Геохимия и геофизика / Геохимия и геофизика / 1. Введение в геофизику. Геофизические поля

Введение в геофизику. Предмет физики Земли.

Геофизические поля

Геофизика – учение о физических явлениях на Земле. Предмет геофизики – изучение оболочек Земли, к которым относятся:

1. Литосфера, представленная твердыми геологическими образованиями (магматические, метаморфические и осадочные породы);

2. Гидросфера – воды океанов, морей, рек, озер и других поверхностных источников и подземные воды;

3. Атмосфера – воздушная оболочка.

В понятие входит исследование, и анализ различных физических полей и явлений с помощью специальных приборов и устройств. Методика и техника изучения физических полей составляет геофизические методы и технологии. Существуют геофизические методы исследований, предназначенных для наблюдений в атмосфере, на земной поверхности, в скважинах и шахтах, на поверхности и в глубине водоёмов.

Созданы разделы геофизики, связанные с промышленной деятельностью человека: разведка и добыча полезных ископаемых, освоение морей, климатология и пр.

Специальное направление геофизики – изучение внутреннего строения Земли, её взаимоотношение с окружающими космическими телами, история развития.

Геофизика зародилась и развивалась в 19 и 20 столетиях на базе физики, геологии и астрономии. Она тесно связана с геодезией, геохимией, а в части методов и технологий геофизических наблюдений с радиотехникой – радиоэлектроникой. Для проведения расчётов и решения теоретических задач необходимы знания математического аппарата, включая математическую физику.

Связь геофизики с другими естественными науками можно отобразить схемой:

Физика

Астрономия

Математика				География
		Геофизика
Электроника				Геология

Автоматика

Геохимия

Наибольший интерес для геофизики представляет литосфера, которая изучается общей геофизикой, называемой физикой Земли и разведочной геофизикой.

Физика Земли изучает твёрдую оболочку в целом, её внутреннее строение и развитие.

Разведочная геофизика имеет своей основной целью поиски и разведку полезных ископаемых, и решение инженерно-геологических, археологических, экологических и др. задач.

Гидросфера и атмосфера изучаются в основном методами общей геофизики. Её связь с науками, относящимися к изучению гидросферы и атмосферы можно отобразить схематически:

Общая геофизика

Гидросфера Атмосфера

Физика земли

Океанология, лимнология, гидрология, гляциология

Физические, химические, механические процессы в коре, мантии и ядре

Аэрономия, литология, климатология

В геофизике изучаются физические поля:

• гравитационное поле;

• магнитное поле;

• электроволновое (электромагнитное) поле;

• сейсмоволновое (поле упругих колебаний или сейсмоакустическое);

• тепловое поле;

• радиационное поле;

В соответствии с этим, разделы общей и разведочной геофизики носят название гравиметрия – гравиразведка, геоэлектрика – электроразведка и т. д.

Физическое поле – это материальная среда, где взаимодействие элементарных частиц, обусловлено тем или иным физическим явлением или их совокупностью. Например, радиоактивный распад, приводящий к существованию радиационного и частично теплового полей, или взаимодействие гравитационных и магнитных тел, приводящих к возникновению гравитационных и магнитных полей.

Основная особенность физических полей – это их деформация под действием тех или иных материальных объектов, в частности геологических тел.

Физические поля применительно к геофизике называют геофизическими полями. Они характеризуются параметрами (физическими величинами). Последние определяются инструментально, т. е. с помощью приборов.

Этих параметров в основном два: потенциал (U) и напряжённость (E).

Потенциал поля – выражается в его концентрации в той или иной точке изучаемой среды, т. е. это энергия, обусловленная работой по перенесению точечного источника из бесконечности, где поле равно 0 в заданную точку среды.

Напряжённость поля – первая производная его потенциала, т. е. градиент нарастания или наоборот разрежения физического явления.

E = - grad U ,

где Е – напряжённость, а U – потенциал геофизического поля.

