Асноўныя прынцыпы фізікі Зямлі ў геафізіцы
Геафізіка — гэта раздзел навукі аб Зямлі, які вывучае Зямлю, выкарыстоўваючы прынцыпы фізікі. У той час як геалогія ў значнай ступені абапіраецца на назіранні за горнымі пародамі і структурамі на паверхні, геафізіка «бачыць» Зямлю ўскосна праз фізічныя рэакцыі: хвалі, гравітацыйныя палі, магнетызм, электрычнасць, цяпло і выпраменьванне. Іншымі словамі, геафізіка імкнецца адказаць на такія пытанні, як тое, што адбываецца пад паверхняй, якія ўласцівасці яе матэрыялаў і якія працэсы адбываюцца — без неабходнасці капаць або свідраваць паўсюль.
Каб забяспечыць добрае разуменне геафізікі, нам неабходна азнаёміцца з прынцыпамі фізікі Зямлі, якія ляжаць у аснове геафізічных метадаў. Гэтыя прынцыпы ўключаюць паняцці пругкіх асяроддзяў, распаўсюджвання хваль, патэнцыяльных палёў, электрамагнітнай індукцыі, цеплаперадачы і ўзаемасувязі паміж фізічнымі ўласцівасцямі матэрыялаў і геалагічнымі ўмовамі.
1. Зямля як фізічная сістэма: склад, структура і ўласцівасці матэрыялу
Фізічна Зямлю можна разглядаць як слаістую сістэму: кара, мантыя, вадкае знешняе ядро і цвёрдае ўнутранае ядро. Гэтыя слаістыя адрозненні з'яўляюцца не проста геалагічнымі падзеламі, але і адлюстроўваюць такія фізічныя ўласцівасці, як шчыльнасць, пругкасць, электраправоднасць, тэмпература і магнетызм. У геафізіцы гэтыя фізічныя ўласцівасці з'яўляюцца асноўнымі «параметрамі».
Розныя матэрыялы па-рознаму рэагуюць на сілы і энергію. Напрыклад, шчыльныя магматычныя пароды, як правіла, маюць больш высокую шчыльнасць, чым друзлыя адклады; насычаныя вадой пароды лепш праводзяць электрычны ток, чым сухія пароды; а магнітныя мінералы, такія як магнетыт, надаюць пародам больш высокую магнітную ўспрымальнасць. Гэтыя адрозненні ў рэакцыі ствараюць вымерныя анамаліі.
2. Паняцце гравітацыйнага поля і патэнцыяльнага поля
Адным з фундаментальных прынцыпаў фізікі Зямлі з'яўляецца гравітацыя. Гравітацыйнае поле Зямлі неаднароднае з-за неаднароднага размеркавання масы. Пароды высокай шчыльнасці будуць «цягнуць» мацней, чым менш шчыльныя пароды. Гравітацыйная геафізіка выкарыстоўвае невялікія варыяцыі гравітацыйнага паскарэння (анамаліі гравітацыі) для інтэрпрэтацыі падпаверхневых структур.
Матэматычна гравітацыя — гэта патэнцыяльнае поле, гэта значыць поле, якое можна атрымаць з патэнцыяльнай функцыі і якое задавальняе ўраўненне Лапласа/Пуасона пры пэўных умовах. Гэта важна, таму што многія геафізічныя метады — гравітацыйныя і магнітныя — маюць неадзіную характарыстыку: адзіная анамальная карціна можа быць выклікана рознымі канфігурацыямі падземных пластоў. Такім чынам, інтэрпрэтацыя патрабуе дадатковых абмежаванняў, такіх як геалагічныя дадзеныя, сейсмічныя дадзеныя або інфармацыя аб бурэнні.
Яго практычнае прымяненне ўключае картаграфаванне асадкавых басейнаў, вызначэнне саляных купалоў і вывучэнне ізастазіі (балансу масы літасферы адносна мантыі). Прынцып ізастазіі тлумачыць, чаму горы маюць больш лёгкія або тоўстыя «карані», што дазваляе ім плаваць адносна мантыі.
3. Магнетызм Зямлі: магнітныя палі і крыніцы магнітных анамалій
Зямля мае першаснае магнітнае поле, якое ўзнікае з-за дынамікі яе вадкага вонкавага ядра (геадынама). Акрамя першаснага поля, існуюць лакальныя магнітныя палі ад намагнічаных горных парод. Магнітная геафізіка вымярае змены магнітнага поля для картаграфавання геалагічных структур, асабліва тых, якія звязаны з магматычнымі і метамарфічнымі пародамі, багатымі магнітнымі мінераламі.
