Геофизика, ответы на вопросы. Лебедев ГМ-Б20-1 Предмет, содержание и задачи геофизики. 1. Предмет, цель и задачи науки геофизики
 Скачать 18.99 Kb.
|
|
Предмет, содержание и задачи геофизики 1. Предмет, цель и задачи науки геофизики. Геофизика – наука о строении, физических свойствах и процессах, происходящих в твердой, жидкой и газообразной оболочках Земли. Цель геофизических исследований состоит в получении наиболее достоверных сведений о строении недр земли, ее водной и воздушных оболочек, в изучении происхождения и развития нашей планеты. В круг вопросов геофизики входит изучение происхождения, эволюции и возраста нашей планеты в целом и отдельных ее геосфер, определение массы и плотности Земли, ее внутреннего строения и состояния, физических свойств, физических и физико-химических процессов, происходящих в твердой, жидкой (гидросфера) и газообразной (атмосфера) оболочках. Геофизика, находясь на стыке точных и естественных наук рассматривает Землю как единое сложное и непрерывно меняющееся физическое тело, являющееся составной частью Солнечной системы и взаимодействующее с ней. Объектом исследований геофизики является земной шар в целом с его твердой оболочкой, морями и океанами, поверхностными и подземными водами, атмосферой и ближним космосом. 2. Место геофизики среди наук о Земле. В связи со специфическими особенностями изучения состава вещества и строения каждой из трех основных геосфер Земли и разнообразием происходящих в них физических процессов и явлений геофизика в настоящее время подразделяется на три крупных обособившихся раздела, соответствующих этим геосферам, – физику твердой Земли, или физику твердого тела Земли, физику гидросферы, или гидрофизику, и физику атмосферы, и ближнего космоса. Физика твердого тела Земли (ее часто называют просто физикой Земли) изучает механизм происхождения и развития Земли в целом и отдельных геосфер, а также ее возраст, состав, внутреннее строение и физические свойства земной коры, мантии и ядра и происходящие в них физические, химические и механические процессы. Физика Земли исследует также процессы и явления, возникающие вследствие взаимодействия между Землей и планетами Солнечной системы. Геофизика изучает процессы и состояние вещества в условиях, весьма отличных от условий обычного физического эксперимента, так как непосредственное проникновение в глубокие недра Земли пока невозможно. Поэтому основными методами, используемыми в геофизике, являются методы теоретической физики. Однако не следует думать, что геофизика – это чисто теоретическая наука. Как отрасль естествознания, она основана на экспериментальных геофизических данных и полностью опирается на данные практики и эксперимента. Цель геофизических исследований состоит в получении наиболее достоверных сведений о строении недр Земли, ее водной и воздушной оболочек, в изучении происхождения и развития нашей планеты, что позволяет решить по крайней мере две важнейшие для человечества современные проблемы: во-первых, проблему рационального использования природных ресурсов и, во-вторых, разумного использования всех геосфер, влияющих на практическую деятельность человека, Геофизические данные наряду с геологическими и другими исследованиями позволяют заглянуть в прошлое Земли, обрисовать пока в общих чертах историю ее происхождения и развития и в первом приближении дать прогноз на будущее. Все разделы геофизики имеют самое непосредственное отношение к практической деятельности человека – к разведке и добыче полезных ископаемых, освоению энергии земных недр, океанических глубин и космического пространства, прогнозу неблагоприятных явлений, охране окружающей среды и управлению природными процессами. В то же время геофизика представляет другим наукам важные научные и практические знания о внутреннем строении Земли, об ее взаимодействиях с окружающими космическими телами – Солнцем, Луной и др., метеорной материей и т. д. 3. Основные геофизические понятия и определения. К основным геофизическим понятиям и определениям относятся геофизическое поле и его характеристики – геофизический параметр (величина), напряженность, градиент и геофизическое явление. Геофизическое поле. Геофизика изучает происхождение и строение различных физических полей Земли, или так называемых геофизических полей, и протекающие в ней и в околоземном пространстве физические процессы и явления. Физическое поле – это конкретная форма существования материи, связывающая элементарные частицы вещества друг с другом в единые системы и перемещающие с конечной скоростью действие одних частиц на другие (т. е. осуществляющие взаимодействие этих частиц) Физических полей много. Общим для всех физических полей является постоянное взаимодействие элементарных частиц. Так, в гравитационном и барическом полях происходит взаимодействие масс частиц, электрическом – взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, геомагнитном – между электрическими зарядами и спиновыми (от англ. Spin – вращение) носителями магнетизма (электроны, протоны и др.), в сейсмическом – передача упругих колебаний, возникающих при землетрясениях и искусственных взрывах, в термическом – взаимодействие энергий частиц, в радиоактивном – ядерных излучений. Указанные взаимодействия масс, энергий, колебаний, излучений и т. д. происходят как внутри каждого геологического тела, каждой горной породы и каждой геосферы, так и между ними, и особенно на границах их соприкосновения. Источниками физических полей являются вся Земля в целом, все геосферы, любое геологическое тело, любая горная порода, любое