Maa füüsika põhiprintsiibid geofüüsikas
Geofüüsika on maateaduse haru, mis uurib Maad füüsika põhimõtete abil. Kui geoloogia tugineb suuresti pinnal asuvate kivimite ja struktuuride vaatlustele, siis geofüüsika "näeb" Maad kaudselt füüsikaliste reaktsioonide kaudu: lained, gravitatsiooniväljad, magnetism, elekter, soojus ja kiirgus. Teisisõnu, geofüüsika püüab vastata küsimustele, mis toimub pinna all, millised on selle materjalide omadused ja millised protsessid toimuvad – ilma et peaks kõikjal kaevama või puurima.
Geofüüsika põhjaliku mõistmise tagamiseks peame üle vaatama geofüüsikaliste meetodite aluseks olevad Maa füüsika põhimõtted. Nende põhimõtete hulka kuuluvad elastse keskkonna, laine leviku, potentsiaaliväljade, elektromagnetilise induktsiooni, soojusülekande ning materjalide füüsikaliste omaduste ja geoloogiliste tingimuste vahelise seose mõisted.
1. Maa kui füüsikaline süsteem: koostis, struktuur ja materjali omadused
Füüsikaliselt võib Maad pidada kihiliseks süsteemiks: maakoor, vahevöö, vedel välistuum ja tahke sisetuum. Need kihilised eristused ei ole pelgalt geoloogilised jaotused, vaid peegeldavad ka füüsikalisi omadusi, nagu tihedus, elastsus, elektrijuhtivus, temperatuur ja magnetism. Geofüüsikas on need füüsikalised omadused peamised "parameetrid".
Erinevad materjalid reageerivad jõududele ja energiale erinevalt. Näiteks tihedatel tardkivimitel on tavaliselt suurem tihedus kui lahtistel setetel; veega küllastunud kivimid juhivad elektrivoolu paremini kui kuivad kivimid; ja magnetilised mineraalid, näiteks magnetiit, annavad kivimitele suurema magnetilise vastuvõtlikkuse. Need reageeringu erinevused põhjustavad mõõdetavaid anomaaliaid.
2. Gravitatsioonivälja ja potentsiaalvälja mõiste
Üks Maa füüsika põhiprintsiipe on gravitatsioon. Maa gravitatsiooniväli ei ole massi ebaühtlase jaotuse tõttu ühtlane. Suure tihedusega kivimid "tõmbavad" tugevamalt kui vähem tihedad kivimid. Gravitatsiooniline geofüüsika kasutab gravitatsioonikiirenduse väikeseid muutusi (gravitatsioonianomaaliaid) maa-aluste struktuuride tõlgendamiseks.
Matemaatiliselt on gravitatsioon potentsiaalväli, st väli, mida saab tuletada potentsiaalfunktsioonist ja mis teatud tingimustel vastab Laplace'i/Poissoni võrrandile. See on oluline, sest paljudel geofüüsikalistel meetoditel – gravitatsioonil ja magnetilisel – on üks mitte-unikaalne omadus: üks anomaaliamuster võib olla põhjustatud erinevatest maa-alustest konfiguratsioonidest. Seetõttu nõuab tõlgendamine täiendavaid piiranguid, näiteks geoloogilisi andmeid, seismilisi andmeid või puurimisinfot.
Selle praktiliste rakenduste hulka kuuluvad settebasseinide kaardistamine, soolakuplite tuvastamine ja isostaasia (litosfääri massibilanss vahevöö suhtes) uurimine. Isostaasia printsiip selgitab, miks mägedel on kergemad või paksemad "juured", mis võimaldavad neil vahevöö suhtes hõljuda.
3. Maa magnetism: magnetväljad ja magnetanomaaliate allikad
Maal on primaarne magnetväli, mis tuleneb tema vedela välistuuma (geodünamo) dünaamikast. Lisaks primaarsele väljale on olemas ka lokaalsed magnetväljad, mis tulenevad magnetiseeritud kivimitest. Magnetgeofüüsika mõõdab magnetvälja muutusi, et kaardistada geoloogilisi struktuure, eriti neid, mis on seotud magnetiliste mineraalide poolest rikaste tard- ja moondekivimitega.
