Разведочная геофизика. Что такое геофизика

Разведочная (прикладная) геофизика - направление геофизики , основанное на изучении внутреннего строения Земли, в основном для поиска и уточнения строения залежей полезных ископаемых , а также выявления предпосылок для их образования. Разведочная геофизика проводится на суше, акваториях, в скважинах и горных выработках, с воздуха и из космоса. Разведочная геофизика является важной составляющей геологоразведочного процесса благодаря высокой эффективности, надёжности, дешевизне и скорости проведения. Разведочная геофизика состоит из разделов, которые выделяются по общности измеряемых физических величин . К разделам разведочной геофизики относятся:

радиометрия и ядерная геофизика

Энциклопедичный YouTube

1 / 4

✪ Геофизика

✪ Геофизика, методы сейсморазведки (рассказывают Владимир Костицын и Игорь Макарихин)

✪ Учебный фильм Геофизические исследования скважин

✪ Геофизические методы сейсморазведки (рассказывает Игорь Санфиров)

Субтитры

Сейсморазведка

Геофизическое исследование скважин

Геофизические исследования скважин (ГИС) - исследования бурящихся, промысловых и других скважин геофизическими методами с целью изучения разреза скважины для последующей качественной и количественной геологической оценки, как самой скважины, так и месторождения в целом. Комплекс ГИС включает в себя множество методов, которые можно условно разделить на несколько больших и не очень разделов, в зависимости от типа изучаемых физических параметров пород. Работы проводят с помощью геофизического оборудования . Методов каротажа и ГИС довольно много.Это такие методы как:

Электрический каротаж - объектом исследований являются электрические свойства горных пород.
Ядерно-геофизические методы каротажа, основанные на изучении поведения ионизирующих излучений в скважине.
Термокаротаж.
Инклинометрия.
Кавернометрия.
Радиоактивные методы (гамма-каротаж и гамма-спектральный каротаж)

А также некоторые другие отдельные виды геофизических работ в скважинах.

Геофизик исследует происхождение, эволюцию, строение, свойства Земли и процессы, происходящие в ней и её оболочках.

От греч. ge — Земля и physike — основы естествознания. Профессия подходит тем, кого интересует физика и география (см. выбор профессии по интересу к школьным предметам).

Особенности профессии

Геофизика — совокупность дисциплин, исследующих происхождение, эволюцию, строение, свойства и процессы (природные и техногенные) в Земле и её оболочках (атмосфере, гидросфере, литосфере и т.д.).

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

Главные задачи современной геофизики: изучение и оценка природных ресурсов, охрана окружающей среды, прогноз погоды и стихийных бедствий, исследование Мирового океана, космические исследования, контроль за ядерными испытаниями.

Освоение планеты невозможно без элементарных геофизических наблюдений — измерения расстояний, определения направлений на морях и океанах, описания и систематизации стихийных бедствий и т.д. В XVII-XIX вв. были открыты основные законы макроскопической физики. Тогда же появилось понимание необходимости глобальных наблюдений с помощью геофизических обсерваторий для глобальных наблюдений.

В 60-х гг. ХХ в., с появлением ЭВМ, геофизики смогли автоматизировать обработку результатов наблюдений. А использование методов физики твёрдого тела и физики высоких давлений позволило перейти от проблемы внутреннего строения Земли к физике земных недр.

Возможности геофизики возросли и благодаря космическим исследованиям. Возникла новая наука — сравнительное планетоведение, в которой геофизические методы играют определяющую роль.
Проблемы, стоящие перед человечеством - поиск новых природных ресурсов, защита людей и природы в целом от стихийных бедствий и техногенных катастроф - делают геофизику одним из важнейших разделов современного естествознания.

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.

Физика атмосферы , изучающая атмосферные явления, под разделяется на метеорологию (изучает нижние слои атмосферы), и аэрономию (изучает верхние слои).
Тепловое излучение и различные оптические эффекты атмосферы изучаются актинометрией и атмосферной оптикой . Учения об атмосферном электричестве, акустике и турбулентности выделяются в отдельные отрасли науки.
Разведочная геофизика - раздел геофизики, занятый изучением глубинного строения земной коры, поисками и исследованием месторождений полезных ископаемых. Для этого она применяет гравиметрические, магнитные, электрические, сейсмические и ядерно-физические методы.
Специалисты в разведочной геофизике занимаются поиском полезных ископаемых (нефти, газа, руды и пр.) и подземных вод.
Анализируя с помощью компьютера результаты измерений (сейсмических волн, гравитационных полей и пр.), геофизики выявляют месторождение полезных ископаемых; создают карты рельефа дна океана, структуры земной коры, соляных куполов и антиклинали, где аккумулируется нефть; определяют состав и генезис горных пород, толщину ледниковых покровов.