Ключавы прынцып тут заключаецца ў тым, што намагнічанасць горных парод складаецца з двух кампанентаў: індукаванай намагнічанасці (параўнальнай з цяперашнім магнітным полем Зямлі) і рэшткавай намагнічанасці (рэшткі мінулай намагнічанасці, калі ўтварылася парода). Рэшткавая намагнічанасць вельмі карысная ў палеамагнетызме для рэканструкцыі руху тэктанічных пліт і гісторыі змены магнітных полюсаў Зямлі.
У рэгіянальным маштабе магнітныя дадзеныя дапамагаюць картаграфаваць падмурак (карэнную пароду) пад тоўстымі адкладамі, прасочваць разломы і даследаваць карысныя выкапні.
4. Сейсмічныя хвалі і пругкасць асяроддзя
Цэнтральным фізічным прынцыпам геафізікі з'яўляецца хвалевая механіка ў пругкіх асяроддзях. Сейсмічныя метады выкарыстоўваюць пругкія хвалі, якія распаўсюджваюцца праз Зямлю. У нетрах Зямлі існуе два асноўных тыпу хваль: P-хвалі (першасныя, падоўжныя) і S-хвалі (другасныя, папярочныя). P-хвалі могуць распаўсюджвацца ў цвёрдых целах і вадкасцях, у той час як S-хвалі не могуць распаўсюджвацца ў вадкасцях. Гэты фізічны факт з'яўляецца важнай прычынай таго, чаму мы ведаем, што знешняе ядро Зямлі вадкае: S-хвалі не могуць праходзіць праз яго.
Хуткасць сейсмічных хваль вызначаецца модулямі пругкасці і шчыльнасцю матэрыялу. Проста кажучы, больш цвёрдыя і шчыльныя пароды, як правіла, маюць больш высокую хуткасць хваль. Калі хвалі праходзяць праз пласты з рознымі ўласцівасцямі, адбываюцца адлюстраванне і праламленне, згодна з прынцыпамі, аналагічнымі закону Снела ў оптыцы. Па часе праходжання хвалі, амплітудзе і форме хвалі геафізікі могуць ацаніць глыбіню пласта, таўшчыню адкладаў і нават наяўнасць вадкасцей.
Глабальная сейсмалогія вывучае землятрусы для картаграфавання структуры мантыі і ядра, у той час як разведачная сейсмалогія картаграфуе нафтавыя, газавыя і геатэрмальныя рэзервуары ў больш лакальным маштабе.
5. Электрычнасць і электрамагнетызм: праводнасць, супраціўленне і індукцыя
Шматлікія падземныя працэсы ўключаюць вадкасці, мінералізацыю і перапады тэмператур — усё гэта ўплывае на электраправоднасць. Асноўны прынцып электрычных і электрамагнітных метадаў — гэта сувязь паміж электрычным токам, электрычным полем і ўласцівасцямі асяроддзя, якая часта апісваецца законам Ома ў бесперапыннай форме (J = σE), дзе σ — гэта праводнасць.
Супраціўленне, індукаваная палярызацыя (ІП), магнітацелурічны (МТ) і іншыя электрамагнітныя метады вымяраюць рэакцыю падземных пластоў на крыніцы току/поля, як штучныя, так і натуральныя. Прынцып электрамагнітнай індукцыі, сфармуляваны ў законе Фарадэя, тлумачыць, як зменлівыя магнітныя палі ствараюць электрычныя палі і віхравыя токі ў глебе. Гэтыя віхравыя токі затым ствараюць другасныя магнітныя палі, якія вымяраюцца на паверхні.
Матэрыялы, насычаныя салёнай вадой, валодаюць высокай праводнасцю; гліны таксама часта праводзяць ток дзякуючы механізмам паверхневай праводнасці. Наадварот, сухія крышталічныя пароды і вуглевадароды, як правіла, маюць рэзістыўны характар. Таму метады электрамагнітнай электронікі шырока выкарыстоўваюцца для разведкі падземных вод, геатэрмальных вод, сульфідных мінералаў і вывучэння зон разломаў, запоўненых флюідам.
