Основни принципи на физиката на Земјата во геофизиката
Геофизиката е гранка на земјопоседната наука која ја проучува Земјата користејќи ги принципите на физиката. Додека геологијата во голема мера се потпира на набљудувања на карпи и структури на површината, геофизиката ја „гледа“ Земјата индиректно преку физички реакции: бранови, гравитациски полиња, магнетизам, електрична енергија, топлина и зрачење. Со други зборови, геофизиката се стреми да одговори на прашања како што се што се случува под површината, какви се својствата на нејзините материјали и какви процеси се одвиваат - без да мора да се копа или дупчи насекаде.
За да обезбедиме солидно разбирање на геофизиката, треба да ги разгледаме принципите на физиката на Земјата што ги поткрепуваат геофизичките методи. Овие принципи ги вклучуваат концептите на еластични медиуми, ширење на бранови, потенцијални полиња, електромагнетна индукција, пренос на топлина и односот помеѓу физичките својства на материјалите и геолошките услови.
1. Земјата како физички систем: состав, структура и својства на материјалот
Физички, Земјата може да се смета за слоевит систем: кора, мантија, течно надворешно јадро и цврсто внатрешно јадро. Овие слоевити разлики не се само геолошки поделби, туку одразуваат и физички својства како што се густина, еластичност, електрична спроводливост, температура и магнетизам. Во геофизиката, овие физички својства се примарните „параметри“.
Различните материјали реагираат различно на силите и енергијата. На пример, густите магматски карпи имаат тенденција да имаат поголема густина од лабавите седименти; карпите заситени со вода се поспроводливи на електрична струја од сувите карпи; а магнетните минерали како магнетит им даваат на карпите поголема магнетна сусцептибилност. Овие разлики во одговорот создаваат мерливи аномалии.
2. Концепт на гравитационо поле и потенцијално поле
Еден од основните принципи на Земјината физика е гравитацијата. Гравитационото поле на Земјата не е униформно поради нехомогената распределба на масата. Карпите со висока густина ќе „влечат“ посилно од помалку густите карпи. Гравитациската геофизика користи мали варијации во гравитационото забрзување (гравитациски аномалии) за да ги толкува подземните структури.
Математички, гравитацијата е потенцијално поле, односно поле кое може да се изведе од потенцијална функција и ја задоволува Лапласовата/Пуасонова равенка под одредени услови. Ова е важно бидејќи многу геофизички методи - гравитациски и магнетни - имаат неуникатна карактеристика: еден образец на аномалија може да биде предизвикан од различни подповршински конфигурации. Затоа, толкувањето бара дополнителни ограничувања како што се геолошки податоци, сеизмички податоци или информации за дупчење.
Неговите практични примени вклучуваат мапирање на седиментни базени, идентификување на солени куполи и проучување на изостазата (рамнотежата на масата на литосферата во однос на мантија). Принципот на изостаза објаснува зошто планините имаат полесни или подебели „корени“, што им овозможува да лебдат во однос на мантија.
3. Земјиниот магнетизам: магнетни полиња и извори на магнетни аномалии
Земјата има примарно магнетно поле добиено од динамиката на нејзиното течно надворешно јадро (геодинамо). Покрај примарното поле, постојат и локални магнетни полиња од магнетизирани карпи. Магнетната геофизика ги мери варијациите на магнетното поле за да ги мапира геолошките структури, особено оние поврзани со магматски и метаморфни карпи богати со магнетни минерали.
Клучниот принцип овде е дека магнетизацијата на карпите се состои од две компоненти: индуцирана магнетизација (споредлива со сегашното магнетно поле на Земјата) и преостаната магнетизација (остаток од минатата магнетизација, кога се формирала карпата). Преостанатата магнетизација е многу корисна во палеомагнетизмот за реконструкција на движењето на тектонските плочи и историјата на пресвртите на магнетните полови на Земјата.
На регионално ниво, магнетните податоци помагаат да се мапира подрумот (карпестата подлога) под дебелите седименти, да се трага по раседите и да се истражуваат минерали.
4. Сеизмички бранови и еластичност на средината
Централен физички принцип во геофизиката е брановата механика во еластични медиуми. Сеизмичките методи ги користат еластичните бранови што се шират низ Земјата. Постојат два главни типа на бранови во внатрешноста на Земјата: P-бранови (примарни, лонгитудинални) и S-бранови (секундарни, попречни). P-брановите можат да се шират во цврсти материи и течности, додека S-брановите не можат да се шират во флуиди. Овој физички факт е важна причина зошто знаеме дека надворешното јадро на Земјата е течно: S-брановите не можат да поминат низ него.
Брзината на сеизмичките бранови е одредена од еластичните модули и густината на материјалот. Едноставно кажано, поцврстите и погустите карпи имаат тенденција да имаат поголеми брзини на брановите. Кога брановите минуваат низ слоеви со различни својства, се јавува рефлексија и прекршување, следејќи ги принципите аналогни на Снеловиот закон во оптиката. Од времето на патување на бранот, амплитудата и обликот на бранот, геофизичарите можат да ја проценат длабочината на слојот, дебелината на седиментот, па дури и присуството на флуиди.