Рабочее место

Геофизики (в зависимости от специализации) работают в научно-исследовательских и проектных организациях, в геологоразведочных и нефтедобывающих компаниях.

Важные качества

Интерес к физике и географии, математические способности, аналитический склад ума.
Измерения обычно приходится проводить в полевых условиях, поэтому требуется крепкое здоровье.

Знания и навыки

Необходимы познания в области физики и географии, умение проводить измерения с помощью измерительных приборов и обрабатывать полученные результаты с помощью специальных компьютерных программ. Также необходимо уметь анализировать полученные данные в соответствии со своими исследованиями.
Дополнительные особенности:
Специалистов-геофизиков готовят университеты и геологоразведочные вузы. Иногда в эту профессию приходят работать люди с физико-математическим образованием.
Выпускники геологоразведочных техникумов, обучавшиеся по этой специальности, могут работать геофизиками-техниками. Под руководством инженера они выполняют отдельные виды измерений и обрабатывают полученные материалы.

Где учат

На этом курсе можно получить профессию специалиста по нефтегазовому делу за 3 месяца и 20 000 руб.:
— Одна из самых доступных цен в России;
— Диплом о профессиональной переподготовке установленного образца;
— Обучение в полностью дистанционном формате;
— Сертификат соответствия профстандарту стоимостью 10 000 руб. в подарок!;
— Крупнейшее образовательное учреждение дополнительного проф. образования в России.

Среднее специальное образование

Московский геологоразведочный техникум
Новосибирский геологоразведочный техникум и др.

Квалификация «техник» (работает под руководством геофизика с высшим образованием).

Высшее образование

Московский государственный Университет (МГУ) им. Ломоносова

Геологический факультет

Кафедра геофизических методов исследований земной коры

Готовит геологов-геофизиков

Кафедра сейсмометрии и геоакустики

готовит дипломированных специалистов по сейсмометрии и морской геофизике.

Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК) Геодезический факультет

Направление «Геодезия и землеустройство»

Готовят инженеров по прикладной геодезии, по астрономогеодезии, по космической геодезии. А также бакалавров и магистров техники и технологий.

Направление «Прикладная информатика (в геодезии)».

Готовят бакалавров и магистров прикладной информатики.

Казанский (Приволжский) государственный университет

Институт геологии и нефтегазовых технологий (в структуре университета)
Кафедра геофизики
Специальности: «рудная геофизика», «сейсмометрия и сейсмология», «геофизические методы исследования скважин».

Разделами которой являются сейсмология, гравиметрия, геоэлектрика, реология, физика минералов и пород. Прикладная геофизика разрабатывает методы и теорию геофизической и геофизической разведки, главным образом с целью поиска орождений зных ископаемых (см. ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА).

Морская геофизика проводит исследования в морях и океанах.

Геофизика использует других наук, в основном физики и геологии, а также математики, астрономии, кристаллографии, геохимии. на геофизики оказали результаты космических исследований и развитие тектоники плит. См. также ЗЕМЛЯ
.

Выбором сейсмически безопасных мест для строительства проектируемых сейсмостойких сооружений занимается инженерная сейсмология. Реальной методологии го прогноза и землетрясений не существует. Известно, что наиболее сильные землетрясения сопровождают субдукции (поддвига) в глубоководных желобах или по трансформным разломам. Это позволяет районы возможных землетрясений. ция о силе ожидаемых толчков необходима для определения воз й интенсивности сейсмических воздействий на такие сооружения, как ядерные реакторы, плотины, мосты и здания.

Сейсмические методы используются для изучения внутреннего строения Земли в и ее структуры на разных глубинах. Следует , что на основе результатов сейсмических исследований установлено, что Земля состоит из ядра, мантии и земной коры. Использование цифровых сейсмографов сыграло огромную в изучении земных недр и позволило землетрясения. По данным об изменениях скоростей волн лена трехмерная строения мантии. верхней мантии, определяемая по скоростям сейсмических волн, различна для районов срединно-океанических хребтов и материков и соответствует распределению теплового а. Сходная в изменениях скоростей волн отмечается и в нижней мантии, они не коррелируют с макро ом поверхности Земли. См. также ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
.

