Геофизикадағы Жер физикасының негізгі принциптері
Геофизика - Жерді физика принциптерін қолдана отырып зерттейтін жер туралы ғылымның бір саласы. Геология жер бетіндегі тау жыныстары мен құрылымдарды бақылауға көп сүйенсе, геофизика Жерді жанама түрде физикалық реакциялар арқылы «көреді»: толқындар, гравитациялық өрістер, магнетизм, электр тогы, жылу және сәулелену. Басқаша айтқанда, геофизика жер бетінің астында не болып жатқаны, оның материалдарының қасиеттері қандай және қандай процестер жүріп жатқаны сияқты сұрақтарға жауап беруге тырысады - барлық жерді қазып немесе бұрғылап отырмай.
Геофизиканы терең түсіну үшін геофизикалық әдістердің негізінде жатқан Жер физикасының принциптерін қайта қарауымыз керек. Бұл принциптерге серпімді орта, толқындардың таралуы, потенциалдық өрістер, электромагниттік индукция, жылу алмасу және материалдардың физикалық қасиеттері мен геологиялық жағдайлар арасындағы байланыс ұғымдары кіреді.
1. Жер физикалық жүйе ретінде: құрамы, құрылымы және материалдық қасиеттері
Физикалық тұрғыдан Жерді қабатты жүйе ретінде қарастыруға болады: жер қыртысы, мантия, сұйық сыртқы ядро және қатты ішкі ядро. Бұл қабатты айырмашылықтар тек геологиялық бөлінулер ғана емес, сонымен қатар тығыздық, серпімділік, электр өткізгіштік, температура және магнетизм сияқты физикалық қасиеттерді де көрсетеді. Геофизикада бұл физикалық қасиеттер негізгі «параметрлер» болып табылады.
Әр түрлі материалдар күштер мен энергияға әртүрлі жауап береді. Мысалы, тығыз магмалық тау жыныстары борпылдақ шөгінділерге қарағанда тығыздығы жоғары болады; сумен қаныққан тау жыныстары құрғақ тау жыныстарына қарағанда электр тогын жақсы өткізеді; ал магнетит сияқты магниттік минералдар тау жыныстарына жоғары магниттік сезімталдық береді. Жауап берудегі бұл айырмашылықтар өлшенетін ауытқуларды тудырады.
2. Гравитациялық өріс және потенциалдық өріс туралы түсінік
Жер физикасының негізгі қағидаларының бірі - гравитация. Жердің гравитациялық өрісі массаның біркелкі емес таралуына байланысты біркелкі емес. Жоғары тығыздықтағы тау жыныстары тығыздығы аз тау жыныстарына қарағанда күштірек «тартылады». Гравитациялық геофизика жер асты құрылымдарын түсіндіру үшін гравитациялық үдеудің (гравитациялық аномалиялардың) шағын ауытқуларын пайдаланады.
Математикалық тұрғыдан алғанда, гравитация - бұл потенциалдық өріс, яғни потенциалдық функциядан алынуы мүмкін және белгілі бір жағдайларда Лаплас/Пуассон теңдеуін қанағаттандыратын өріс. Бұл маңызды, себебі көптеген геофизикалық әдістер - гравитациялық және магниттік - бірегей емес сипаттамаға ие: бір аномалия үлгісі әртүрлі жер асты конфигурацияларынан туындауы мүмкін. Сондықтан, түсіндіру геологиялық деректер, сейсмикалық деректер немесе бұрғылау туралы ақпарат сияқты қосымша шектеулерді талап етеді.
Оның практикалық қолданылуына шөгінді бассейндерді картаға түсіру, тұз күмбездерін анықтау және изостазияны (литосфераның мантияға қатысты массалық тепе-теңдігін) зерттеу кіреді. Изостаз принципі таулардың неге жеңіл немесе қалың «тамырлары» бар екенін түсіндіреді, бұл олардың мантияға қатысты қалқып жүруіне мүмкіндік береді.
3. Жердің магнетизмі: магнит өрістері және магниттік аномалиялардың көздері
Жердің сұйық сыртқы ядросының (геодинамика) динамикасынан туындайтын бастапқы магнит өрісі бар. Бастапқы өрістен басқа, магниттелген тау жыныстарынан шығатын жергілікті магнит өрістері де бар. Магниттік геофизика геологиялық құрылымдарды, әсіресе магниттік минералдарға бай магмалық және метаморфтық тау жыныстарымен байланысты құрылымдарды картаға түсіру үшін магнит өрісінің вариацияларын өлшейді.
