Геофизика наука о чем
Геофизика
Обширную информацию о внутренних процессах и внутреннем строении Земли дает сейсмология. По сейсмологическим материалам определено положение основных границ раздела, установлено резко неоднородное строение коры, наличие неоднородностей внутри мантии и многие др. особенности. Сведения о распределении очагов землетрясений используются для изучения совр. тект. движений. Наблюдения за упругими приливами твердой оболочки позволяют рассчитать некоторые физ. параметры вещества Земли. Электрические токи в Земле, индуцированные вариациями магнитного поля, которые вызваны непостоянством солнечной деятельности и др. внешними причинами, дают информацию об электропроводности и возможном ее распределении с глубиной. По электропроводности косвенно определяется t на глубине нескольких сотен км. Гравитационное поле используется для суждения об истинной форме Земли и о распределении плотности в её внутренних зонах. Изучение теплового поля позволяет оценить t в недрах Земли, дает факты для суждения о физ. и хим. процессах на большой глубине (отражающихся на геол. строении земной коры), о распределении радиоактивных элементов в Земле на протяжении геол. истории. И. Г. Клушин.
Литература : Джеффрис Г., Земля, ее происхождение, история и строение, пер. с англ., М., 1960; Гутенберг Б., Физика земных недр, пер. с англ., М., 1963; Яновский Б. М., Земной магнетизм, ч. 1-2, Л., 1963-64; Магницкий В. A., Внутреннее строение и физика Земли, М., 1965; Развитие наук о Земле в СССР, М., 1967; Любимова Е. A., Термика Земли и Луны, М., 1968; Сафронов В. С., Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет, М., 1969; Стейси Ф. Д., Физика Земли, пер. с англ., М., 1972; Природа твердой Земли, (пер. с англ.), М., 1975; Ботт M., Внутреннее строение Земли, пер. с англ., М., 1974; Шимбирев Б. П., Теория фигуры Земли, М., 1975; Белоусов В. В., Основы геотектоники, М., 1975; Монин А. С., История Земли, Л., 1977; Жарков В. Н., Внутреннее строение Земли и планет, М., 1978; Тектоносфера Земли, Под редакцией В. В. Белоусова, М., 1978; Буллен К. Е., Плотность Земли, пер. с англ., М., 1978; Геофизика океана, т. 1, М., 1979; Артюшков Е. В., Геодинамика, М., 1979; Жарков В. Н., Трубицын В. П., Физика планетных недр, М., 1980.
В. Н. Жарков, А. Б. Ефимов.
Геофизика – наука и профессия будущего
Планета Земля – это сложная геологическая система, в которой постоянно происходят физические процессы. Ее структуру, организацию и изменения изучает наука – геофизика (от geo. – земля). Главная задача этой отрасли – изучить образование полезных ископаемых, магнитного, сейсмологического и электрического влияния на планету.
Что изучает геофизика
Геофизика – это сборное понятие. В нее входит очень много отдельных наук, изучающих разные физические процессы, которые происходят с нашей планетой.
Каждая из этих отраслей очень важна для понимания процессов, которые влияют на Землю. Сейчас главная задача этой науки – геофизическая разведка. Благодаря ей ученые могут определить предположительные места залегания полезных ископаемых, размер месторождений. Они изучают, насколько целесообразна разработка карьеров, разрезов, шахт и бассейнов.
Кратко об истории развития науки
Человек всегда интересовался, каким образом на планете происходят определенные процессы. Смена дня и ночи, свечение солнца и луны, приливы и отливы, молнии, землетрясения и ураганы – все это требовало объяснения, но понять их природу не удавалось. Поэтому возникали мистические и теологические объяснения всех этих геофизических явлений. Это уже можно назвать первым проявлением геофизики, ведь именно тогда началось изучение природы Земли.
Такой, как она существует сейчас, становление науки началось только в 17 – 18 году, когда появились первые физические законы. За это время накопилось достаточно информации, чтобы точно интерпретировать некоторые явления, выдвигать предположения возникновения естественных явлений. Например, в 1640 году для поиска полезных ископаемых, которые имели в составе магнитный железняк использовался компас – подергивания стрелки указывало на залегание магниточувствительных металлов близко к поверхности.
Профессия геофизик появилась уже в XIX веке. Изначально началось поверхностное исследование – была составлена сейсмическая карта планеты. Она была разделена на тектонические плиты. Благодаря этому человечество поняло природу землетрясений, научилось определять потенциально опасные территории. В 40 годах ХХ века наука продвинулась дальше, началось изучение внутренних физических процессов.
Ввиду постоянного продвижения, ученым удалось огромное количество явлений, которые влияют на структуру Земли, ее нормальное состояние. Изучения в геофизике постоянно комбинировались с другими науками – математика, астрономия, химия.
Сейчас она достигла пика развития, возможно, это еще не предел. Еще существует много явлений, которые ученым не удалось объяснить. Но учитывая колоссальное количество информации, которая была собрана за весь период существования отрасли, новые открытия не за горами.
Особенности профессии
Сейчас эта профессия набирает популярность, ведь изучение процессов, которые происходят внутри и снаружи планеты очень интересны. Геофизика для детей будет сложной, поэтому ее изучение можно начать в ВУЗе. Чтобы хорошо разбираться в этой теме, изначально, на школьной стадии, стоит уделить внимание нескольким дисциплинам:
Перед тем, как стать геофизиком, нужно определить направление деятельности. Главная задача специалистов – проведение геологической разведки, но это может быть инженер, нефтяник, сейсмолог, геодезиолог, геолог физик. При изучении науки будет важно уделить внимание измерительным прибором, ведь они являются глазами настоящего геофизика. Благодаря расчетам показателей, специалисты безошибочно определяют расположение залежей руд, неметаллических полезных ископаемых, горючих жидкостей и газов.