Геодезия исследует главным образом форму Земли. Различают две геодезические : определение параметров сфероида или а (дающего наилучшее с поверхностью моря), в первом приближении аппроксимирующего форму Земли, и отклонений действительной поверхности геоида от сфероида. По существу, форма Земли представляет эллипсоид вращения, на полюсах. формы геоида и сфероида осуществляется в основном сочетания наземной геодезической съемки и изучения орбит искусственных спутников Земли. Изменения формы Земли, связанные с перемещением литосферных плит, определяются по данным радиоинтерферометрии и Системы глобального определения местоположения (GРS). См. также ГЕОДЕЗИЯ
.

Занимается изучением гравитационного поля Земли. Локальные поля, связанные с плотностными неоднородностями в пределах земной коры, используются для определения положения рудных тел. Полагают, что рельеф земной поверхности и плотностные изменения земной коры с глубиной взаимно компенсируются, удовлетворительная гравитационными аномалиями протяженностью 100?1000 км и рельефом не наблюдается.

Геомагнетизм исследует магнитное поле Земли (его и и изменения на протяжении геологической истории Земли), а также магнитные свойства горных пород. Принято , что магнитное поле Земли обусловлено электрическими токами в жидком внешнем ядре, его изменяется с периодичностью от 100 до 10 000 лет, а подвержена обращениям (инверсиям). интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют и изменения во времени геомагнитного поля и служат информацией для развития теории тектоники плит и дрейфа материков. См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ
.

Геоэлектрика изучает изменяющуюся с глубиной Земли путем наблюдений за изменениями магнитного поля. вариаций магнитного и электрического , обусловленных как естественными, так и искусственно индуцированными токами, используется в магнитотеллурическом зондировании при разведке полезных ископаемых и для изучения строения нижней части коры и верхней мантии. См. также ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА
.

Геотермические исследования основаны на измерении теплового потока и теплопроводности, а также радиоактивности поверхности, которые экстраполируются на глубину. Тепловое Солнца оказывает на Земли. Точно так же , высвобождаемая при землетрясениях и приливном трении, по сравнению с геотермальными потерями тепла. Предполагается, что источник тепла в Земле обусловлен радиоактивным распадом долгоживущих радионуклидов, а также высвобождением гравитационной энергии и распадом короткоживущих радионуклидов. поток Земли подвержен большим изменениям. На материках он зависит от радиоактивности коренных пород, на долю мантии приходится общего теплового потока. В океанах он , чем на материках, и обусловлен, главным образом, конвекцией в мантии.

На глубинах 100 км температур и источников тепла, а также механизм его переноса точно не установлены. , происходит в верхней мантии и внешнем ядре, но неясно, она активна в нижней мантии. На ранних этапах истории Земли термальная конвекция могла более интенсивной. В вулканических областях, срединно-океанических хребтах и областях гидротермальной активности обнаружен более тепловой поток.

Занимается изучением остаточных деформаций и течения вязких и пластичных материалов. Применительно к Земле это означает вязкости внутренних слоев и ее изменений во времени, а также глубинных движений вдоль разломов, перемещений литосферы астеносферы, субдукции литосферных плит, трещинообразования в горных породах, крипа и т.п. Прямые измерения вязкости в недрах Земли невозможны, однако ее могут быть выполнены на основе изучения скорости поднятий таких древних областей, как Канадский и Балтийский щиты, опустившихся под действием ледниковой . оценкам, верхней мантии - 1020?1022 Па?с, а нижней. от 1022 до 1026 Па?с ( . давления, 1 Па = 10 дн/см2).

На основе исследований горных пород при давлениях изучаются их свойства и интерпретируются данные о скоростях распространения сейсмических волн и распределении плотности вещества в недрах Земли. Таким образом определяется состав ее внутренних слоев. Методы изучения плотности, кристаллической структуры, электропроводности, точки плавления минералов и горных пород при высоких давлениях базируются на достижениях термодинамики и физики твердого . Экспериментальные методы включают ультразвуковые измерения скорости как давления величиной примерно 30 кбар (1 кбар = 108 Па). При помощи специальной техники можно высокие давления, по крайней мере до 1000 кбар (100 ГПа). Под действием ударного сжатия или в камерах с алмазными наковальнями могут быть получены более высокие давления, чем в центре Земли (3600 кбар, или 360 ГПа).