Мұндағы негізгі қағида - тау жыныстарының магниттелуі екі компоненттен тұрады: индукцияланған магниттелу ( Жердің қазіргі магнит өрісімен салыстыруға болады) және қалдық магниттелу (тау жынысы пайда болған кездегі өткен магниттелудің қалдығы). Қалдық магниттелу палеомагнетизмде тектоникалық плиталардың қозғалысын және Жердің магнит полюстерінің ауытқу тарихын қалпына келтіру үшін өте пайдалы .
Аймақтық масштабта магниттік деректер қалың шөгінділердің астындағы іргетасты (негізгі жыныстарды) картаға түсіруге, жарықтарды іздеуге және минералдарды зерттеуге көмектеседі.
4. Сейсмикалық толқындар және ортаның серпімділігі
Геофизикадағы орталық физикалық принцип - серпімді ортадағы толқын механикасы. Сейсмикалық әдістер Жер арқылы таралатын серпімді толқындарды пайдаланады . Жердің ішкі бөлігінде толқындардың екі негізгі түрі бар: P-толқындар (бастапқы, бойлық) және S-толқындар (екінші реттік, көлденең). P-толқындар қатты және сұйықтықтарда тарала алады, ал S-толқындар сұйықтықтарда тарала алмайды. Бұл физикалық факт Жердің сыртқы ядросының сұйық екенін білуіміздің маңызды себебі болып табылады: S-толқындар одан өте алмайды.
Сейсмикалық толқын жылдамдығы материалдың серпімділік модулі мен тығыздығымен анықталады. Қарапайым тілмен айтқанда, қаттырақ және тығызырақ жыныстарда толқын жылдамдығы жоғарырақ болады. Толқындар әртүрлі қасиеттері бар қабаттар арқылы өткенде, оптикадағы Снелл заңына ұқсас принциптерге сүйене отырып, шағылысу және сыну жүреді. Толқынның қозғалу уақытынан, амплитудасынан және толқын формасынан геофизиктер қабат тереңдігін, шөгінді қалыңдығын және тіпті сұйықтықтардың болуын бағалай алады.
Әлемдік сейсмология жер сілкіністерін мантия мен ядроның құрылымын картаға түсіру үшін зерттейді, ал барлау сейсмологиясы мұнай, газ және геотермалдық коллекторларды жергілікті масштабта картаға түсіреді.
5. Электр тогы және электромагнетизм: өткізгіштік, кедергі және индукция
Көптеген жер асты процестері сұйықтықтарды, минералдануды және температура айырмашылықтарын қамтиды — мұның бәрі электр өткізгіштігіне әсер етеді. Электрлік және электромагниттік әдістердің негізгі қағидасы электр тогы, электр өрісі және ортаның қасиеттері арасындағы байланыс болып табылады, көбінесе Ом заңымен үздіксіз түрде қорытындыланады (J = σE), мұндағы σ өткізгіштік болып табылады.
Кедергі, индукцияланған поляризация (ИП), магнитотеллурлық (МТ) және басқа да электромагниттік әдістер жер астының жасанды және табиғи ток/өріс көздеріне реакциясын өлшейді. Фарадей заңында тұжырымдалған электромагниттік индукция принципі өзгеретін магнит өрістерінің топырақта электр өрістері мен құйынды токтарды қалай тудыратынын түсіндіреді. Содан кейін бұл құйынды токтар бетінде өлшенетін екінші реттік магнит өрістерін тудырады.
Тұзды сумен қаныққан материалдар жоғары өткізгіштікке ие; саздар да беткі өткізгіштікке байланысты жиі өткізгіш болып табылады. Керісінше, құрғақ кристалды тау жыныстары мен көмірсутектер кедергіге бейім. Сондықтан ЭМ әдістері жер асты суларында , геотермалдық, сульфидті минералды барлауда және сұйықтыққа толы жарық аймақтарын зерттеуде кеңінен қолданылады .