Описывая профессию геофизика невозможно полностью раскрыть всю ее значимость, ведь количество составных отраслей колоссально. Регистрация сейсмологической активности помогает предотвращать неожиданные катастрофы, предупреждать людей о потенциальной опасности. Удивительно, но даже для сооружения зданий, мостов, прокладки транспортных тоннелей и плотин, используются знания геофизика. Благодаря этому постройки безопасны для жизни людей, устойчивы и могут выдержать тектоническую активность потенциально опасных мест.
Характеристику профессии геофизика провести достаточно сложно. После начала работы, большинство специалистов работают с измерительными приборами. В разведках принимают участие уже профессионалы, новички могут выступать в роли ассистентов. Они находят примеры изменения физической активности на планете, признаки ее влияния на поверхность.
Образцы геофизики собирают для изучения состава горных пород, наличия в них химических примесей. Также они интерпретируют собираемую информацию, например, каким образом формировались кимберлитовые трубки в Якутии, и почему именно на этой территории было найдено крупнейшее месторождение алмазов.
Эта наука играет роль даже в космологии, а именно – сравнительном планетоведение. Ее методы используются для поиска новых земельных ресурсов, интерпретации процессов, которые происходят с космическими телами, просматривая их через призму нашей планеты. Это делает геофизику прогрессивной наукой, которая не исчерпает своего потенциала еще долгое время.
Будни профессионалов – чем сейчас занимаются геофизики на рабочем месте
Рабочее место специалиста в этой отрасли может быть расположено как в институте геофизики, так и непосредственно на месте изучения. Большинство сотрудников отправляются на скважины, где проводится геофизическая разведка и обработка уже полученной информации. Путем расчетов, использования измерительных приборов и вычислительных программ, геолог геофизик составляет планы месторождений, оценивает рентабельность их разработки.
Конечно, задач у профессионалов очень много, но основная – определение конструкции скважины. От точно проведенных расчетов зависит не только правильная разработка материалов, но и жизни шахтеров. Неправильное расположение, ошибки с оценкой подводных вод, плотностью камня, содержания примесей газов и пыли в воздухе могут быть фатальными.
Где можно получить специальность
Сейчас эта профессия стала очень востребованной. Во-первых, специалистов в этой сфере, ввиду обширного количество разделов, немного. Поэтому ВУЗы всегда открыты для абитуриентов, которые хотят изучить специальность геофизика.
Учебные учреждения, где можно получить профессию любого типа с геофизическим уклоном:
Если нет возможности поступить в высшее учебное заведение, а профессия геофизик не оставляет мечты, можно получить специальность и в техникуме. Но работники, которые выпускаются там, могут работать только под началом специалистов и магистрантов.
Эта профессия считается одной из самых перспективных и высокооплачиваемой в Российской Федерации. Средняя заработная плата специалиста с высшим образованием составляет 70 000 рублей, а в Москве геофизик получает 80 000- 100 000 рублей.
Интересные направления геофизики
С развитием этой науки, она начала охватывать все больше информационных пластов. Некоторые направления даже сложно отнести к подобным отраслям. Например, еще несколько десятилетий назад большинство работ велись только на суше. Но сейчас моря и океаны также заинтересовали ученых. Огромное влияние на это оказало развитие измерительной техники.
Теперь стало возможным опуститься на многие километры в недра планеты как на суше, так и под водой. Изучение этих разных геологических отделов позволяет провести сравнение тектонических плит, влияние на них давления жидкости. К тому же в океанах толщина тектонических плит намного меньше, благодаря чему изучение их особенности упрощается.
Развитие ядерной геофизики – одно из самых новых и интересных ответвлений этой науки. Она изучает воздействие на Землю и природу радиоактивного, квантового, гамма-излучения, взаимодействие заряженных частиц. Также нужно делать разработку приборов, которые будут с легкостью определять толщину и плотность пластов, вероятность залегания полезных ископаемых и их количество. Благодаря работе ученых этой отрасли удастся открыть новые, ранее неизвестные месторождения руд, упростить современные методы геофизической разведки.
Предметом изучения геофизики является и глобальное потепление. Путем исследования территорий вечной мерзлоты, ученые фиксируют изменения, от которых зависит поведение слоя криосферы земли.
Заключение
Геофизика – наука, изучающая особенности развития планеты, воздействие на нее внутренних и внешних факторов. Сегодня ученые в этой области очень востребованы, ведь она стремительно развивается, требуя влияния новых умов. В России большое количество учебных заведений открыты для приема абитуриентов, которые хотят посвятить себя геофизике.
Геофизика
Геофизика — это наука о наиболее общих законах природы планеты Солнечной системы. Можно условно выделить три области единой науки о планете: физика Земли и океанов, физика атмосферы и физика околоземного космического пространства. Именно последнюю и представляю, о ней пойдет в основном речь, хотя в природе все взаимосвязано. В тех местах, где это необходимо, мы будем говорить о ядре Земли и о процессах в глубинах Солнца. Эта взаимосвязь всех процессов подчеркнута в другом названии нашей науки — солнечно-земная физика.
Трудно сказать, когда она родилась. Уже при свете первобытных костров люди делились сведениями и наблюдениями о погоде, о прозрачности атмосферы и сиянии серебристых облаков, о буйствах и волшебных красках сполохов небесного огня — полярных сияниях. Человек всегда старался отмечать тех, кто ставил надежные вехи на сложном и трудном пути познания. Так было и в нашей науке. М. В. Ломоносов одним из первых высказал мысль об электрической природе полярных сияний. Бальфур Стюарт первым высказал гипотезу о том, что магнетизм определяется электрическим током, текущим на высотах около 100 км и выше. Но основные знания принес XX век.
Геофизикой называют научное направление, исследующее строение, происхождение, историю, особенности Земли физическими методами.