Материальные объекты, взаимодействие которых приводит к существованию геофизических полей, характеризуются физическими показателями (или физическими свойствами). Это плотность, электропроводность, магнитная восприимчивость и др.

Физические свойства выражаются в их способности создавать геофизические поля. Основные свойства следующие:

Плотность () -показатель, характеризующий соотношение массы и занимаемой ею объема. Единица измерения г/см³ или кг/м². Используется в гравиметрии.

Магнитная восприимчивость (κ) –показатель, характеризующий способность природных объектов намагничиваться под действием магнитного поля. Единица измерения 10^-5 ед. СИ. Используется в магнитометрии.

Удельная электропроводность (σ_э) – показатель, характеризующий способность природных объектов проводить электрический ток. Единица измерения Сим/м. Используется в электрометрии.

Скорость распространения упругих волн (V) – показатель, характеризующий способность природных объектов передавать упругие деформации под действием механических воздействий (напряжений). Единица измерения м/сек. Используется в сейсмометрии.

Естественная радиоактивность (J_γ) – показатель, характеризующий способность природных объектов излучать α, β и γ частицы, приводящие к радиоактивному распаду. Единица измерения Беккерель (Бк) – 1 распад в сек. Используется в радиометрии.

Теплопроводность (λ) - показатель, характеризующий способность природных объектов проводить тепло, т. е. направленный процесс распространения теплоты от более нагретых к менее нагретым объектам и приводящий к выравниванию температуры среды. Единица измерения Вт/м*К. Используется в геотермии.

По происхождению геофизические поля разделяются на естественные и искусственные. Естественные поля существуют, не зависимо от человеческой деятельности, а искусственные возбуждаются по заданию экспериментатора.

В общей геофизике в основном изучаются естественные поля. В разведочной геофизике, относящейся к геологической разведке, а также инженерной геофизике, геофизике ландшафта, экологической геофизике наряду с естественными в большей мере изучаются искусственные (наведенные) поля.

Методы общей и разведочной геофизики основаны на единых геофизических полях, но разнятся вследствие разных задач и предмета исследований.

Науки геофизического цикла в соответствии с исползуемыми полями приведены в таблице 1.

Таблица 1

Науки геофизического цикла (разделы) общей и разведочной геофизики в зависимости от используемых геофизических полей

Геофизическое поле	Раздел общей геофизики	Раздел разведочной (прикладной) геофизики
1	2	3
1.Гравитационное	Гравиметрия - изучение силы тяжести с целью распределения природных масс по их особенностям в тех или иных геосферах.	Гравиразведка - совокупность методов для выявления и изучения геологических тел на основе их отличия по плотности.
2.Магнитное	Магнитометрия - учение о магнитном поле Земли и вариациях земного магнетизма.	Магниторазведка - совокупность методов и способов выявления и изучения геологических объектов на основе их отличия по магнитной восприимчивости.
3.Электроволновое	Электрометрия - учение об электрическом поле Земли, электромагнитных явлениях, электрохимических и электрокинетических процессах в её недрах.	Электроразведка - совокупность методов и способов выявления и изучения геологических тел на основе их отличия по удельному электрическому сопротивлению, поляризуемости и диэлектрической проницаемости.
4.Сейсмоволновое	Сейсмометрия - учение о сейсмоволновом поле Земли вследствие механических воздействий типа землетрясений, извержения вулканов, падению метеоритов.	Сейсморазведка - совокупность методов и способов выявления и изучения геологических тел на основе их способности распространять, отражать и преломлять упругие волны, а также их интерферировать и дифрагировать.
5.Тепловое	Теплометрия - учение о тепловом поле Земли и особенности его распределения в оболочках.	Термическая разведка - совокупность методов и способов выявления и изучения геологич. тел на основе их отличия по теплопроводности и теплоёмкости.
6.Радиационное	Радиометрия - учение о радиационном поле Земли вследствие распада радиоактивных элементов земной коры.	Ядерная разведка - совокупность методов и способов выявления и изучения радиоактивных руд, а также решение ряда геологических и геоэкологических задач.

7