В идеальном случае для полного понимания процессов, происходящих в глубине Земли, необходимо зависимости скоростей распространения продольных и поперечных волн, модуля упругости, плотности, коэффициента термического расширения, удельной теплоемкости, температуры плавления, вязкости, электро- и теплопроводности горных пород от давления. эти сведения путем непосредственных наблюдений, бльшая современных знаний предстает в форме теоретически рассчитанных уравнений состояния как функции от плотности. На основе использования уравнений состояния экспериментальные данные экстраполируются на высоких давлений, характерных для недр Земли.

Важную роль в определении свойств, не поддающихся непосредственным измерениям, и интерпретации сейсмических данных для определения состава пород и фазовых в Земле играют опытным путем установленные соотношения между скоростями волн, плотностью и атомным весом. Все модели Земли включают зоны скачкообразных изменений плотности и волновых скоростей на различных глубинах, обусловленные изменениями химического состава. из зон идентифицируются как фазовые переходы или кристаллической структуры в минеральных ассоциациях, что подтвердили эксперименты с м методов рентгеноструктурного анализа. Лабораторные эксперименты по фазовым переходам в горных породах при высоких давлениях и температурах позволяют границы различных сред в земных недрах.

Фазовые переходы в недрах Земли происходят в определенном диапазоне глубин. Переходная зона между 400 и 1000 км включает две главные границы со скачкообразным изменением свойств на глубинах 400 и 670 км, которые идентифицированы как границы перехода оливина в и шпинелеподобные структуры и шпинели в более плотную ассоциацию. магнезиовюстит.

Граница между ядром и мантией имеет химическую природу. ядро быть представлено жидким железо-никелевым расплавом с добавками более элементов, по всей вероятности, серы, кислорода или кремния.

Точные изотопные методы определения возраста горных пород основаны на процессах распада радиоактивных элементов в этих породах.

