хрупкими. Вязкость горных пород зависит от температуры и давления, и, в свою очередь, определяет скорость движения тектонических плит.

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 процессов, таких как коалесценция, переохлаждение и перенасыщение. Некоторая осажденная вода 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, имеют большое влияние на ее движение в океанах.

Многие фазы льда образуют криосферу и имеют такие формы, как ледяные щиты, ледники, морской лед, пресноводный лед, снег и мерзлота (или вечная мерзлота ).

Регионы Земли

Размер и форма Земли

Земля примерно сферическая, но она выпирает к экватору, поэтому имеет примерно форму эллипсоида (см. Земной эллипсоид ). Эта выпуклость возникает из-за ее вращения и почти соответствует Земле в гидростатическом равновесии. Однако на детальную форму Земли также влияет распределение континентов и океанические бассейны и, в некоторой степени, динамикой плит.

Структура внутренних частей

Диаграмма с концентрическими оболочками и изогнутыми контурами. Скорости сейсмических волн и границы внутри Земли получены сейсмическими волнами.

Данные сейсмологии, тепловой поток на поверхности, и физика минералов комбинируется с массой Земли и моментом инерции, чтобы 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 M Rпо сравнению с 0,4 M Rдля 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 нет S-волн во внешнем ядре. 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. Внутреннее ядро ​​Земли, однако, является твердым из-за огромного давления.

Реконструкция сейсмических отражений в глубоких недрах указывает на некоторые существенные разрывы сейсмических скоростей, которые разграничивают основные зоны Земли: внутреннее ядро, внешнее ядро, мантия, литосфера и кора. Сама мантия делится на верхнюю мантию, переходную зону, нижнюю мантию и слой D ′ ′. Между корой и мантией находится разрыв Мохоровича.

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. Свойства минералов зависят от температуры, поэтому также необходимо определять геотерму. Это требует физической теории для теплопроводности и конвекции и 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 он деформируется так, что на протяжении миллионов лет действует как жидкость. Это делает возможной тектонику плит.

Магнитосфера

Диаграмма с цветными поверхностями и линиями. Схема магнитосферы Земли. солнечный ветер течет слева направо.

Если магнитное поле планеты достаточно сильное, его 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, которые называются радиационными поясами Ван Аллена.

Методы

Геодезия

Геофизические измерения обычно проводятся в определенное время и в определенном месте. Точные измерения местоположения, а также деформация земли и сила тяжести - это сфера деятельности 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 геофизика охватывают оба.

Абсолютные положения наиболее часто определяются с использованием глобальной системы позиционирования (GPS). Трехмерное положение рассчитывается с использованием сообщений от четырех или более видимых спутников и относится к Геодезической справочной системе 1980. Альтернативный вариант, 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 это полезно для измерения движений Земли, таких как нутация и чендлеровское колебание. Взаимное расположение двух или более точек можно определить с помощью сверхдальнего базовая интерферометрии.

измерения силы тяжести стали частью геодезия, потому что они были необходимы для связанных с измерениями на поверхности Земли в эталонной системе координат. Измерения силы тяжести на суше можно производить 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 NASA запустило Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), в котором два спутника-близнеца отображают вариации гравитационного поля Земли, измеряя расстояние между двумя спутниками с помощью GPS и микроволновая система 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 сделали возможным сбор данных не только из области видимого света, но и из других областей электромагнитного спектр. Планеты могут быть охарактеризованы 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 возмущения гравитационного поля над лунными морями были измерены с помощью лунных орбитальных аппаратов, что привело к обнаружению концентраций массы, масконов, под бассейнами Imbrium, Serenitatis, Crisium, Nectaris и Humorum.

История

Геофизика возникла как отдельная дисциплина только в XIX веке на пересечении физической географии, геологии, астрономии, метеорологии и физика. Однако многие геофизические явления, такие как магнитное поле Земли и землетрясения, были исследованы с древней эры.

древней и классической эпох

Изображение богато украшенного устройства в виде урны с носиками в форме. Драконов Реплика сейсмоскопа Чжан Хэн, возможно первый вклад в сейсмологию.

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 было в 1190 году нашей эры.

Примерно в 240 году до нашей эры Эратосфен из Кирены сделал вывод, что Земля круглая, и измерил длину окружности Земли <204.>с большой точностью. Он разработал систему широты и долготы.

Возможно, самым ранним вкладом в сейсмологию было изобретение сейсмоскопа плодовитым изобретателем Чжан Хэн в 132 г. н.э. Этот инструмент был разработан, чтобы бросить 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 в Европе был опубликован первый проект сейсмоскопа Жаном де ла Отфёйем. Его так и не построили.

Начало современной науки

Одной из публикаций, положивших начало современной науке, была книга Уильяма Гилберта De Magnete (1600), отчет о серии тщательных экспериментов в области магнетизма. Гилберт пришел к выводу, что компасы указывают на север, потому что сама Земля магнитная.

В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свои Принципы, которые не только заложили основы классической механики и гравитации, но также объяснил различные геофизические явления, такие как приливы и прецессия равноденствия.

Первый сейсмометр, инструмент, способный ведения непрерывного учета сейсмической активности, был построен Джеймсом Форбсом в 1844 году.

См. также

  • Портал наук о Земле
  • icon Геофизический портал
  • icon Физический портал

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Геофизикой.
Последняя правка сделана 2021-05-21 03:46:40
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте