Геофизика

ГЕОФИЗИКА (от греч. ge — Земля и physike — основы естествознания * а. geophysics; н. Geophysik; ф. geophysique; и. geofisica) — комплекс наук, исследующих физическими методами происхождение, эволюцию, строение, свойства и процессы (природные и техногенные) в Земле и её оболочках (атмосфере, гидросфере, литосфере и т.д.).

Геофизика основана на изучении природы, структуры, пространственной неоднородности, временной изменчивости геофизических полей (гравитационного, геомагнитного, электромагнитного, геотермического и др.) и их отклонений от нормы (см. геофизическая аномалия), что обусловлено неоднородностью состава и сложностью строения Земли, характером происходящих в ней процессов, влиянием Солнца, Луны, планет, космического излучения и т.п., а также воздействием биосферы и техногенной деятельности.

Геофизика связана с геологическими науками (особенно тектоникой, вулканологией, петрофизикой, а также геохимией), астрономией, математикой, физикой и многими техническими науками, физической географией и др.

Крупные разделы геофизики — солнечно-земная физика, физика атмосферы, гидрофизика и физика "твёрдой" Земли, разведочная геофизика, промысловая геофизика и вычислительная геофизика.

Солнечно-земная физика изучает явления и процессы в межпланетной и околоземной среде. Состояние ионосферы и магнитосферы Земли, форма радиационных поясов и т.п. зависят от уровня солнечной активности, вариаций потоков электромагнитного излучения и космических лучей. Наиболее сильные возмущения ионосферы и магнитосферы связаны с солнечными вспышками, которые сопровождаются многократным усилением потоков частиц высоких энергий и увеличением интенсивности электромагнитного излучения во всех диапазонах. Это вызывает полярные сияния, магнитные бури, изменяет отражательную способность ионосферы, нарушает энергетический баланс тропосферы, что приводит к вариациям метеорологических факторов и т.п.

Физика атмосферы изучает процессы и явления в атмосфере, свойства газовых составляющих, поглощение и излучение ими радиации, химические реакции, распределение температуры и давления, испарение и конденсацию водяного пара, образование облаков и выпадение осадков, разнообразные формы движения в атмосфере. Физика атмосферы разделяется на метеорологию, изучающую нижние слои атмосферы, и аэрономию, исследующую верхние слои. Тепловое излучение и различные оптические эффекты изучаются актинометрией и атмосферной оптикой.

Выделяются в отдельные отрасли науки учения об атмосферном электричестве, акустике и турбулентности.

Гидрофизика изучает строение и физические процессы в гидросфере и тесно связана с географией, геохимией, геологией, гидрогеологией и др. Гидрофизика разделяется на физику моря, гидрологию суши. Физика моря (физика океана) исследует физические процессы в Мировом океане и включает термодинамику, гидродинамику, акустику, оптику, ядерную гидрофизику (изучение радиоактивности вод океана и её изменения), а также занимается исследованием квазистационарных электрических и магнитных полей в океане, распространения в нём низкочастотных электромагнитных возмущений, возникающих благодаря электропроводности морской воды, магнитогидродинамических эффектов. Крупнейшая проблема физики океана — взаимодействие атмосферы и океана — имеет большое прикладное значение, в частности, для прогноза погоды и климатологии. Гидрология суши исследует поверхностные воды (реки, озёра, водохранилища, болота, ледники).

Физика Земли (или геофизика в узком смысле слова) представляет комплекс наук, изучающий строение и эволюцию т.н. твёрдой Земли, её состав, свойства, процессы в недрах и др. В зависимости от предмета исследования в физике Земли выделяются самостоятельные крупные разделы: сейсмология, гравиметрия, геомагнетизм, геотермия, геоэлектрика, геодинамика, исследование минералов и горных пород при высоких давлениях и температурах, а также других геофизических наук, возникшие и развивающиеся на стыке с геологией (тектонофизика и др.), математикой, химией и т.д.