искусственное сооружение. Все объекты порождают вокруг и внутри себя гравитационное, магнитное, тепловое, радиоактивное, электрическое поля, а при механическом и другом воздействии на них становятся источником полей упругих колебаний. Измеряя величины (параметры) внешних физических полей, можно судить об источниках этих полей. Поле может быть стационарным (установившимся), если в каждой точке пространства оно не меняется с течением времени, или нестационарным (неустановившимся), если таковое изменение имеет место. Поле может быть скалярным или векторным в зависимости от характера исследуемой величины. Скалярным полем, например, является поле температур или поле плотностей. В качестве примера векторных полей можно привести поле скоростей, электромагнитное поле, поле сил тяготения и т. д. По происхождению геофизические поля разделяются на естественные и искусственные. Естественное поле представляет собой результат явлений, происходящих в Земле и в земной коре независимо от воздействия на них человека. К естественным полям относятся гравитационное, геомагнитное, электрическое, сейсмическое (возникшее в результате упругих колебаний при землетрясениях), термическое и поле естественных ядерных излучений. Искусственное поле возбуждается по заданию экспериментатора. Он может управлять такими полями, задавая их наиболее выгодным образом для решения конкретных геофизических задач. Так, в разведочной геофизике для поиска полезных ископаемых и решения ряда научных вопросов широко практикуется создание следующих физических полей электрического, электромагнитного, сейсмического (поле упругих колебаний, вызванное путем взрывов), вторичных ядерных излучений и др. Геофизические поля позволяют изучать внутреннее строение и физико - химические свойства Земли, а также вскрывать механизм взаимодействия геосфер между собой. Они определяют характер, направленность миграции электрически заряженных частиц и дифференциацию вещества по плотности Геофизические поля обусловливают движение воздушных масс и круговорот воды и вещества на Земле, процессы смещения горных пород, их растворение, окисление и т. д. Изучение геофизических полей имеет большое значение для практических целей. Так, установлены тесные зависимости между, магнитной активностью, различными природными процессами и самочувствием людей. В частности, обнаружено, что изменения атмосферного давления, температуры воздуха, засухи, похолодания, потепления и другие процессы на Земле тесно связаны с ее магнитным полем. С помощью геофизических полей в широких масштабах выполняется разведка полезных ископаемых Геофизический параметр. Каждое геофизическое поле определяется своими присущими ему параметрами (величинами). Геофизический параметр – это величина, значения которой служат для различия элементов геофизических полей. Например, гравитационное поле характеризуют ускорением свободного падения, термическое – распределением температур и тепловых потоков, геомагнитное – полным вектором напряженности, магнитным склонением, наклонением и другими элементами магнетизма, электромагнитное – векторами магнитной и электрической компонент, упругое – временем и скоростями распространения продольных, поперечных и другими упругими параметрами, радиационное – интенсивностью естественного или искусственного излучения, барическое – давлением и т. д. В каждой точке и в каждый момент времени геофизические параметры, характеризующие данное поле, имеют вполне определенное значение, неодинаковое в различных частях пространства. Иными словами, геофизическое поле характеризует пространственное распределение геофизических параметров, которые изменяются во времени. Величина параметров геофизических полей на земной поверхности и под ней, в море и океане, в воздухе и космосе зависит как от общего строения Земли и околоземного пространства, так и от происхождения полей и изменения физических свойств горных пород. Напряженность геофизического поля. Это основная характеристика геофизических полей, определяющая силу, с которой они действуют на единичный источник (электрический заряд, массу, энергию). Напряженность поля – величина векторная, направленная в сторону действия силы. Если сила ориентирована по радиусу от источника, то напряженность считается положительной, а если к источнику – отрицательной. Напряженность электрического поля, например, выражается в вольтах на метр (В/м), магнитного – в амперах на метр (А/м), гравитационного – м/с2 и т. д. Потенциал геофизического поля. Это работа, проведенная внешними силами для внесения единичного положительного источника в данную точку поля из бесконечности при условии, что напряженность в бесконечности равна нулю. Эта работа придает источнику некоторый энергетический потенциал U. Между напряженностью геофизического поля Е и потенциалом U имеется связь Е= -gradU. Знак минуса в этом уравнении означает, что градиент направлен в сторону увеличения потенциала, а напряженность – в сторону его падения. Геофизическое явление. Это определенный физический процесс, сопровождающийся резким (качественным) изменением состояния геофизических полей или отдельных их сторон. Примеры геофизических явлений: полярные сияния, магнитные бури, грозы, землетрясения, движение магнитных полюсов, образование и таяние льда и снежного покрова, снежные лавины, сели, земные и морские приливы и т. д. 4. Методы геофизических исследований. Метод прямого зондирования Косвенное зондирование Комплексное зондирование Метод стационарных наблюдений Экспедиционный метод Экспериментальный метод Метод теоретического анализа |