Геофизика

комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Гео физика в широком смысле изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озер, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию). В настоящей статье рассматривается исключительно физика твердой Земли, основными разделами которой являются сейсмология, геодезия, гравиметрия, геомагнетизм, геоэлектрика, геотермия, реология, физика минералов и горных пород. Прикладная геофизика разрабатывает методы и теорию геофизической съемки и геофизической разведки, главным образом с целью поиска мест орождений поле зных ископаемых (см. ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА). Морская геофизика проводит исследования в морях и океанах. Геофизика использует данные других наук, в основном физики и геологии, а также математики, астрономии, кристаллографии, геохимии. Большое влияние на развитие геофизики оказали результаты космических исследований и развитие теории тектоники плит. См. также ЗЕМЛЯ. Сейсмология изучает землетрясения, их механизм ы и последствия, распространение сейсмических волн, а также все виды движений земной коры, которые регистрируются сейсмографами на суше и на дне океанов и морей. Наи более активные землетрясения наблюдаются в ослабленных зона х вдоль границ тектонических плит. При этом возбуждаются три типа сейсмических волн: продольные (P), поперечные (S) и поверхностные (волны Лява и Рэлея). Сильные землетрясения могут также возбуждать свободные колебания всей Земли. Выбором сейсмически безопасных мест для строительства проектируемых сейсмостойких сооружений занимается инженерная сейсмология. Реальной методологии точно го прогноза времени и места землетрясений пока не существует. Известно, что наиболее сильные землетрясения сопровождают процесс субдукции (поддвига) в глубоководных желобах или движения по трансформным разломам. Это позволяет прогнозировать районы возможных землетрясений. Ин форма ция о силе ожидаемых толчков крайне необходима для определения воз можно й интенсивности сейсмических воздействий на такие сооружения, как ядерные реакторы, плотины, мосты и здания. Сейсмические методы используются для изучения внутреннего строения Земли в целом и ее структуры на разных глубинах. Следует отметить, что на основе результатов сейсмических исследований установлено, что Земля состоит из ядра, мантии и земной коры. Использование цифровых сейсмографов сыграло огромную роль в изучении земных недр и позволило регистрировать землетрясения. По данным об изменениях скоростей волн была состав лена трехмерная схема строения мантии. Структура верхней мантии, определяемая по скоростям сейсмических волн, различна для районов срединно-океанических хребтов и материков и соответствует распределению теплового поток а. Сходная картина в изменениях скоростей волн отмечается и в нижней мантии, однако они не коррелируют с макро рельеф ом поверхности Земли. См. также ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ. Геодезия исследует главным образом форму Земли. Различают две геодезические задачи: определение параметров сфероида или эллипсоид а (дающего наилучшее совпадение с поверхностью моря), в первом приближении аппроксимирующего форму Земли, и измерение отклонений действительной поверхности геоида от сфероида. По существу, форма Земли представляет собой эллипсоид вращения, слегка сплющенный на полюсах. Определение формы геоида и сфероида осуществляется в основном путем сочетания наземной геодезической съемки и изучения орбит искусственных спутников Земли. Изменения формы Земли, связанные с перемещением литосферных плит, определяются по данным радиоинтерферометрии и Системы глобального определения местоположения (GРS). См. также ГЕОДЕЗИЯ. Гравиметрия занимается изучением гравитационного поля Земли. Локальные вариации этого поля, связанные с плотностными неоднородностями в пределах земной коры, используются для определения положения рудных тел. Полагают, что рельеф земной поверхности и плотностные изменения внутри земной коры с глубиной взаимно компенсируются, поэтому удовлетворительная корреляция между гравитационными аномалиями протяженностью 100?1000 км и рельефом не наблюдается. Геомагнетизм исследует магнитное поле Земли (его источник и и изменения на протяжении геологической истории Земли), а также магнитные свойства горных пород. Принято считать, что магнитное поле Земли обусловлено электрическими токами в жидком внешнем ядре, его напряженность изменяется с периодичностью от 100 до 10 000 лет, а полярность подвержена обращениям (инверсиям). Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют изучать происхождение и изменения во времени геомагнитного поля и служат ключевой информацией для развития теории тектоники плит и дрейфа материков. См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ. Геоэлектрика изучает изменяющуюся с глубиной электропроводность Земли путем наблюдений за изменениями магнитного поля. Взаимодействие вариаций магнитного и электрического полей, обусловленных как естественными, так и искусственно индуцированными токами, используется в магнитотеллурическом зондировании при разведке полезных ископаемых и для изучения строения нижней части коры и верхней мантии. См. также ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА. Геотермические исследования основаны на измерении теплового потока и теплопроводности, а также радиоактивности вблизи поверхности, которые затем экстраполируются на глубину. Тепловое излучение Солнца оказывает незначительный эффект на недра Земли. Точно так же энергия, высвобождаемая при землетрясениях и приливном трении, мала по сравнению с геотермальными потерями тепла. Предполагается, что главный источник тепла в Земле обусловлен радиоактивным распадом долгоживущих радионуклидов, а также высвобождением гравитационной энергии и распадом короткоживущих радионуклидов. Современный тепловой поток Земли подвержен большим изменениям. На материках он зависит от радиоактивности коренных пород, причем на долю мантии приходится примерно половина общего теплового потока. В океанах он вдвое больше, чем на материках, и обусловлен, главным образом, конвекцией в мантии. На глубинах ниже 100 км распределение температур и источников тепла, а также механизм его переноса точно не установлены. Конвекция, вероятно, происходит в верхней мантии и внешнем ядре, но неясно, насколько она активна в нижней мантии. На ранних этапах истории Земли термальная конвекция могла быть более интенсивной. В вулканических областях, срединно-океанических хребтах и областях гидротермальной активности обнаружен более высокий тепловой поток. Реология занимается изучением остаточных деформаций и течения вязких и пластичных материалов. Применительно к Земле это обычно означает исследование вязкости внутренних слоев и ее изменений во времени, а также глубинных движений вдоль разломов, перемещений литосферы относительно астеносферы, субдукции литосферных плит, трещинообразования в горных породах, крипа и т.п. Прямые измерения вязкости в недрах Земли невозможны, однако ее оценки могут быть выполнены на основе изучения скорости поднятий таких древних областей, как Канадский и Балтийский щиты, ранее опустившихся под действием ледниковой нагрузки. Согласно этим оценкам, вязкость верхней мантии - 1020?1022 Па?с, а нижней. от 1022 до 1026 Па?с (паскаль. единица давления, 1 Па = 10 дн/см2). На основе исследований горных пород при высоких давлениях изучаются их свойства и интерпретируются данные о скоростях распространения сейсмических волн и распределении плотности вещества в недрах Земли. Таким образом определяется минералогический состав ее внутренних слоев. Методы изучения плотности, кристаллической структуры, электропроводности, точки плавления минералов и горных пород при высоких давлениях базируются на достижениях термодинамики и физики твердого тела. Экспериментальные методы включают ультразвуковые измерения скорости как функции давления величиной примерно 30 кбар (1 кбар = 108 Па). При помощи специальной техники можно генерировать высокие давления, по крайней мере до 1000 кбар (100 ГПа). Под действием ударного сжатия или в камерах с алмазными наковальнями могут быть получены более высокие давления, чем в центре Земли (3600 кбар, или 360 ГПа). В идеальном случае для полного понимания процессов, происходящих в глубине Земли, необходимо знать зависимости скоростей распространения продольных и поперечных волн, модуля упругости, плотности, коэффициента термического расширения, удельной теплоемкости, температуры плавления, вязкости, электро- и теплопроводности горных пород от давления. Поскольку эти сведения невозможно получить путем непосредственных наблюдений, бльшая часть современных знаний предстает в форме теоретически рассчитанных уравнений состояния как функции от плотности. На основе использования уравнений состояния экспериментальные данные экстраполируются на область высоких давлений, характерных для недр Земли. Важную роль в определении свойств, не поддающихся непосредственным измерениям, и интерпретации сейсмических данных для определения состава пород и фазовых переходов в Земле играют опытным путем установленные соотношения между скоростями волн, плотностью и атомным весом. Все модели Земли включают зоны скачкообразных изменений плотности и волновых скоростей на различных глубинах, обусловленные изменениями химического состава. Некоторые из этих зон идентифицируются как фазовые переходы или перестройка кристаллической структуры в минеральных ассоциациях, что подтвердили эксперименты с использование м методов рентгеноструктурного анализа. Лабораторные эксперименты по фазовым переходам в горных породах при высоких давлениях и температурах позволяют определить границы различных сред в земных недрах. Фазовые переходы в недрах Земли происходят в определенном диапазоне глубин. Переходная зона между 400 и 1000 км включает две главные границы со скачкообразным изменением свойств на глубинах 400 и 670 км, которые идентифицированы как границы перехода оливина в шпинель и шпинелеподобные структуры и шпинели в более плотную ассоциацию. перовскит плюс магнезиовюстит. Граница между ядром и мантией имеет химическую природу. Внешнее ядро может быть представлено жидким железо-никелевым расплавом с добавками более легких элементов, по всей вероятности, серы, кислорода или кремния. Наиболее точные изотопные методы определения возраста горных пород основаны на процессах распада радиоактивных элементов в этих породах.