Сейсмология — наиболее обширный раздел физики Земли. Долгое время она была наукой о землетрясениях и сейсмических волнах. Современная сейсмология занимается измерениями и анализом всех видов движений в земной коре, которые регистрируются сейсмографами на суше, а также на дне океанов и морей. В сейсмологии используются волны как от естественных источников (землетрясений), так и от искусственных источников — взрывов и различного типа вибраторов. Исследование характера распространения сейсмических волн, а также измерения периодов собственных колебаний Земли позволили решить основную задачу сейсмологии — построить сейсмическую модель Земли. Глобальная сейсмическая модель даёт распределение скоростей продольных и поперечных волн с глубиной или в зависимости от радиуса с учётом неоднородности Земли и специфики отдельных регионов, позволяет установить распределение плотности, давления, модулей упругости и других физических параметров, разделить недра на специфические зоны. Изучение землетрясений включает выявление их географической распространённости и связи с региональными особенностями, распределение их по энергиям (см. сейсмичность Земли), разработку теории подготовки и механизма землетрясения (физика очага землетрясений), критериев прогноза (анализ их предвестников). К "малым" задачам сейсмологии можно отнести исследование сейсмических шумов от промышленных установок и транспорта, микросейсм, связанных со штормами и волнением в океанах, а также цунами и их предсказание. Данные сейсмологии используются в различных геологических концепциях (например, для разработки теории тектоники плит), при решении крупных прикладных задач — прогноза землетрясений, сейсмического микрорайонирования и оценки сейсмического риска, прогноза значительных перемещений, вызываемых землетрясениями и взрывами, обнаружения и распознавания ядерных взрывов, выбора территорий для строительства атомных электростанций. Сейсмические методы широко применяются в разведочной и промысловой геофизике (см. сейсмическая разведка, сейсмический каротаж), а также в исследованиях других объектов Солнечной системы (например, Луны, Марса и Венеры).

Гравиметрия изучает гравитационное поле Земли, его пространственное изменение и определяет фигуру Земли. Гравитационное поле отражает характер распределения масс в недрах планеты и тесно связано с её формой. Выявление гравитационных аномалий, их физическая и геологическая интерпретация являются важными задачами гравиметрии. Оценка гравитационных аномалий широко используется в физике Земли, т.к. их наличие приводит к касательным напряжениям в теле Земли, которые являются причинами течений вещества, а иногда и разрушений. Отсутствие связи гравитационных аномалий с главными топографическими особенностями Земли — океанами и континентами — позволило сделать вывод, что континентальные области изостатически скомпенсированы (см. изостазия). Небольшие локальные или региональные отклонения гравитационного поля Земли обусловлены локальными нарушениями изостазии. Гравиметрия изучает также приливы в теле Земли (земные приливы) и явления, связанные с прецессией и нутацией земной оси. Приливные колебания земной поверхности позволяют проводить зондирование недр планеты на сверхдлинных периодах от 1/2 суток до 14 месяцев, что существенно для изучения неупругих свойств земных недр. Современные абсолютные гравиметры высокой чувствительности позволили впервые зарегистрировать временные изменения гравитационного поля, которые обусловлены неравномерностью вращения Земли. Гравиметрия тесно связана с топографией и геодезией.

Использование ИСЗ радикально изменило облик классической гравиметрии. С одной стороны, траекторные измерения позволили с высокой точностью определить гравитационный потенциал Земли, с другой — спутниковая альтиметрия установила с ещё большей детальностью форму уровня океанов и, таким образом, поверхность геоида на океанах. К гравиметрии примыкает научное направление — изучение современных движений земной коры и их связи с подготовкой землетрясений. Методы гравиметрии широко используются в разведочной геофизике (см. гравиметрическая разведка).

В результате космических исследований получены количественные данные (разной степени детальности) о гравитационном поле Луны, Марса, Венеры, Меркурия, Юпитера и Сатурна.

Геомагнетизм изучает геомагнитное поле и его пространственно-временные вариации. Вековые вариации отражают сложную картину гидромагнитных течений и колебаний в ядре Земли, где расположены источники собственно геомагнитного поля. Вариации могут также возникать как результат электромагнитного взаимодействия на границе ядро — мантия. Источники суточных и более коротких вариаций геомагнитного поля находятся в атмосфере и магнитосфере. Эти вариации индуцируют теллурические токи в верхних слоях Земли. Создание законченной теории геомагнитного поля — одна из важнейших нерешённых задач геофизики.