Põhiprintsiip on siin see, et kivimite magneetuvus koosneb kahest komponendist: indutseeritud magneetuvus (võrreldav Maa praeguse magnetväljaga) ja jääkmagneetuvus (varasema magneetuvuse jääk, mis tekkis kivimi tekkimise ajal). Jääkmagneetuvus on paleomagnetismis väga kasulik tektooniliste plaatide liikumise ja Maa magnetpooluste pöördumise ajaloo rekonstrueerimiseks.
Regionaalsel tasandil aitavad magnetandmed kaardistada aluspõhja paksude setete all, jälgida murranguid ja uurida mineraale.
4. Seismilised lained ja keskkonna elastsus
Geofüüsika keskseks füüsikaliseks printsiibiks on lainemehaanika elastses keskkonnas. Seismilised meetodid kasutavad Maal levivaid elastseid laineid. Maa sisemuses on kahte peamist tüüpi laineid: P-lained (primaar-, pikisuunalised) ja S-lained (sekundaarsed, põikisuunalised). P-lained võivad levida nii tahketes ainetes kui ka vedelikes, samas kui S-lained ei saa levida vedelikes. See füüsikaline fakt on oluline põhjus, miks me teame, et Maa välistuum on vedel: S-lained ei saa sellest läbi minna.
Seismilise laine kiirust määravad materjali elastsusmoodulid ja tihedus. Lihtsamalt öeldes on jäigematel ja tihedamatel kivimitel tavaliselt suurem lainekiirus. Kui lained läbivad erinevate omadustega kihte, toimuvad peegeldumine ja murdumine, järgides optikas Snelli seadusega analoogseid printsiipe. Laine levimisaja, amplituudi ja lainekuju põhjal saavad geofüüsikud hinnata kihi sügavust, sette paksust ja isegi vedelike olemasolu.
Globaalne seismoloogia uurib maavärinaid, et kaardistada vahevöö ja südamiku struktuuri, samas kui uurimisseismoloogia kaardistab nafta-, gaasi- ja geotermilisi reservuaare kohalikumal skaalal.
5. Elekter ja elektromagnetism: juhtivus, eritakistus ja induktsioon
Paljud maa-alused protsessid hõlmavad vedelikke, mineralisatsiooni ja temperatuurierinevusi – kõik need mõjutavad elektrijuhtivust. Elektriliste ja elektromagnetiliste meetodite põhiprintsiip on elektrivoolu, elektrivälja ja keskkonna omaduste vaheline seos, mida sageli võtab kokku Ohmi seadus pidevas vormis (J = σE), kus σ on juhtivus.
Eritakistus, indutseeritud polarisatsioon (IP), magnetotelluuriline (MT) ja muud elektromagnetilised meetodid mõõdavad pinnase all oleva pinnase reaktsiooni nii tehislikele kui ka looduslikele voolu-/väljaallikatele. Faraday seaduses sõnastatud elektromagnetilise induktsiooni põhimõte selgitab, kuidas muutuvad magnetväljad tekitavad pinnases elektrivälju ja pöörisvoolusid. Need pöörisvoolud tekitavad seejärel sekundaarseid magnetvälju, mida mõõdetakse pinnal.
Soolase veega küllastunud materjalid on väga juhtivad; savid on samuti sageli juhtivad pinnajuhtivusmehhanismide tõttu. Seevastu kuivad kristallilised kivimid ja süsivesinikud kipuvad olema takistuslikud. Seetõttu kasutatakse elektromagnetilisi meetodeid laialdaselt põhjavee, geotermilise vee, sulfiidmineraalide uurimise ja vedelikuga täidetud rikkevööndite uurimisel.