История
История геофизики весьма сложна ввиду неравномерного развития ее разделов. Первыми появились элементы наблюдательной геофизики (в античные времена). К тем же временам относятся первые описания геофизических процессов.
Предпосылки формирования геофизики в качестве единой науки закладывались в XVII – XIX вв. и были обусловлены открытием основных законов макроскопической физики, созданием геофизических обсерваторий, проявлением необходимости перехода к глобальным исследованиям. Геофизика в виде самостоятельной комплексной науки появилась к середине XIX в. в результате обобщения и интерпретации накопленных материалов геофизических наблюдений. После этого стали систематически исследовать строения и физических параметров литосферы, атмосферы и гидросферы. Формирование геофизики завершилось в международный геофизический год (1882).
В начале XX в. данная наука потеряла ведущее значение в естествознании. Существенно способствовало ее развитию появление в 30 — 40 гг. сейсмических моделей Земли. Благодаря внедрению автоматизации наблюдений и ЭВМ увеличился объем получаемой и обрабатываемой информации. Применение методов физики твердого тела и высоких давлений обеспечило возможность перехода от изучения строения планеты к исследованию физических параметров недр. Существенно повлияли на геофизику космические исследования. К тому же они способствовали возникновению сравнительного планетоведения, основанного преимущественно на геофизических методах. В связи с решением современных глобальных задач, таких как охрана природы, поиск и оценка ресурсов, в том числе стихийных бедствий, изучение космического пространства и мирового океана, прогноз природных и природно-техногенных процессов, геофизика вновь заняла одно из ведущих положений в естествознании
Современная наука
Геофизика в широком понимании исследует физические параметры как внутренних оболочек планеты (земной коры, мантии и ядра), так и вод (подземных и поверхностных) и атмосферы.
По направленности геофизику подразделяют на фундаментальную и прикладную. Первая включает солнечно-земную физику, гидрофизику, физику атмосферы, физику твердой земли. Ко второй относят разведочную, промысловую и вычислительную.Солнечно-земная физика занимается исследованием физических процессов в межпланетной и околоземной средах.
В сферу изучения физики атмосферы входят процессы в ней, распределение давления и температуры, физические параметры ее газовых компонентов, химические реакции, поглощение и излучение радиации, конденсация и испарение, формы движения, формирование облаков, выпадение осадков. Данный раздел дифференцирован на метеорологию и аэрономию (изучают нижние и верхние слои соответственно). К физике атмосферы близки такие науки, как атмосферная оптика и актинометрия, исследующие оптические эффекты. Кроме того, существуют науки о атмосферном электричестве, турбулентности, акустике, выделяемые в обособленные отрасли.
Гидрогеофизика занимается изучением строения гидросферы и физических процессов в ней. Рассматриваемая наука подразделена на гидрологию суши и физику моря (океана). В сферу изучения первого раздела входят поверхностные воды. Второй раздел исследует физические процессы в океанах и морях, магнитные и электрические поля, распространение магнитогидродинамических эффектов, электромагнитных возмущений, взаимодействие с атмосферой. Он включает гидродинамику, акустику, оптику, термодинамику, ядерную гидрофизику.
Физика Земли представлена комплексом наук, изучающим строение, развитие, параметры, состав твердых сфер планеты, процессы в недрах. По предмету изучения данный раздел дифференцирован на сейсмологию, гравиметрию, геомагнетизм, геотермию, геоэлектрику, геодинамику, петрологию, минералогию, тектонофизику и прочие геофизические науки на стыке геологии, математики, химии и др.
Сейсмология является наиболее обширным разделом физики Земли. Она измеряет и анализирует движения в земной коре. Одной из основных сфер изучения сейсмологии являются сейсмические волны от природных и техногенных источников. Путем исследования их распространения и определения периодов колебаний планеты была построена ее сейсмическая модель. Первоочередной задачей сейсмологии является изучение землетрясений. К более узким задачам относятся изучение сейсмических шумов от техногенных объектов, связанных с волнением и шторами микросейм, цунами. Методы сейсмологии применяются в разведочной геофизике, в изучении других планет. Статья о сейсмологии.
Гравиметрия исследует гравитационное поле планеты, пространственное распространение его, земные приливы, гравитационные аномалии, обучловленные нутацией и прецессией земной оси процессы, определяет фигуру планеты. Наиболее близка данная наука к геодезии и топографии. К гравиметрии близко исследование современных движений земной коры и их связи с землетрясениями. Гравиметрические методы обширно применяются в разведочной геофизике.
Геомагнетизм занимается изучением геомагнитного поля и временных и пространственных его изменений, созданием теории магнитного поля. Один из его разделов изучает магнитные свойства горных пород архео- и палеомагнитными методами. Эти данные применяются в тектонике, поисках и разведке месторождений.
Геотермия исследует распределение температуры, ее источники в недрах, термическое состояние и термическую историю планеты. Экспериментальный раздел основан на определении теплового потока из недр и роста температуры с глубиной. Структурная геотермия выясняет связи величины теплового потока с тектоническими структурами. Ее результаты применяются в геотектонике. Другие задачи данной науки состоят в выявлении и исследовании тепловых аномалий и соотношения теплового потока континентов и океанов. Геотермия наиболее близко связана с геодинамикой.
Геоэлектрика исследует электрические параметры планеты, прежде всего электропроводность ее оболочек и электромагнитные поля естественного и искусственного происхождения. Включает глубинную (определяет фазовое и термодинамическое состояние недр путем изучения электропроводности мантии и земной коры) и прикладную (электрическая разведка) геоэлектрику.
Геодинамика изучает процессы в недрах Земли и их взаимосвязи. Основные задачи состоят в описании тектонических процессов и создании термомеханических моделей определяющих их глубинных процессов.
