Геофизика

(от греч. ge — Земля и physike — основы естествознания * a. geophysics; н. Geophysik; ф. geophysique; и. geofisica) — комплекс наук, исследующих физ. методами происхождение, эволюцию, строение, свойства и процессы (природные и техногенные) в Земле и её оболочках (атмосфере, гидросфере, литосфере и т.д.). Г. основана на изучении природы, структуры, пространств, неоднородности, временнуй изменчивости геофиз. полей (гравитационного, геомагнитного, электромагнитного, геотермического и др.) и их отклонений от нормы (см. Геофизическая аномалия), что обусловлено неоднородностью состава и сложностью строения Земли, характером происходящих в ней процессов, влиянием Солнца, Луны, планет, космич. излучения и т.п., а также воздействием Биосферы и техногенной деятельности.

Г. связана с Геологическими науками (особенно Тектоникой, Вулканологией, петрофизикой, а также Геохимией), астрономией, математикой, физикой и мн. техн. науками, физ. географией и др.

Крупные разделы Г. — солнечно-земная физика, физика атмосферы, гидрофизика и физика "твёрдой" Земли, Разведочная геофизика, Промысловая геофизика и вычислит. Г.

Солнечно-земная физика изучает явления и процессы в межпланетной и околоземной среде. Состояние ионосферы и магнитосферы Земли, форма радиационных поясов и т.п. зависят от уровня солнечной активности, вариаций потоков электромагнитного излучения и космич. лучей. Наиболее сильные возмущения ионосферы и магнитосферы связаны с солнечными вспышками, к-рые сопровождаются многократным усилением потоков частиц высоких энергий и увеличением интенсивности электромагнитного излучения во всех диапазонах. Это вызывает полярные сияния, магнитные бури, изменяет отражательную способность ионосферы, нарушает энергетич. баланс тропосферы, что приводит к вариациям метеорологич. факторов и т.п.

Физика атмосферы изучает процессы и явления в атмосфере, свойства газовых составляющих, поглощение и излучение ими радиации, хим. реакции, распределение темп-ры и давления, испарение и конденсацию водяного пара, образование облаков и выпадение осадков, разнообразные формы движения в атмосфере. Физика атмосферы разделяется на метеорологию, изучающую ниж. слои атмосферы, и аэрономию, исследующую верх. слои. Тепловое излучение и разл. оптич. эффекты изучаются актинометрией и атм. оптикой.

Выделяются в отд. отрасли науки учения об атм. электричестве, акустике и турбулентности.

Гидрофизика изучает строение и физ. процессы в Гидросфере и тесно связана с географией, геохимией, геологией, гидро- геологией и др. Гидрофизика разделяется на физику моря, гидрологию суши. Физика моря (физика океана) исследует физ. процессы в Мировом ок. и включает термодинамику, гидродинамику, акустику, оптику, ядерную гидрофизику (изучение радиоактивности вод океана и её изменения), а также занимается исследованием квазистационарных электрич. и магнитных полей в океане, распространения в нём низкочастотных электромагнитных возмущений, возникающих благодаря электропроводности мор. воды, магнитогидродинамич. эффектов. Крупнейшая проблема физики океана — взаимодействие атмосферы и океана — имеет большое прикладное значение, в частности для прогноза погоды и климатологии. Гидрология суши исследует поверхностные воды (реки, озёра, водохранилища, болота, ледники).

Физика Земли (или Г. в узком смысле слова) представляет комплекс наук, изучающий строение и эволюцию т.н. твёрдой Земли, её состав, свойства, процессы в недрах и др. В зависимости от предмета исследования в физике Земли выделяются самостоят. крупные разделы: сейсмология, гравиметрия, геомагнетизм, геотермия, геоэлектрика, геодинамика, исследование минералов и г. п. при высоких давлениях и темп-рах, а также др. геофиз. науки, возникшие и развивающиеся на стыке с геологией (тектонофизика и др.), математикой, химией и т.д.