Крупным разделом геомагнетизма является наука о магнитных свойствах горных пород, изучение которых археомагнитными и палеомагнитными методами позволяет охарактеризовать геомагнитное поле далёкого прошлого. Явление смены полярности геомагнитного поля с периодами в сотни тысяч и млн. лет положено в основу геомагнитной хронологической шкалы, которая широко используется для установления перемещений земной коры океанов и дрейфа материков в историческое и геологическое время. Открытие западного дрейфа недипольной части изолиний магнитного поля со скоростью примерно 0,2° в год по долготе позволило оценить скорости долготных течений в ядре. Данные геомагнитных исследований применяются для решения задач тектоники, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых (см. магнитная разведка) и др. По астрономическим наблюдениям магнитное поле было обнаружено у Юпитера; с помощью космических аппаратов были открыты магнитные поля Меркурия, Марса, Сатурна, а также обнаружены следы намагниченности лунных пород, что, по-видимому, свидетельствует о существовании в первые 1,5 млрд. лет собственного магнитного поля Луны.

Геотермия (геотермика) изучает тепловое состояние, распределение температуры и её источников в недрах и тепловую историю Земли. Вопрос о распределении температур тесно связан с распределением источников тепла в глубинах Земли, что имеет фундаментальное значение для любых гипотез о строении и эволюции планеты. Температура вместе с давлением и значением касательных напряжений определяет состояние вещества и характер процессов в недрах Земли. В отличие от давления, характер распределения температуры с глубиной отличается большей неопределённостью. Экспериментальная геотермия основана на измерении нарастания температуры с глубиной (геотермическая градиента) и теплового потока из земных недр. Построены детальные карты теплового потока на поверхности Земли и проведён гармонический анализ этих данных. Наличие корреляции величины теплового потока с различными тектоническими структурами (рифтами срединно-океанического хребтов, щитами и платформами континентов и т.д.) и их возрастом привело к созданию структурной геотермии, результаты которой используются в теоретической геотектонике. Современная геотермия тесно связана с геодинамикой, т.к. мантия Земли находится в конвективном состоянии и конвективный теплоперенос на порядок более эффективен, чем кондуктивный. Исследование теплового потока Земли показало примерное равенство среднего теплового потока для континентов и океанов (несмотря на большую концентрацию радиоактивных источников в более мощной континентальной коре); однако некоторые исследователи считают, что значения теплового потока в океанах несколько выше, чем на континентах. Эта проблема является одной из основных задач в современной геотермии, решение которой намечается в современных геодинамических моделях. Тепловые аномалии используют при разведке месторождений полезных ископаемых (см. геотермические поиски месторождений), а также при оценке геотермальных ресурсов. Оценка теплового потока Луны показала, что его значение в 3-4 раза меньше, чем среднее значение теплового потока Земли.

Геоэлектрика изучает электрические свойства, главным образом электропроводность оболочек Земли. Она состоит из глубинной геоэлектрики, исследующей электропроводность земной коры и мантии с целью определения термодинамического и фазового состояния недр Земли, и прикладной геоэлектрики, или электрической разведки. Задачи геоэлектрики решаются посредством изучения естественных и искусственных электромагнитных полей. По результатам глобальных и региональных исследований методами глубинной геоэлектрики построена геоэлектрическая модель Земли и обнаружены проводящие зоны, связанные с гидротермальными явлениями в земной коре и процессами частичного плавления в астеносфере. Электроразведка применяется при поисках нефтегазовых, рудных и других месторождений, а также при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях. См. также магнитотеллурические методы разведки.

Геодинамика изучает методы механики сплошных сред и неравновесной термодинамики свойства и процессы, протекающие в "твёрдой" Земле, а также связи тектонических, магматических и метаморфических процессов с глубинными (главным образом тепло- и массоперенос в коре и мантии). При этом исследуются явления и процессы различных пространственных и временных масштабов — от глобальных (фигура Земли, собственные колебания Земли, дрейф континентов) до локальных процессов в очагах землетрясений, слоях горных пород, шахтах, скважинах и т.п. Основная задача современной глобальной геодинамики — исходя из законов физики и химии, дать описание тектонических процессов на континентах и океанах, а также построить термомеханические модели глубинных процессов, определяющих глобальные тектонические явления в земной коре и литосфере с учётом реальных физических свойств вещества Земли.