Вычислительная геофизика. Занимается накоплением и анализом геофизических наблюдений, разработкой методов решения обратных и некорректных задач, комплексирования геофизических данных, комплексного анализа геофизических, геоморфологических, геологических данных в целях поиска полезных ископаемых, сейсмического районирования, расшифровки космических снимков, прогноза землетрясений, изучения корреляции геофизических полей и строения земной коры, численным моделированием геофизических процессов. Связана с теоретической геофизикой, особенно в моделировании.
Разведочная геофизика исследует строение литосферы в доступной для практической деятельности зоне и занимается разведочно-поисковыми, инженерно-геологическими и гидрогеологическими работами.
В целом геофизика наиболее близко связана с геологическими дисциплинами, физико-математическими и техническими науками, астрономией, физической географией и др.
Предмет, задачи, методы
Предмет геофизики представлен планетой в целом и ее оболочками.
Задачи данной науки состоят в выяснении строения оболочек Земли, изучении их физических параметров и физических процессов в них, параметров физических полей и их временных и пространственных неоднородностей, выяснении на основе этих данных истории развития Земли и прогнозировании различных процессов.
В геофизике используется более ста физических методов изучения. Их классифицируют по месту проведения (наземные, аэрокосмические, морские, подземные), по изучаемым физическим полям и параметрам (сейсмические, магнитные, гравиметрические, термические, ядерно-физические и др.), по способу передачи информации (непосредственного измерения, дистанционные), по типу объектов исследования (геосфер и геофизических полей, процессов и величин). К тому же ввиду недоступности для непосредственного изучения многих объектов вследствие их нахождения в недрах в геофизике обширно применяется моделирование.
Профессия геофизик
Геофизике обучают в рамках как среднего специального, так и высшего образования. Достоинство данной специальности состоит в том, что она включает множество наук и поэтому дает несколько профессий, как и многие геологические специальности.
Геофизики востребованы в научной и образовательной сферах. Так, они работают в научно-исследовательских институтах, образовательных учреждениях, проектных организациях, разведочных и добывающих компаниях.
Заключение
Геофизика представлена комплексной наукой на стыке физико-математических дисциплин и наук о Земле, изучающей строение и развитие планеты, процессы в ее оболочках. Ввиду этого она занимает одно из ведущих положений в естествознании. К тому же геофизика имеет существенное прикладное значение благодаря участию в решении многих глобальных и практических задач.
Геофизика
Категории Геофизика | Под редакцией сообщества: Науки о Земле
Геофизика – комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли и физические процессы, происходящие в ее сферах. Геофизика, в широком смысле, изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро) вместе с явлениями, которые в ней происходят или происходили, физику океанов, поверхностных вод суши (озер, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию).
Содержание
Большинство прикладных и теоретических вопросов, решаемых геофизикой, связано с изучением не только Земли, но и окружающего пространства, доступного и недоступного непосредственному прямому наблюдению.
Имеются разные модели строения Земли. Для геофизиков она проста и понятна. Выделяют внешнюю оболочку Земли – атмосферу, включающую тропосферу, стратосферу и мезосферу, которые простираются соответственно до высот около 20, 50 и 100 км, а также ближний космос с ионосферой и термосферой, достигающими высот более 300 и 5000 км соответственно. Внутренние оболочки Земли включают в себя внешнюю геолого-геофизическую среду от земной поверхности до глубин порядка 1 км, осадочный чехол (до 15 км), кристаллический фундамент (10-40 км), земную кору, объединяющую все верхние оболочки Земли (до 10 км в океанах, до 70 км в горах), акватории поверхностных вод суши (океаны, моря, озера, реки) с глубинами до 15 км, подземную гидросферу и литосферу, часто называемую гидролитосферой (примерно до 50-100 км), астеносферу (от кристаллического фундамента до границы порядка 600 км, так называемую верхнюю мантию), нижнюю мантию (от 600 км до 2900 км) и ядро (от 2900 км до центра Земли).
Земля характеризуется наличием физических полей. К естественным физическим полям Земли относят: поле силы тяжести (гравитационное), геомагнитное и электромагнитные поля космической и атмосферной природы, электрические поля электрохимического происхождения, упругие поля землетрясений, тепловое (геотермическое) поле, поля внутренних недр, ядерных излучений.
Искусственными неуправляемыми считаются техногенные физические поля промышленных помех (электромагнитные, упругие, тепловые, ядерных излучений).
Искусственными управляемыми являются физические поля, специально созданные для геофизических исследований (электромагнитные, упругие, тепловые, ядерные).
Геофизические методы исследований позволяют с высокой степенью достоверности изучить закономерности строения Земли и ее характеристики. Методы могут использоваться для решения огромного числа задач: космических (с целью расчленения и изучения физических свойств всех оболочек Земли и других планет, а также изучения их физических свойств), геологических (структурно-тектонического картирования, поисков и разведки различных полезных ископаемых, проведении гидрогеологических, инженерно-геологических, горно-технических, мерзлотных, геоэкологических исследованиях), географических (ландшафтоведческих, метеорологических, океанологических, морских, озерных, речных, гляциологических), биолого-почвенных, археологических, экологических, медицинских. Перечисленные науки имеют свои прямые методы исследования. Геофизика часто позволяет решать некоторые характерные для этих наук задачи косвенными физическими методами. При этом она решает их во многих случаях более быстрее и эффективнее.