ГЕОФИЗИКА, комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Геофизика в широком смысле изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озер, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию).

В настоящей статье рассматривается исключительно физика твердой Земли, основными разделами которой являются сейсмология, геодезия, гравиметрия, геомагнетизм, геоэлектрика, геотермия, реология, физика минералов и горных пород. Прикладная геофизика разрабатывает методы и теорию геофизической съемки и геофизической разведки, главным образом с целью поиска месторождений полезных ископаемых (см. ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА). Морская геофизика проводит исследования в морях и океанах.

Геофизика использует данные других наук, в основном физики и геологии, а также математики, астрономии, кристаллографии, геохимии. Большое влияние на развитие геофизики оказали результаты космических исследований и развитие теории тектоники плит.

Сейсмология изучает землетрясения, их механизмы и последствия, распространение сейсмических волн, а также все виды движений земной коры, которые регистрируются сейсмографами на суше и на дне океанов и морей. Наиболее активные землетрясения наблюдаются в ослабленных зонах вдоль границ тектонических плит. При этом возбуждаются три типа сейсмических волн: продольные (P ), поперечные (S ) и поверхностные (волны Лява и Рэлея). Сильные землетрясения могут также возбуждать свободные колебания всей Земли.

Выбором сейсмически безопасных мест для строительства проектируемых сейсмостойких сооружений занимается инженерная сейсмология. Реальной методологии точного прогноза времени и места землетрясений пока не существует. Известно, что наиболее сильные землетрясения сопровождают процесс субдукции (поддвига) в глубоководных желобах или движения по трансформным разломам. Это позволяет прогнозировать районы возможных землетрясений. Информация о силе ожидаемых толчков крайне необходима для определения возможной интенсивности сейсмических воздействий на такие сооружения, как ядерные реакторы, плотины, мосты и здания.

Сейсмические методы используются для изучения внутреннего строения Земли в целом и ее структуры на разных глубинах. Следует отметить, что на основе результатов сейсмических исследований установлено, что Земля состоит из ядра, мантии и земной коры. Использование цифровых сейсмографов сыграло огромную роль в изучении земных недр и позволило регистрировать землетрясения. По данным об изменениях скоростей волн была составлена трехмерная схема строения мантии. Структура верхней мантии, определяемая по скоростям сейсмических волн, различна для районов срединно-океанических хребтов и материков и соответствует распределению теплового потока. Сходная картина в изменениях скоростей волн отмечается и в нижней мантии, однако они не коррелируют с макрорельефом поверхности Земли. См. также ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ .

Геодезия исследует главным образом форму Земли. Различают две геодезические задачи: определение параметров сфероида или эллипсоида (дающего наилучшее совпадение с поверхностью моря), в первом приближении аппроксимирующего форму Земли, и измерение отклонений действительной поверхности геоида от сфероида. По существу, форма Земли представляет собой эллипсоид вращения, слегка сплющенный на полюсах. Определение формы геоида и сфероида осуществляется в основном путем сочетания наземной геодезической съемки и изучения орбит искусственных спутников Земли. Изменения формы Земли, связанные с перемещением литосферных плит, определяются по данным радиоинтерферометрии и Системы глобального определения местоположения (GРS ). См. также ГЕОДЕЗИЯ .

Гравиметрия занимается изучением гравитационного поля Земли. Локальные вариации этого поля, связанные с плотностными неоднородностями в пределах земной коры, используются для определения положения рудных тел. Полагают, что рельеф земной поверхности и плотностные изменения внутри земной коры с глубиной взаимно компенсируются, поэтому удовлетворительная корреляция между гравитационными аномалиями протяженностью 100-1000 км и рельефом не наблюдается.

Геомагнетизм исследует магнитное поле Земли (его источники и изменения на протяжении геологической истории Земли), а также магнитные свойства горных пород. Принято считать, что магнитное поле Земли обусловлено электрическими токами в жидком внешнем ядре, его напряженность изменяется с периодичностью от 100 до 10 000 лет, а полярность подвержена обращениям (инверсиям). Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют изучать происхождение и изменения во времени геомагнитного поля и служат ключевой информацией для развития теории тектоники плит и дрейфа материков. См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ .

Геотермические исследования основаны на измерении теплового потока и теплопроводности, а также радиоактивности вблизи поверхности, которые затем экстраполируются на глубину. Тепловое излучение Солнца оказывает незначительный эффект на недра Земли. Точно так же энергия, высвобождаемая при землетрясениях и приливном трении, мала по сравнению с геотермальными потерями тепла. Предполагается, что главный источник тепла в Земле обусловлен радиоактивным распадом долгоживущих радионуклидов, а также высвобождением гравитационной энергии и распадом короткоживущих радионуклидов. Современный тепловой поток Земли подвержен большим изменениям. На материках он зависит от радиоактивности коренных пород, причем на долю мантии приходится примерно половина общего теплового потока. В океанах он вдвое больше, чем на материках, и обусловлен, главным образом, конвекцией в мантии.

На глубинах ниже 100 км распределение температур и источников тепла, а также механизм его переноса точно не установлены. Конвекция, вероятно, происходит в верхней мантии и внешнем ядре, но неясно, насколько она активна в нижней мантии. На ранних этапах истории Земли термальная конвекция могла быть более интенсивной. В вулканических областях, срединно-океанических хребтах и областях гидротермальной активности обнаружен более высокий тепловой поток.

Реология занимается изучением остаточных деформаций и течения вязких и пластичных материалов. Применительно к Земле это обычно означает исследование вязкости внутренних слоев и ее изменений во времени, а также глубинных движений вдоль разломов, перемещений литосферы относительно астеносферы, субдукции литосферных плит, трещинообразования в горных породах, крипа и т.п. Прямые измерения вязкости в недрах Земли невозможны, однако ее оценки могут быть выполнены на основе изучения скорости поднятий таких древних областей, как Канадский и Балтийский щиты, ранее опустившихся под действием ледниковой нагрузки. Согласно этим оценкам, вязкость верхней мантии – 10 20 -10 22 ПаЧс, а нижней - от 10 22 до 10 26 ПаЧс (паскаль - единица давления, 1 Па = 10 дн/см 2).

На основе исследований горных пород при высоких давлениях изучаются их свойства и интерпретируются данные о скоростях распространения сейсмических волн и распределении плотности вещества в недрах Земли. Таким образом определяется минералогический состав ее внутренних слоев. Методы изучения плотности, кристаллической структуры, электропроводности, точки плавления минералов и горных пород при высоких давлениях базируются на достижениях термодинамики и физики твердого тела. Экспериментальные методы включают ультразвуковые измерения скорости как функции давления величиной примерно 30 кбар (1 кбар = 10 8 Па). При помощи специальной техники можно генерировать высокие давления, по крайней мере до 1000 кбар (100 ГПа). Под действием ударного сжатия или в камерах с алмазными наковальнями могут быть получены более высокие давления, чем в центре Земли (~3600 кбар, или 360 ГПа).