Для разработки термомеханических аспектов геолого-геофизических концепций и проверки механической обоснованности существующих геотектонических гипотез строятся всё более совершенные геодинамические модели: спрединга, деформирования литосферы в различных регионах, образования и жизни систем разломов, областей перехода от океана к континенту и т.д. (См. также ст. геодинамика.)

Исследования минералов и горных пород при высоких давлениях и температурах являются важной отраслью геофизики. Непосредственное проникновение в недра Земли затруднено, поэтому условия, в которых находятся породы в недрах Земли, моделируют в лабораториях. Динамические методы, использующие для сжатия мощной ударной волны, позволяют восстановить диапазон давлений и температур в недрах. При динамических сжатиях эксперимент длится доли мкс, за которые выполняют необходимые измерения.

В статических установках были изучены фазовые превращения основных породообразующих минералов мантии (оливинов, пироксенов, гранатов) и получены соответствующие фазовые диаграммы до давлений ~3•10 МПа и температурах ~1600°С. Эти результаты были использованы для физической интерпретации природы переходной зоны мантии. В лабораторных установках были выполнены обширные исследования базальтов в связи с решением проблемы их образования и взаимодействия при движении от источника магмы к поверхности Земли. Изучены реологические параметры минералов и горных пород при t до ~ 1600°С и давлениях в несколько сотен МПа. Полученные данные используются для оценки параметров неустановившейся и установившейся ползучести минералов и горных пород в коре и верхней мантии. В лабораториях также проводятся систематические исследования электропроводности, теплопроводности, магнитных свойств, скоростей упругих волн, неупругости, пластичности и разрушения минералов и горных пород. Созданы специальные прессы с программным управлением для детального изучения стадий предразрушения, разрушения и послеразрушения в связи с задачами физики очагов землетрясений и проблемой прогноза землетрясений.

Вычислительная геофизика. В основе всей геофизики лежат накопление и анализ большого количества наблюдений, полученных в различных точках земного шара (в т.ч. с помощью ИСЗ). Массовый сбор информации невозможен без автоматизации геофизических исследований. Для хранения этой информации, её редукции и представления в удобном для научных целей виде созданы банки геофизических данных, использование которых было бы невозможно без широкого применения ЭВМ и разработки стандартных и специализированных вычислительных методов. Это привело к возникновению нового направления, получившего название вычислительная геофизика, которая разрабатывает методы и алгоритмы для решения некорректных и обратных задач, позволяет удобно комплексировать разнородные геофизические данные; методы комплексного анализа геофизических, геологических и геоморфологических данных в задачах сейсмического районирования, прогноза землетрясений, поиска полезных ископаемых, расшифровки космических снимков. Методы вычислительной геофизики используются для изучения степени корреляции геофизических полей и строения земной коры. Вычислительная геофизика тесно связана с теоретической геофизикой, особенно при разработке громоздких трёхмерных глобальных и региональных моделей. Она также занимается численным моделированием различных геофизических явлений и процессов.

Краткий исторический очерк. История геофизики сложна из-за неравномерности развития её крупных разделов и ещё недостаточно разработана. Т. к. освоение планеты невозможно без элементарных геофизических наблюдений — измерения расстояний, определения направлений на морях и океанах, описания и систематизации стихийных бедствий и т.д., то естественно, что элементы наблюдательной геофизики известны с глубокой древности, а суждения о различных геофизических явлениях встречаются у многих античных учёных. Предпосылки для создания геофизики как науки заложены в 17-19 вв., когда были открыты основные законы макроскопической физики и осознана необходимость перехода к глобальным наблюдениям и созданию геофизических обсерваторий для накопления большей частью наблюдений. Как комплексная самостоятельная наука геофизика определилась к середине 19 века, 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. Чисто условно завершение первого этапа формирования геофизики как комплексной многоотраслевой науки можно отнести к 1-му Международному геофизическому году (1882-1883), проведённому по инициативе австрийского учёного К. Вайпрехта (сам год получил название Международного полярного года, МПГ). В проведении МПГ приняли участие Россия, Дания, Германия, Франция, Нидерланды, Норвегия, Австро-Венгрия, Швеция, Италия и другие страны, которые организовали ряд экспедиций в полярные широты. Председателем полярной комиссии (руководившей всей работой МПГ) был избран директор главной геофизической обсерватории в Петербурге академик Г. И. Вильд.