В соответствии с названными физическими полями и методами общая и прикладная геофизика подразделяются на: гравиметрию и гравиразведку, магнитометрию и магниторазведку, электрометрию (глубинную геоэлектрику) и электроразведку, сейсмологию, сейсмометрию и сейсморазведку, термометрию (геотермию) и терморазведку, ядерную геофизику и ядерно-физические исследования. Слово «метрия» в названиях геофизических методов раньше относилось к собственно инструментальным разделам этих методов. В настоящее время техника настолько тесно связана с технологией проведения работ, компьютерными способами регистрации, обработки и интерпретации материалов, основанными на выводах математической геофизики, что геофизические измерения переходят в исследования, т.е. исследуются закономерности в поведении тех или иных геофизических параметров, которые отражают особенности состава и строения пород и минералов. Поэтому в название методов, предназначенных для решения общих фундаментальных физико-математических, технических и физико-геологических задач, будет входить слово «метрия». Словом «разведка» выделяются научно-прикладные методы геофизики, применяемые для решения многих задач наук, главным образом, с вязанные с поиском и разведкой полезных ископаемых.
Геофизика, находясь на стыке основных естественных и точных наук (астрономии, физики, математики, геологии, географии, химии, биологии), имеет общие с этими науками объекты исследований – Землю и ее оболочки. Однако предметы исследований у них разные. Например, у геологических методов предметом исследования являются минералы, породы, толщи, структуры, полезные ископаемые, а у геофизических – параметры различных физических полей, которые или создаются этими геологическими объектами, или искажаются вследствие того, что объекты отличаются по геометрическим параметрам и физическим свойствам от вмещающих пород. Дополняя прямые подходы названных наук косвенными, геофизика повышает тем самым их информативность, наукоемкость, привнося в некоторые из них аппаратурную базу, математический аппарат и физический эксперимент.
Фундаментальная, общая, глобальная, планетарная геофизикаподразделяется на физику Земли, а также геофизику планет, космоса, атмосферы, поверхностной и подземной гидросферы, литосферы. Непрерывно возрастающая роль антропогенно-техногенной деятельности, по последствиям сравниваемой с природными факторами, позволяет выделить из общей геофизики еще одну, новую фундаментальную науку – геофизику биотехносферы (ее можно назвать геофизической экологией, или биогеофизикой). Она предназначена для изучения влияния природных и техногенных физических полей на биосферу (среду обитания биоты и человека). Объектом исследования биогеофизики являются части атмосферы, суши, поверхностной и глубинной гидросферы, верхние горизонты литосферы. Предметом исследований служат естественные и искусственные физические поля, их вариации во времени и пространстве. Цель исследований общей геофизики – изучение изменений физических свойств оболочек Земли в плане и по глубине с помощью методов глубинной геофизики с привлечением для истолкования результатов данных астрофизики, геологии (в том числе глубинного бурения), петрологии, минералогии, геохимии и физики вещества при высоких давлениях и температурах.
Земля и все ее сферы являются открытыми, активно живущими, динамически развивающимися, нелинейными системами, тесно связанными между собой. Они окружены космическим пространством (физическим вакуумом), насыщенным различными неоднородными в пространстве и во времени энергоинформационными полями импульсно-ритмичной формы. Далеко не все из них известны классической науке. Эволюция Вселенной, Галактики, Солнца, Земли, биосферы сопровождается цикличным обменом вещества (от корпускулярного излучения космоса до извержения вулканов), энергии (от полей в атомах и молекулах до гравитационных полей сверхзвезд), обменом информации между биосферой и космосом (например, через многочисленные ритмы Вселенной).
Основными задачами, которые решает прикладная геофизика, являются: выяснение состава, структуры и состояния горных пород, слагающих земную кору; поиски и разведка полезных ископаемых; изучение геологической среды для промышленного, сельскохозяйственного, гражданского, военного освоения и сохранения ее экологических функций – источника жизни на Земле. Эти задачи решаются методами глубинной (километры), малоглубинной (сотни метров) геофизики, методами «близкого действия» (первые метры и доли метра), а также другими геологическими методами (изучение образцов горных пород из обнажений, скважин и др.). Последние являются прямыми, непосредственными, основанными на определении минерального, петрографического и геохимического состава горных пород, их флюидонасыщенности. Геофизические же методы, являясь косвенными, служат для выявления аномалии физических полей, обусловленных физическими и геометрическими неоднородностями горных пород, обеспечивая высокую плотность, объемный, часто интегральный характер получаемой объективной информации. Производительность экспериментальных (наземных и особенно морских и аэрокосмических) геофизических работ значительно выше, а стоимость меньше по сравнению с разведкой с помощью скважин. Повышая геологическую и экономическую эффективность изучения недр, геофизические методы исследования являются важнейшим фактором ускорения научгю-технического прогресса в геологии и горном деле.
В соответствии с решаемыми задачами основных прикладных направлений геофизических исследований земной коры прикладную геофизику можно классифицировать следующим образом: глубинная; региональная; собственно разведочная, подразделяемая на нефтегазовую, рудную, нерудную, угольную; инженерная, включающая инженерно-геологическую, горную (шахтно-рудничную), гидрогеологическую, почвенно-мелиоративную, мерзлотио-гляциологическую, техногенную (горнотехническую); археологическая; экологическая и медицинская геофизики. Формирование двух последних разделов идет за счет экологических аспектов всех направлений геофизики.
При восстановлении картины геологического прошлого Земли (историко-геологическая реконструкция) огромную роль играют палеомагнитные исследования, восстанавливающие характер, картину, направленность тех или иных геологических процессов в древние времена миллионы и миллиарды лет тому назад. Задачи этого направления сводятся к установлению последовательности различных геологических процессов и событий, например процессов тектогенеза, метаморфизма, образования и разрушения залежей полезных ископаемых, трансгрессий и регрессий морей, смены эпох оледенений эпохами межледниковий и т.д. Чтобы понять геологические процессы прошлого, изучается весь комплекс результатов, в том числе и геофизических.