6. Геатэрмальная энергія і цеплаперадача: цеплаправоднасць і канвекцыя
Зямля не статычная; яна пераносіць цеплавую энергію з нетраў на паверхню. Прынцыпы цеплаперадачы ўключаюць цеплаправоднасць (паток цяпла праз рэчыва без масаперадачы) і канвекцыю (паток цяпла, які суправаджаецца масаперадачай, напрыклад, вельмі павольна цякучая мантыя). Закон Фур'е апісвае цеплавы паток праводнасці як прапарцыйны градыенту тэмпературы і цеплаправоднасці.
Вымярэнні геатэрмальных градыентаў, цеплавых патокаў і цеплавых уласцівасцей горных парод дапамагаюць зразумець геатэрмальныя сістэмы, метамарфізм і тэктанічную дынаміку. Напрыклад, у зонах субдукцыі на цеплавыя рэжымы ўплываюць субдукуючыя пліты, цыркуляцыя вадкасці і трэнне на кантактнай мяжы. На сярэдзінна-акіянічных хрыбтах пад'ём гарачага мантыйнага рэчыва павялічвае цеплавы паток і ўтварае гідратэрмальныя сістэмы.
7. Сувязь паміж фізічнымі ўласцівасцямі і інтэрпрэтацыяй: праблема інверсіі і неадзінасці
Сутнасць геафізікі — гэта не проста вымярэнне, а інтэрпрэтацыя. Вымярэнні на паверхні, з паветраных ці спадарожнікавых крыніц павінны быць пераўтвораны ў падпаверхневыя мадэлі. Гэты працэс называецца інверсіяй. Фізічна і матэматычна інверсіі часта неадзінаковыя: некалькі мадэляў могуць растлумачыць адны і тыя ж дадзеныя. Таму сучасная геафізіка абапіраецца на прынцыпы рэгулярызацыі, статыстыкі і інтэграцыі некалькіх дадзеных.
Напрыклад, анамалія гравітацыі можа сведчыць аб наяўнасці цела высокай шчыльнасці, але яна не паказвае непасрэдна, ці з'яўляецца гэта базальтавай інтрузіяй, ці металічнай рудой — магчымыя абодва варыянты. Дадаўшы магнітныя, сейсмічныя або электрамагнітныя дадзеныя, інтэрпрэтацыя становіцца больш надзейнай і рэалістычнай.
8. Маштаб і мэта: ад даследавання да глабальнага разумення Зямлі
Прынцыпы фізікі Зямлі ў геафізіцы дзейнічаюць у розных маштабах. У глабальным маштабе спадарожнікавая сейсмалогія і гравітацыя дапамагаюць картаграфаваць неаднароднасць мантыі Зямлі, геаіда і ўнутранай цыркуляцыі. У рэгіянальным і лакальным маштабах геафізічныя метады выкарыстоўваюцца для разведкі рэсурсаў (нафта, газ, карысныя выкапні, геатэрмальная энергія), змякчэння наступстваў стыхійных бедстваў (маніторынг вулканаў, мікразанаванне землятрусаў), геатэхнічнай інжынерыі (стабільнасць падмуркаў) і даследаванняў навакольнага асяроддзя (забруджванне глебы і вады).
Усе яны аб'ядноўвае прынцып, што змены фізічных уласцівасцей — шчыльнасці, пругкасці, праводнасці, намагнічанасці і тэмпературы — непасрэдна звязаны з геалагічнымі працэсамі. Геафізічныя метады даюць колькаснае ўяўленне пра гэтыя змены.
Закрыццё
Асноўныя прынцыпы фізікі Зямлі ў геафізіцы можна абагульніць як спробу зразумець Зямлю праз вымерныя фізічныя рэакцыі: гравітацыя і магнетызм як патэнцыяльныя палі, сейсмічныя як распаўсюджванне пругкіх хваль, электрычныя і электрамагнітныя метады як рэакцыі праводнасці і індукцыі, а геатэрмальныя як унутраны цеплавы паток. Кожны метад мае моцныя і абмежаваныя бакі, асабліва звязаныя з неадназначнасцю інтэрпрэтацыі, таму інтэграцыя дадзеных і разуменне фізікі матэрыялаў з'яўляюцца ключавымі.
Маючы трывалую аснову ў фізіцы, геафізіка можа звязаць назіранні на паверхні са складанай рэальнасцю пад зямлёй, дапамагаючы людзям зразумець структуру Зямлі, больш эфектыўна выкарыстоўваць яе рэсурсы і зніжаць рызыку катастроф дзякуючы лепшаму мадэляванню і маніторынгу.