6. Geotermaalenergia ja soojusülekanne: juhtivus ja konvektsioon
Maa ei ole staatiline; see voolab soojusenergiat sisemusest pinnale. Soojusülekande põhimõtete hulka kuuluvad juhtivus (soojusvoog läbi aine ilma massiülekandeta) ja konvektsioon (soojusvoog, millega kaasneb massiülekanne, näiteks väga aeglaselt voolavas vahevöös). Fourier' seadus kirjeldab juhtivat soojusvoogu proportsionaalsena temperatuurigradiendi ja soojusjuhtivusega.
Geotermiliste gradientide, soojusvoogude ja kivimite termiliste omaduste mõõtmised aitavad mõista geotermilisi süsteeme, metamorfismi ja tektoonilist dünaamikat. Näiteks subduktsioonitsoonides mõjutavad soojusmustreid subduktsioonilaamad, vedeliku ringlus ja hõõrdumine kokkupuutepinnal. Keskmise ookeani seljandikel suurendab kuuma vahevöö materjali tõus soojusvoogu ja moodustab hüdrotermilisi süsteeme.
7. Füüsikaliste omaduste ja interpretatsiooni vaheline seos: inversiooni ja mitteunikaalsuse probleem
Geofüüsika olemus ei seisne ainult mõõtmises, vaid ka tõlgendamises. Maapinnal või õhust või satelliidilt tehtud mõõtmised tuleb teisendada maa-alusteks mudeliteks. Seda protsessi nimetatakse inversiooniks. Füüsikalisest ja matemaatilisest seisukohast on inversioonid sageli mitteunikaalsed: samu andmeid saab selgitada mitme mudeli abil. Seetõttu tugineb tänapäevane geofüüsika regulariseerimise, statistika ja mitme andmestiku integreerimise põhimõtetele.
Näiteks võib gravitatsioonianomaalia viidata suure tihedusega keha olemasolule, kuid see ei näita otseselt, kas tegemist on basaldi sissetungi või metallimaagiga – mõlemad on võimalikud. Magnetiliste, seismiliste või elektromagnetiliste andmete lisamisega muutub tõlgendus usaldusväärsemaks ja realistlikumaks.
8. Ulatus ja eesmärk: uuringutest globaalse Maa mõistmiseni
Maa füüsika põhimõtted geofüüsikas toimivad mitmel skaalal. Globaalsel skaalal aitavad satelliitseismoloogia ja gravitatsioon kaardistada Maa vahevöö, geoidi ja sisemise ringluse heterogeensust. Regionaalsel ja kohalikul skaalal kasutatakse geofüüsikalisi meetodeid ressursside uurimiseks (nafta, gaas, mineraalid, geotermiline energia), katastroofide leevendamiseks (vulkaanide seire, maavärinate mikrotsoonimine), geotehniliseks inseneritööks (vundamendi stabiilsus) ja keskkonnauuringuteks (pinnase ja vee saastumine).
Neid kõiki ühendab põhimõte, et füüsikaliste omaduste – tiheduse, elastsuse, juhtivuse, magnetiseeritavuse ja temperatuuri – muutused on otseselt seotud geoloogiliste protsessidega. Geofüüsikalised meetodid pakuvad kvantitatiivset vaadet nendele muutustele.
Sulgemine
Maa füüsika põhiprintsiibid geofüüsikas on kokkuvõtlikult püüe mõista Maad mõõdetavate füüsikaliste reaktsioonide kaudu: gravitatsioon ja magnetism potentsiaalsete väljadena, seismiline energia elastse laine levimisena, elektrilised ja elektromagnetilised meetodid juhtivuse ja induktsiooni reaktsioonidena ning geotermiline energia sisemise soojusvoona. Igal meetodil on oma tugevused ja piirangud, eriti seoses tõlgendamise mitte-unikaalsusega, seega on andmete integreerimine ja materjalifüüsika mõistmine võtmetähtsusega.
Tugeva füüsikalise alusega geofüüsika suudab ühendada pinnal tehtud vaatlused keerulise reaalsusega allpool – aidates inimestel mõista Maa struktuuri, kasutada selle ressursse sobivamalt ning vähendada katastroofiriske parema modelleerimise ja seire abil.