↑История возникновения и развития геофизики
Геофизика как наука имеет длительный период формирования и развития. Первые геофизические знания человечество начало получать с момента своего появления, так как само существование людей на нашей планете предполагало их активное взаимодействие с окружающей природой. С древних времен люди старались познать законы существования природы в целом и Земли в частности, и в этой связи многочисленные наблюдения, описания, измерения, определения, сопровождаемые историю человечества, легли в основу современных геофизических знаний. Следует отметить, что история геофизики неразрывно связана с появлением, развитием и достижениями других наук – геологии, физики, химии, астрономии, сейсмологии, метеорологии, географии.
Предпосылки для создания геофизики как отдельной отрасли геологической науки были заложены в XVII-XIX вв. В XVII в. Б. Варрениус впервые указал на тесную связь географии и физики. Но впервые для объяснения географических явлений использовал физические методы А. фон Гумбольдт (1804 г.), который также заложил научные основы геомагнетизма. А. фон Гумбольдт высоко оценил работу Х. де Акосты (1539-1600) по исследованию в области метеорологии и физики, и за многие его открытия он удостоил его звания одного из основателей геофизики. В трудах Х. де Акосты впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения, соображения об изгибе изотермических линий и о распределении тепла в зависимости от широты, о направлении течений и многих физических явлений: различия климатов, активности вулканов, землетрясений, типы ветров и причины их возникновений. После открытия И. Ньютоном отливов и приливов, Х. де Акоста объяснил их природу, периодичность и взаимосвязь с фазами Луны. Он первым доказал, что землетрясения и вулканические выбросы имеет различную природу, описал различные землетрясения, их очередность и многие явления с ними связанные.
Как комплексная самостоятельная наука геофизика определилась к середине XIX в, когда были накоплены достаточно обширные материалы геофизических наблюдений, позволившие приступить к их обобщению и физическому истолкованию. На основании полученных результатов началось систематическое изучение строения и физических свойств твёрдой, жидкой и газообразной оболочек Земли.
Геофизические методы исследования недр начали развиваться с 20-х гг. XX в. Однако физико-математические основы геофизики были заложены значительно раньше. Также давно началось использование физических полей Земли для практических целей. Ранее других методов возникла магниторазведка. Первые сведения о применении компаса для разведки магнитных руд в Швеции относятся к 1640 г. Теория гравитационного поля Земли берет свое начало с 1687 г., когда И. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. В 1753 г. М.В. Ломоносов высказал мысль о связи значений силы тяжести на земной поверхности с внутренним строением Земли и разработал идею газового гравиметра. Его же работы в области сейсмологии, атмосферного электричества можно считать первыми, относящимися к геофизическим исследованиям Земли. Первыми работами по электроразведке являются проведенные в 1830 г. наблюдения Р. Фокса (Англия) за естественной электрической поляризацией сульфидных залежей. В 70-90-е гг. XIX в. профессора Московского университета Б.Я. Швейцер и Ф.А. Слудский выявили путем экспериментальных маятниковых наблюдений и теоретических расчетов Московскую гравитационную аномалию. Наличие ее и оцененная глубина залегания возмущающих масс (около 2 км) подтверждены современными гравиметрическими съемками и бурением.
В 1829 г. в Париже, в Трудах Парижской Академии Наук появилась статья С.Д. Пуассона, посвященная применению волнового уравнения для описания распространения упругих волн в твердых средах. Эта статья оказалась основополагающей для описания всей акустики твердых сред и основного направления ее – сейсморазведки. Решив волновое уравнение для двух граничных условий, С.Д. Пуассон получил выражения для описания продольных и поперечных упругих колебаний.
В 1885 г. Д.В. Рэлей дал описание поверхностных волн (волн Рэлея). И далее, все математики, которым удавалось решать волновое уравнение для определенных граничных условий, могли рассчитывать на увековечивание своего имени в результате того, что новый тип упругих колебаний будет назван их именем. Так «возникли» волны Лява, Лэмба, Стонли и др.
В 1909 г. профессор Загребского университета, геофизик А. Мохоровичич объявил о том, что ему удалось средствами сейсморазведки обнаружить на глубине в несколько десятков километров границу между породами мантии и коры Земли. Эту границу назвали поверхностью Мохоровичича. Следом за Мохоровичичем австрийский геофизик В. Конрад сделал аналогичное «открытие», согласно которому на глубине от 10 до 70 км существует граница между гранитом и базальтом. Затем, уже после этого было объявлено, что средствами сейсморазведки обнаружено, будто толщина (или, как говорят геологи, мощность) коры под океанами меньше, чем под материками. А также, что ядро Земли находится в жидком состоянии.
В середине XIX в геофизика окончательно выделилась в самостоятельную науку.
В 1913 г. К. Шлюмберже (Франция) разработал метод электроразведки постоянным током, а в 1918 г. К. Зунберг и Н. Лунберг (Швеция) предложили электроразведку переменным током.
Со времени установления Ш.О. Кулоном закона взаимодействия магнитных масс (1785) начинает развиваться теория земного магнетизма. Первыми систематическими разведочными работами в России и в мире были съемки Курской магнитной аномалии (КМА), начатые профессором МГУ Э.Е. Лейстом в 1894 г., а также магнитные съемки, проведенные на Урале Д.И. Менделеевым и в районе Кривого Рога И.Т. Пассальским в конце позапрошлого века. В 1919 г. будущим профессором МГУ и основателем кафедры геофизики МГУ (1944) А.И. Заборовским были начаты магнитные съемки на КМА. Именно эти работы можно считать началом развития отечественной разведочной геофизики. Теоретические работы начала прошлого века Э. Вихерта (Германия) и Б.Б. Голицына (Россия) в области сейсмологии имели самое непосредственное отношение к созданию сейсморазведки.