6. Геотермалдық және жылу алмасу: өткізгіштік және конвекция
Жер статикалық емес; ол жылу энергиясын ішкі жағынан бетіне жеткізеді. Жылу беру принциптеріне жылу өткізгіштік (масса алмасуынсыз зат арқылы жылу ағыны) және конвекция (өте баяу ағатын мантия сияқты масса алмасумен бірге жүретін жылу ағыны) жатады. Фурье заңы өткізгіш жылу ағынын температура градиентіне және жылу өткізгіштікке пропорционал деп сипаттайды.
Геотермалдық градиенттерді, жылу ағындарын және тау жыныстарының жылулық қасиеттерін өлшеу геотермалдық жүйелерді, метаморфизмді және тектоникалық динамиканы түсінуге көмектеседі. Мысалы, субдукция аймақтарында жылу үлгілеріне субдукция плиталары, сұйықтық айналымы және жанасу шекарасындағы үйкеліс әсер етеді. Орта мұхиттық жоталарда ыстық мантия материалының көтерілуі жылу ағынын арттырады және гидротермалдық жүйелерді түзеді.
7. Физикалық қасиеттер мен интерпретация арасындағы байланыс: инверсия және бірегей еместік мәселесі
Геофизиканың мәні тек өлшеу ғана емес, сонымен қатар түсіндіруде. Жер бетіндегі немесе әуедегі немесе спутниктік көздерден алынған өлшеулер жер асты модельдеріне аударылуы керек. Бұл процесс инверсия деп аталады. Физикалық және математикалық тұрғыдан инверсиялар көбінесе бірегей емес: бірнеше модельдер бірдей деректерді түсіндіре алады. Сондықтан қазіргі заманғы геофизика регуляризация, статистика және көп деректерді интеграциялау принциптеріне сүйенеді.
Мысалы, гравитациялық аномалия жоғары тығыздықтағы дененің бар екенін көрсетуі мүмкін, бірақ ол базальт интрузиясы ма, әлде металл кені ме екенін тікелей көрсетпейді — екеуі де мүмкін. Магниттік, сейсмикалық немесе электромагниттік деректерді қосу арқылы түсіндіру сенімдірек және шынайы болады.
8. Ауқымы мен мақсаты: зерттеуден бастап Жерді жаһандық түсінуге дейін
Геофизикадағы Жер физикасының принциптері бірнеше масштабта қолданылады. Әлемдік масштабта спутниктік сейсмология және гравитация Жер мантиясының, геоидтың және ішкі айналымның гетерогенділігін картаға түсіруге көмектеседі. Аймақтық және жергілікті масштабта геофизикалық әдістер ресурстарды барлау (мұнай, газ, минералдар, геотермалдық), апаттардың алдын алу (вулкан мониторингі, жер сілкінісінің микрозонациясы), геотехникалық инженерия (іргетастың тұрақтылығы) және қоршаған ортаны зерттеу (топырақ пен судың ластануы) үшін қолданылады.
Олардың барлығын біріктіретін нәрсе - физикалық қасиеттердің - тығыздықтың, серпімділіктің, өткізгіштіктің, магниттелудің және температураның өзгеруі геологиялық процестермен тікелей байланысты деген қағида. Геофизикалық әдістер бұл өзгерістерге сандық тұрғыдан терезе ашады.
Жабу
Геофизикадағы Жер физикасының негізгі қағидаларын өлшенетін физикалық реакциялар арқылы Жерді түсіну әрекеті ретінде қорытындылауға болады: гравитация мен магнетизм потенциалды өрістер ретінде, сейсмикалық серпімді толқындардың таралуы ретінде, электрлік және электромагниттік әдістер өткізгіштік және индукциялық реакциялар ретінде және геотермалдық ішкі жылу ағыны ретінде. Әрбір әдістің күшті және шектеулері бар, әсіресе түсіндірудің бірегей еместігіне байланысты, сондықтан деректерді интеграциялау және материалдық физиканы түсіну маңызды болып табылады.
Физикадағы берік негіздің арқасында геофизика жер бетіндегі бақылауларды астыңғы күрделі шындықпен байланыстыра алады – бұл адамдарға Жердің құрылымын түсінуге, оның ресурстарын тиімдірек пайдалануға және модельдеу мен бақылауды жақсарту арқылы апаттар қаупін азайтуға көмектеседі.
