Введение в геофизику. Гравитационное и магнитное поля

реферат

1. 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:

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:

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

Удельная электропроводность (уэ) - 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 (Jг) - показатель, характеризующий способность природных объектов излучать б, в и г частицы, приводящие к радиоактивному распаду. Единица измерения Беккерель (Бк) - 1 распад в сек. Используется в радиометрии.

Теплопроводность (л) - 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.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.

Общие сведения о Земле

По форме Земля является геоидом, т. е. поверхностью, совпадающей с невозмущённой поверхностью Мирового океана и продолжающейся под континентом. Геоид определяет фигуру Земли, но существенно отличается от физической поверхности Земли. Геоид соответствует поверхности равных значений силы тяжести.

Средний радиус Земли 6371 км. Средняя плотность 5,51 г/см3.

Земля обладает магнетизмом, с которым связаны электрические поля.

Форма Земли близка к сферической. Ёе существование и атмосферы на ней обусловлены гравитационным полем.

О происхождении Земли существуют космогонические представления. Есть гипотезы образования планет из раскалённой газово-пылевой туманности, а также гипотезы образования этих же планет, в том числе Солнца из мелкораздробленного космического вещества.

Время образования Земли определяется радиологическими и изотопными методами и оценивается в 4,55 - 4,61 млрд. лет. С помощью этих методов создана в абсолютных летоисчислениях геохронологическая шкала. Для фанерозоя наиболее подходит калий-аргоновый метод, а для криптозоя (докембрий)- уран-свинцовый и рубидий-стронциевый методы. В основу метода определения абсолютного возраста положен закон радиоактивного распада:

,

Где Nt - количество не распавшихся атомов ядер неустойчивых (радиоактивных) элементов,

N0 - количество атомов ядер в момент образования природного объекта,

t -время распада,

л - постоянная распада, которая для каждого изотопа имеет своё численное значение.

В практике используется и величина Т1/2 -период полураспада:

.

По современным представлениям внутреннее строение Земли обобщенно можно представить последовательной схемой трёх геосфер: 1) земная кора h = 5-75 км.; 2) мантия h ? 3000 км.; 3) ядро h ? 3300 км.

Земная кора - твёрдая оболочка, которая по составу на материках и океанах разделяется на материковую и океаническую. В первой три слоя: осадочный, гранитный, базальтовый. Во второй два слоя: осадочный и базальтовый.

Методы геофизических исследований

Это способы получения качественной и количественной информации о Земле с помощью специальных приборов, предназначенных для измерения тех или иных характеров геофизических полей или физико-химических процессов в её оболочках.

Различают две группы методов:

I. группа - методы изучения физико-геологических свойств геосфер, т.е. их статистических характеристик.

II. Группа - методы изучения геофизических полей, величин и явлений, т.е. динамических (мониторинговых) характеристик.

Конечный результат 1-ой группы методов - получение количественных показателей материальных объектов, а 2-ой группы методов - получение сведений о состоянии геофизических полей и их изменении в пространстве и времени.

И 1-ая и 2-ая группы методов предусматривают, применение одних и тех же приборов, классифицируется по видам физических полей и особенностям проведения (в воздухе, в водной среде, на дневной поверхности, в скважинах и шахтах).

Аппаратура для изучения геофизических характеристик в скважинах

Наземная сейсморазведочная аппаратура

Наземная электроразведочная аппаратура

Методы 1-ой группы - это полевые методы зондирования и профилирования на основе сейсмических, электромагнитных и др. полей. Сюда же относятся лабораторные методы.

Методы 2-ой группы - это методы стационарных (мониторинговых) и экспедиционных наблюдений. Они также включают физическое и математическое моделирование, а также теоретический анализ.

Внутреннее строение Земли

К настоящему времени наиболее прогрессивным методом изучения внутреннего строения Земли является сейсмометрия. Основа метода - изучение распространения через недра Земли сейсмических волн специальными приборами - сейсмографами. Изучаются волны объёмные (продольные - Vp, поперечные = Vs) и поверхностные (Релея - вертикально-поляризуемые колебания и Лява - горизонтально-поляризуемые колебания).

Vp- волны сжатия - растяжения, распространяются в любой среде и выражаются формулой:

,

где kcж. - коэффициент сжатия; мсдв. - модуль сдвига; д - плотность.

Vs - волны сдвига, распространяются только в твёрдой среде, поэтому их формула:

;

Классическая модель внутреннего строения Земли носит название Джеффриса-Гутенберга. Она построена на основе изучения изменения с глубиной (по радиусу) показателей Vp и Vs.

кремнистые породы д = 2,9-3,3 г/см3

ультраосновные и полиморфные породы

д = 3,5-4,3 г/см3

плотные окислы (MgO, SiO) д = 5,5-10 г/см3

жидкие металлы (Fe, Ni, Si) д = 10-12 г/см3

твёрдые металлы д = 13-14 г/см3

В модели на основании данных сейсмометрии выделяются две главные поверхности, делящие недра Земли на 3 слоя: 1) кора, 2) мантия, 3) ядро.

1-ый раздел - поверхность Мохоровичича (Мохо), глубина 5-60 км., где Vp возрастает скачком от 4-5 до 8 км/с.

2-ой раздел - граница мантии и ядра на глубине 2900км (поперечные волны исчезают). Следовательно, внешнее ядро находится в жидком состоянии.

Графики распространения Vp, Vs и внутри Земли следующие:

Второстепенные поверхности: 1) поверхность Конрада, которая разделяет гранитный и базальтовый слои на материковой коре; 2) слой астеносферы в верхней мантии, где вещество находится в частично расплавленном состоянии. Мощность слоя 200-300 км.

В целом фигура Земли аппроксимируется сфероидом или трёхосным эллипсоидом. Это первым понял Ньютон, применяя закон всемирного тяготения для условия вращения Земли. Следовательно, для такого эллипсоида вращения справедлива формула сжатия Земли ():

,

где а - экваториальный радиус, в - полярный радиус, .

Согласно выводам Ньютона Земля сплющена у полюсов и растянута в экваториальной зоне. Однако фигура Земли не может быть достаточно точно аппроксимирована 3-х осным сфероидом (эллипсоидом), т. к. уровенная поверхность испытывает местные возмущения под действием притяжения физических неоднородностей, а также в силу топографического рельефа местности. Истинную форму уровенной поверхности Земли называют геоидом, т. е. поверхностью невозмущённой воды океанов, трансформированную на сушу, по уровню воды в условно сооруженных каналах, дно которых ниже поверхности океана.

На материках форма геоида носит название возмущенной формы.

Учение о форме геоида составляет предмет высшей геодезии.

В то же время следует отметить, что разность величин экваториального и полярного радиусов Земли невелика и составляет 25,5 км. На этом фоне средняя высота материков (?1 км) и средняя глубина океанов (?4 км) являются величинами второго порядка малости. Отсюда важный вывод, что Земля находится в гидростатическом равновесии и состоит из концентрических слоёв, в которых плотность одинакова. При этом упругость твёрдых оболочек Земли вполне достаточна для того, чтобы медленно деформироваться под воздействием центробежных сил вращения и тяжести, т.к. если бы она была действительно жидкой. Слоистость же - результат первоначально "холодной" эволюции земного шара.

Делись добром ;)