Среди советских ученых, заложивших основы геофизических методов исследования мирового значения, можно отметить Л.М. Альпина, В.И. Баранова, В.И. Баумана, В.Р. Бурсиана, В.Н. Дахнова, Г.А. Гамбурцева, А.И. Заборовского, А.Н. Краева, П.П. Лазарева, А.А. Логачева, А.А. Михайлова, П.П. Никифорова, А.А. Петровского, М.К. Полшкова, Е.Ф. Саваренского, А.С. Семенова, Л.В. Сорокина, Ю.В. Ризниченко, А.М. Епинатьеву Л.А. Рябинкина, А.Г. Тархова, В.В. Федынского, О.Ю. Шмидта, Б.М. Яновского.
К началу XXI в. по уровню теории и решаемым проблемам отечественная геофизика занимала передовые позиции в мире. Одной из ведущих и современных геофизических школ в настоящее время является геологический факультет МГУ, имеющий собственное отделение геофизики (кафедра геофизики). В последнее десятилетие на отделение геофизики, среди абитуриентов геологического факультета, зафиксирован один из самых высоких конкурсов по сравнению с другими отделениями.
↑Состав и содержание геофизики
В разделении геофизических дисциплин нет твёрдо установившейся терминологии. Наиболее разработанная классификация геофизических наук положена в основу рубрикации реферативного журнала «Геофизика», согласно которой в состав геофизики как науки входят: геомагнетизм (учение о земном магнитном поле); аэрономия (учение о высших слоях атмосферы); метеорология – наука об атмосфере с подразделением на: физическую метеорологию (физику атмосферы), динамическую метеорологию (приложение гидромеханики к атмосферным процессам), синоптическую метеорологию (учение о крупномасштабных атмосферных процессах, создающих погоду, и об их прогнозе), климатологию; океанология– учение о Мировом океане, включая и физику моря; гидрология суши– учение о реках, озёрах и других водоёмах суши; гляциология – учение о всех формах льда в природе; физика недр Земли: сейсмология– учение о землетрясениях и иных колебаниях земной коры; тектоника – (геотектоника)– наука о структуре земной коры, типах её структурных элементов и их эволюции; геоморфология– учение о рельефе суши, дна океанов и морей, его формах, типах, его происхождении и эволюции, связанных с ним геологических и тектонических структурах; гравиметрия– учение о поле силы тяжести; учение о земных приливах; учение о современных движениях земной коры.
Указанные науки, в свою очередь, разделяются на отдельные частные дисциплины. Некоторые из них, например климатологию и гляциологию, большей частью относятся к географическим наукам.
Основные направления исследований геофизики относятся к областям фундаментальной, общей, глобальной и планетарной геофизики.
Наиболее тщательно проработанным направлением геофизики является физика твердой Земли, основными разделами которой являются сейсмология, геодезия, гравиметрия, геомагнетизм, геоэлектрика, геотермия, реология, физика горных пород и минералов, их слагающих. Из всей совокупности геофизических направлений исследований необходимо выделить прикладную геофизику, в основе которой лежат методы и теория геофизической съемки и геофизической разведки, главным образом, развивающиеся с целью и задачами поиска месторождений полезных ископаемых. Таким образом, в рамках этих геофизических направлений развиваются различные геофизические методы, среди которых для разведки месторождений полезных ископаемых используются разнообразные методы разведочной геофизика, а для контроля контроля за их разработкой – методы промысловой геофизики.
Геофизические методы исследований основаны на физических и физико-математических теориях и прямых полевых наблюдениях, которые осуществляются с помощью приборов, фиксирующих те или природные явления (естественные физические поля), что позволяет определить характеристики, описывающие эти явления (поля). Известно, что Земля имеет различные оболочки, которые обладают индивидуальными особенностями состава, строения и физическими полями, именно они и являются предметом изучения геофизики. Состав и строение этих оболочек – также предмет исследования геологов других специализаций (петрологов, геохимиков, минералогов и т.д.).
Количество методов и модификаций геофизики приближается к сотне. Поэтому существуют разные подходы к их классификации и объединению в группы (см. таблицу).
Как отмечалось выше, по используемым полям прикладные методы геофизики делятся на грави-, магнито-, электро-, сейсмо- и терморазведку, а также ядерную геофизику.
По прикладным, целевым направлениям и решаемым задачам они подразделяются на глубинную, региональную, разведочную, инженерную и экологическую геофизику.
По видам деятельности различают теоретическую, инструментальную, экспериментальную, вычислительную, интерпретационную геофизику.
По месту, пространственному уровню проведения работ геофизические методы исследования подразделяются на следующие технологические комплексы: аэрокосмические (дистанционные), полевые (наземные), акваториалъные (океанические, морские, речные), подземные (шахтно-рудничные) и геофизические исследования скважин (ГИС) и работы в них (ГИРС), которые назывались промысловой геофизикой, или каротажем. Иногда дистанционные методы изучения поверхности Земли с помощью самолетов, вертолетов, искусственных беспилотных спутников, пилотируемых космических кораблей не считают геофизическими, поскольку при этих работах преобладают съемки в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн (фото- и телевизионная съемки). Однако кроме таких визуальных наблюдений все чаще используют дистанционные методы с использованием невидимого диапазона электромагнитных волн: ультрафиолетовые, инфракрасные, радиолокационные (радарные и радиотепловые), радиоволновые, ядерные, магнитные и др., которые являются сугубо геофизическими.
Особое место в геофизике занимают геофизические исследования скважин (ГИС) или работы в них (ГИРС), отличающиеся от прочих геофизических методов специальной аппаратурой, технологией проведения наблюдений и имеющие большое прикладное значение при документации разрезов скважин и их эксплуатации, особенно при добыче нефти и газа и в целях повышения отдачи скважин.