Глобалната сеизмологија ги проучува земјотресите за да ја мапира структурата на мантија и јадрото, додека истражувачката сеизмологија ги мапира нафтените, гасните и геотермалните резервоари на полокално ниво.
5. Електрицитет и електромагнетизам: спроводливост, отпорност и индукција
Многу подземни процеси вклучуваат течности, минерализација и температурни разлики - сите тие влијаат на електричната спроводливост. Фундаменталниот принцип на електричните и електромагнетните методи е односот помеѓу електричната струја, електричното поле и својствата на медиумот, честопати сумиран со Омовиот закон во континуирана форма (J = σE), каде што σ е спроводливоста.
Отпорноста, индуцираната поларизација (IP), магнетотелурната (MT) и други електромагнетни методи го мерат одговорот на подземјето на извори на струја/поле, и вештачки и природни. Принципот на електромагнетна индукција - формулиран во Фарадеевиот закон - објаснува како променливите магнетни полиња создаваат електрични полиња и вртложни струи во почвата. Овие вртложни струи потоа создаваат секундарни магнетни полиња кои се мерат на површината.
Материјалите заситени со солена вода се многу спроводливи; глините се исто така често спроводливи поради механизмите на површинска спроводливост. Спротивно на тоа, сувите кристални карпи и јаглеводородите имаат тенденција да бидат отпорни. Затоа, ЕМ методите се широко користени за истражување на подземни води, геотермални води, сулфидни минерали и проучување на раседни зони исполнети со течност.
6. Геотермална енергија и пренос на топлина: спроводливост и конвекција
Земјата не е статична; таа тече топлинска енергија од внатрешноста кон површината. Принципите на пренос на топлина вклучуваат спроводливост (течење на топлина низ материјата без пренос на маса) и конвекција (течење на топлина придружена со пренос на маса, како што е многу бавно течечката обвивка). Фуриеовиот закон го опишува спроводливиот топлински флукс како пропорционален на температурниот градиент и топлинската спроводливост.
Мерењата на геотермалните градиенти, топлинските флуксови и термичките својства на карпите помагаат да се разберат геотермалните системи, метаморфизмот и тектонската динамика. На пример, во субдукциските зони, топлинските модели се под влијание на субдукциските плочи, циркулацијата на флуиди и триењето на контактната површина. На средноокеанските гребени, издигнувањето на жешкиот материјал од мантија го зголемува топлинскиот флукс и формира хидротермални системи.
7. Односот помеѓу физичките својства и интерпретацијата: проблемот на инверзијата и неединственоста
Суштината на геофизиката не е само мерење, туку и толкување. Мерењата на површината или од воздушни или сателитски извори мора да се преведат во подповршински модели. Овој процес се нарекува инверзија. Физички и математички, инверзиите честопати не се единствени: повеќе модели можат да ги објаснат истите податоци. Затоа, модерната геофизика се потпира на принципите на регуларизација, статистика и интеграција на повеќе податоци.
На пример, гравитациската аномалија може да укажува на присуство на тело со висока густина, но не укажува директно дали станува збор за базалтна интрузија или метална руда - и двете се можни. Со додавање на магнетни, сеизмички или електромагнетни податоци, толкувањето станува поробусно и пореално.
8. Размер и намена: од истражување до глобално разбирање на Земјата
Принципите на физиката на Земјата во геофизиката функционираат на повеќе нивоа. На глобално ниво, сателитската сеизмологија и гравитацијата помагаат во мапирањето на хетерогеноста на Земјината обвивка, геоидот и внатрешната циркулација. На регионално и локално ниво, геофизичките методи се користат за истражување на ресурси (нафта, гас, минерали, геотермална енергија), ублажување на катастрофи (мониторинг на вулкани, микрозонирање на земјотреси), геотехничко инженерство (стабилност на темелите) и студии за животната средина (контаминација на почвата и водата).
Она што ги обединува сите е принципот дека варијациите во физичките својства - густина, еластичност, спроводливост, магнетизација и температура - се директно поврзани со геолошките процеси. Геофизичките методи даваат увид во овие варијации квантитативно.
Затворање
Основните принципи на физиката на Земјата во геофизиката можат да се сумираат како обид да се разбере Земјата преку мерливи физички реакции: гравитацијата и магнетизмот како потенцијални полиња, сеизмичката енергија како ширење на еластични бранови, електричните и електромагнетните методи како реакции на спроводливост и индукција и геотермалната енергија како внатрешен проток на топлина. Секој метод има предности и ограничувања, особено поврзани со неуникатноста на толкувањето, па затоа интеграцијата на податоците и разбирањето на физиката на материјалите се клучни.
Со силна основа во физиката, геофизиката може да ги поврзе набљудувањата на површината со сложената реалност под неа - помагајќи им на луѓето да ја разберат структурата на Земјата, да ги користат нејзините ресурси посоодветно и да ги намалат ризиците од катастрофи преку подобро моделирање и следење.