В идеальном случае для полного понимания процессов, происходящих в глубине Земли, необходимо знать зависимости скоростей распространения продольных и поперечных волн, модуля упругости, плотности, коэффициента термического расширения, удельной теплоемкости, температуры плавления, вязкости, электро- и теплопроводности горных пород от давления. Поскольку эти сведения невозможно получить путем непосредственных наблюдений, бóльшая часть современных знаний предстает в форме теоретически рассчитанных уравнений состояния как функции от плотности. На основе использования уравнений состояния экспериментальные данные экстраполируются на область высоких давлений, характерных для недр Земли.

Важную роль в определении свойств, не поддающихся непосредственным измерениям, и интерпретации сейсмических данных для определения состава пород и фазовых переходов в Земле играют опытным путем установленные соотношения между скоростями волн, плотностью и атомным весом. Все модели Земли включают зоны скачкообразных изменений плотности и волновых скоростей на различных глубинах, обусловленные изменениями химического состава. Некоторые из этих зон идентифицируются как фазовые переходы или перестройка кристаллической структуры в минеральных ассоциациях, что подтвердили эксперименты с использованием методов рентгеноструктурного анализа. Лабораторные эксперименты по фазовым переходам в горных породах при высоких давлениях и температурах позволяют определить границы различных сред в земных недрах.

Фазовые переходы в недрах Земли происходят в определенном диапазоне глубин. Переходная зона между 400 и 1000 км включает две главные границы со скачкообразным изменением свойств на глубинах ~400 и ~670 км, которые идентифицированы как границы перехода оливина в шпинель и шпинелеподобные структуры и шпинели в более плотную ассоциацию - перовскит плюс магнезиовюстит.

Граница между ядром и мантией имеет химическую природу. Внешнее ядро может быть представлено жидким железо-никелевым расплавом с добавками более легких элементов, по всей вероятности, серы, кислорода или кремния.

Наиболее точные изотопные методы определения возраста горных пород основаны на процессах распада радиоактивных элементов в этих породах.

Гравиметрия занимается изучением гравитационного поля Земли. Локальные вариации этого поля, связанные с плотностными неоднородностями в пределах земной коры, используются для определения положения рудных тел. Полагают, что рельеф земной поверхности и плотностные изменения внутри земной коры с глубиной взаимно компенсируются, поэтому удовлетворительная корреляция между гравитационными аномалиями протяженностью 100- 1000 км и рельефом не наблюдается.

См. также МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ.

Геоэлектрика изучает изменяющуюся с глубиной электропроводность Земли путем наблюдений за изменениями магнитного поля. Взаимодействие вариаций магнитного и электрического полей, обусловленных как естественными, так и искусственно индуцированными токами, используется в магнитотеллурическом зондировании при разведке полезных ископаемых и для изучения строения нижней части коры и верхней мантии. См. также ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА.

Реология занимается изучением остаточных деформаций и течения вязких и пластичных материалов. Применительно к Земле это обычно означает исследование вязкости внутренних слоев и ее изменений во времени, а также глубинных движений вдоль разломов, перемещений литосферы относительно астеносферы, субдукции литосферных плит, трещинообразования в горных породах, крипа и т.п. Прямые измерения вязкости в недрах Земли невозможны, однако ее оценки могут быть выполнены на основе изучения скорости поднятий таких древних областей, как Канадский и Балтийский щиты, ранее опустившихся под действием ледниковой нагрузки. Согласно этим оценкам, вязкость верхней мантии 10 20 - 10 22 ПаЧ с, а нижней - от 10 22 до 10 26 ПаЧ с (паскаль - единица давления, 1 Па = 10 дн/см 2).

Фазовые переходы в недрах Земли происходят в определенном диапазоне глубин. Переходная зона между 400 и 1000 км включает две главные границы со скачкообразным изменением свойств на глубинах ~400 и ~670 км, которые идентифицированы как границы перехода оливина в шпинель и шпинелеподобные структуры и шпинели в более плотную ассоциацию - перовскит плюс магнезиовюстит.

Джефрис Г. Земля, ее происхождение, история и строение . М., 1960
Гутенберг Б. Физика земных недр . М., 1963