Важнейшим методологическим принципом, под которым понимается теория рациональной деятельности для геофизической разведки, является комплексирование. Оно бывает межметодным геофизическим (применение хотя бы двух-трех методов геофизики); разноуровневым (использование хотя бы двух технологий съемок, различающихся по уровню проведения работ); междисциплинарным, (включение различной геологической, географической, экологической и другой информации). Геофизические методы исследования, несмотря на то что они базируются на всех этих науках, по сути остаются геологическими. О большой роли геофизики говорит, например, такой факт: треть ассигнований и четверть специалистов в геологоразведочных организациях связаны с геофизикой. Иногда комплексирование называют настройкой геофизических методов на решение определенных задач в заданных природных и техногенных условиях.
Комплексные геофизические исследования характеризуются стадийностью (переходом от простых методов к более трудоемким, от мелких масштабов к крупным) и выбором типовых или рациональных экономически обоснованных комплексов решения конкретных задач. Теория комплексной интерпретации разрабатывается на базе компьютерных технологий в рамках вычислительной геофизики и геофизической информатики. Цель комплексной интерпретации сводится к достижению однозначности геологических выводов путем выбора, анализа, оптимизации ФГМ.
Возрастание роли геофизики в связи с увеличением глубин и сложности разведки месторождений ведет не к замене геологических методов геофизическими, а к рациональному их сочетанию, широкому использованию всеми геологами данных геофизики. Единство и взаимодействие геологической и геофизической информации – руководящий методологический принцип комплексирования наук о Земле. Объясняется это тем, что возможности каждого частного метода геологоразведки (геологическая съемка, бурение, проходка выработок, геофизика, геохимическая разведка и др.) ограничены. В любом случае геофизика облегчает разведку глубокозалегающих полезных ископаемых, особенно в труднодоступных районах, а также изучение геологической среды с инженерными и экологическими целями. Сближение и совместное использование геологической, геофизической и геохимической информации – единственно разумный и экономически целесообразный путь изучения недр.
Классификация методов прикладной и скважинной геофизики
↑Физические поля и свойства горных пород
Каждое физическое поле численно характеризуется своими наблюденными (наблюдаемыми, измеряемыми или регистрируемыми) физическими параметрами поля (Пн).Их получают в результате геофизических работ с помощью сложной, как правило, компьютеризированной аппаратуры. Параметрами геофизических полей являются: гравитационный – ускорение свободного падения, называемое сокращенно силой тяжести (g), а также его градиенты по осям координат (gх, gу, gz); геомагнитный – полный вектор напряженности Т и различные его элементы (вертикальная (Z), горизонтальная (Н) составляющие и др.); электромагнитный – векторы магнитной (H) и электрической (F) составляющих; упругий – амплитуда (А), время (t) и скорость (u) распространения волн различного типа; термический – температура (T°С), тепловой поток (q); ядерно-физический – интенсивности естественного (Jу) и искусственно вызванных (Jγγ, Jnn) гамма- и нейтронных излучений (в обозначениях последних первая буква подстрочного индекса указывает на то, чем облучается горная порода, а вторая – на то, что измеряется, где g – гамма-, n – нейтронные излучения). Отмеченные параметры называются абсолютными. Однако в геофизике чаще измеряются относительные значения (Dg, DT, DE и др.), т. е. определяются приращения этих физических параметров во всех пунктах измерения по отношению к одному опорному (исходному) пункту. Такие параметры измеряются, как правило, точнее и быстрее.
Принципиальная возможность проведения геологической разведки на основе изучения различных физических полей Земли определяется тем, что распределение параметров полей в воздушной оболочке, на земной поверхности, на акваториях, в горных выработках или скважинах зависит не только от особенностей происхождения естественных полей или способа создания искусственных, но и от распределения в теле Земли неоднородностей их геометрии и физических свойств. Под геометрией понимается местоположение, форма, размеры, глубина залегания геологических структур, геологических слоев разной литологии, рудных и нерудных залежей полезных ископаемых и других разведываемых объектов.
Под физическим свойством горных пород понимается такой физический параметр, который, с одной стороны, зависит от их вещественного состава, условий залегания, пористости и флюидонасыщенности и других геологических факторов, а с другой стороны, сам влияет на параметры какого-нибудь физического поля. Так, гравитационное поле зависит от изменения плотности пород (s); магнитное поле – от магнитной восприимчивости (c) и остаточной намагниченности (Jr); электрическое и электромагнитное поля – от удельного электрического сопротивления пород (r), диэлектрической (e) и магнитной (m) проницаемостей, естественной поляризуемости или электрохимической активности (a), вызванной поляризуемости (h); упругое поле – от скорости распространения (u) и затухания (b) различных типов волн, а последние, в свою очередь, – от плотности, упругих констант (модуль Юнга (Е), коэффициент Пуассона (g) и др.); термическое поле– от тепловых свойств: теплопроводности (lγ), теплоемкости (с), температуропроводности (а) и др.; ядерные – от естественной и наведенной радиоактивности, гамма-лучевых и нейтронных свойств. Физические свойства горных пород и руд изменяются иногда в небольших пределах (например, плотность изменяется от 1 до 6 г/см 3 ), а иногда в очень широких пределах (например, удельное электрическое сопротивление изменяется от 0,001 до 10 15 Ом ∙ м). В зависимости от целого ряда геологических факторов (литологии, химического состава, текстуры, физико-механических и водных свойств) одна и та же порода может характеризоваться разными физическими свойствами, и наоборот, разные породы могут иметь одинаковые свойства.
↑Рекомендуемая литература
В.К. Хмелевской. Геофизические методы исследования земной коры
В.М. Бондаренко, Г.В. Демура, Е.И. Савенко. Общий курс разведочной геофизики
В.В. Орлёнок. Физика Земли, планет и звезд
В.А. Магницкий. Внутреннее строение и физика Земли
Б. Гутенберг. Внутреннее строение Земли
Б. Гутенберг. Физика земных недр
Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.