В начале 20 века геофизика утратила центральное положение в естествознании. Качественно новый этап развития геофизики начался в конце 30-х — начале 40-х гг., когда были построены первые реальные сейсмические модели Земли. С 60-х гг. благодаря использованию ЭВМ, автоматизации наблюдений и их обработки неизмеримо вырос объём собираемой и перерабатываемой информации. Использование достижений и методов физики твёрдого тела и физики высоких давлений позволило перейти от проблемы внутреннего строения Земли к физике земных недр. Космические исследования неизмеримо расширили возможности геофизики. Возникла новая наука — сравнительное планетоведение, в которой геофизические методы играют определяющую роль. Значение геофизики резко возросло в связи с тем, что стоящие перед ней проблемы — изучение и оценка природных ресурсов, охрана окружающей среды, прогноз погоды и стихийных бедствий, исследование Мирового океана, космические исследования, контроль за ядерными испытаниями — принадлежат к числу основных глобальных проблем. В связи с этим геофизика снова выдвинулась на одно из центральных мест в современном естествознании.

Организация геофизических исследований. Сотрудничество в области наук о Земле осуществляется рядом международных научных союзов. Международный геодезический и геофизический союз (МГГС) объединяет деятельность международных ассоциаций (геодезии, сейсмологии и физики недр Земли, вулканологии и химии недр Земли и др.) и входит в Международный совет научных союзов ЮНЕСКО. В рамках МГГС осуществляются международные мероприятия и программы изучения Земли, Международный геофизический год, Международный год геофизического сотрудничества, проекты "Верхняя мантия Земли", "Литосфера". Решения МГГС реализуются комитетами стран — членов союза. Существуют межсоюзные комиссии, например, по геодинамике, по проекту литосферы и др. Организацию ежегодных конференций для геофизиков Европы и другие мероприятия проводят Европейское геофизическое общество, Европейская сейсмологическая комиссия и др. Многостороннее сотрудничество социалистических стран осуществляется в рамках Комиссии академий наук социалистических стран по планетарной геофизике, комиссиями по различным геофизическим проектам.

В СССР организацию геофизических исследований ведут научные советы и комиссии при Президиуме Академии Наук СССР и при Государственном комитете по науке и технике: Межведомственный геофизический комитет (секции: геодезии, сейсмологии и физики недр Земли, метеорологии и физики атмосферы, геомагнетизма и аэрономии, океанографии, гидрологии, вулканологии); Межведомственный совет по сейсмологии и сейсмостойкому строительству при Президиуме Академии Наук СССР; Комиссия по прогнозу землетрясений; научные советы по геотермическим исследованиям, геофизическим методам разведки, комплексным исследованиям земной коры и верхней мантии, геомагнетизму, народно-хозяйственному использованию взрывов, по механике горных пород и горному давлению; Советский комитет по международной программе геологической корреляции; Объединённый совет наук о Земле и др. Геофизические исследования ведутся в многочисленных научных геофизических и комплексных институтах.

Основные периодические издания по различным отраслям геофизики издаются в основном Академией Наук СССР: "Геология и геофизика" (с 1960), "Океанология" (с 1961), "Геомагнетизм и аэрономия" (с 1961), "Известия Академии Наук СССР. Физика Земли" (с 1965), "Геотектоника" (с 1965), "Известия Академии Наук СССР. Серия Физика атмосферы и океана" (с 1965), "Вулканология и сейсмология" (с 1979), "Геофизический журнал" (К., с 1979), "Исследования Земли из космоса" (с 1980), "Известия Академий наук" союзных республик и др.