Сейсмология — наиболее обширный раздел физики Земли. Долгое время она была наукой о землетрясениях и сейсмич. волнах. Совр. сейсмология занимается измерениями и анализом всех видов движений в земной коре, к-рые регистрируются сейсмографами на суше, а также на дне океанов и морей. В сейсмологии используются волны как от естеств. источников (землетрясений), так и от искусств. источников — взрывов и различного типа вибраторов. Исследование характера распространения сейсмич. волн, а также измерения периодов собств. колебаний Земли позволили решить осн. задачу сейсмологии — построить сейсмич. модель Земли. Глобальная сейсмич. модель даёт распределение скоростей продольных и поперечных волн с глубиной или в зависимости от радиуса с учётом неоднородности Земли и специфики отд. регионов, позволяет установить распределение плотности, давления, модулей упругости и др. физ. параметров, разделить недра на специфич. зоны. Изучение землетрясений включает выявление их геогр. распространённости и связи с региональными особенностями, распределение их по энергиям (см. Сейсмичность земли), разработку теории подготовки и механизма землетрясения (физика очага землетрясений), критериев прогноза (анализ их предвестников). К "малым" задачам сейсмологии можно отнести исследование сейсмич. шумов от пром. установок и транспорта, микросейсм, связанных со штормами и волнением в океанах, а также Цунами и их предсказание. Данные сейсмологии используются в разл. геол. концепциях (напр., для разработки теории тектоники плит), при решении крупных прикладных задач — прогноза землетрясений, Сейсмического микрорайонирования и оценки сейсмич. риска, прогноза значит. перемещений, вызываемых землетрясениями и взрывами, обнаружения и распознавания ядерных взрывов, выбора территорий для стр-ва атомных электростанций. Сейсмич. методы широко применяются в разведочной и промысловой Г. (см. Сейсмическая разведка, Сейсмический каротаж), а также в исследованиях др. объектов Солнечной системы (напр., Луны, Марса и Венеры).

Гравиметрия изучает Гравитационное поле земли, его пространств. изменение и определяет фигуру Земли. Гравитац. поле отражает характер распределения масс в недрах планеты и тесно связано с её формой. Выявление гравитац. аномалий, их физ. и геол. интерпретация являются важными задачами гравиметрии. Оценка гравитац. аномалий широко используется в физике Земли, т.к. их наличие приводит к касательным напряжениям в теле Земли, к-рые являются причинами течений вещества, а иногда и разрушений. Отсутствие связи гравитац. аномалий с гл. топографич. особенностями Земли — океанами и континентами — позволило сделать вывод, что континентальные области изостатически скомпенсированы (см. Изостазия). Небольшие локальные или региональные отклонения гравитационного поля Земли обусловлены локальными нарушениями изостазии. Гравиметрия изучает также приливы в теле Земли (земные приливы) и явления, связанные с прецессией и нутацией земной оси. Приливные колебания земной поверхности позволяют проводить зондирование недр планеты на сверхдлинных периодах от 1/2 сут до 14 мес, что существенно для изучения неупругих свойств земных недр. Совр. абс. гравиметры высокой чувствительности позволили впервые зарегистрировать временные изменения гравитационного поля, которые обусловлены неравномерностью вращения Земли. Гравиметрия тесно связана с топографией и геодезией.

Использование ИСЗ радикально изменило облик классич. гравиметрии. С одной стороны, траекторные измерения позволили с высокой точностью определить гравитац. потенциал Земли, с другой — спутниковая альтиметрия установила с ещё большей детальностью форму уровня океанов и т. о. поверхность геоида на океанах. К гравиметрии примыкает науч. направление — изучение совр. движений земной коры и их связи с подготовкой землетрясений. Методы гравиметрии широко используются в разведочной Г. (см. Гравиметрическая разведка).

В результате космич. исследований получены количеств. данные (разной степени детальности) о гравитац. поле Луны, Марса, Венеры, Меркурия, Юпитера и Сатурна.

Геомагнетизм изучает Геомагнитное поле и его пространственно-временные вариации. Вековые вариации отражают сложную картину гидромагнитных течений и колебаний в ядре Земли, где расположены источники собственно геомагнитного поля. Вариации могут также возникать как результат электромагнитного взаимодействия на границе ядро — мантия. Источники суточных и более коротких вариаций геомагнитного поля находятся в атмосфере и магнитосфере. Эти вариации индуцируют теллурич. токи в верх. слоях Земли. Создание законченной теории геомагнитного поля — одна из важнейших нерешённых задач Г.

Крупным разделом геомагнетизма является наука о магнитных свойствах г. п., изучение к-рых археомагнитными и палеомагнитными методами позволяет охарактеризовать геомагнитное поле далёкого прошлого. Явление смены полярности геомагнитного поля с периодами в сотни тысяч и млн. лет положено в основу геомагнитной хронологич. шкалы, к-рая широко используется для установления перемещений земной коры океанов и дрейфа материков в историч. и геол. время. Открытие зап. дрейфа недипольной части изолиний магнитного поля со скоростью примерно 0,2° в год по долготе позволило оценить скорости долготных течений в ядре. Данные геомагнитных исследований применяются для решения задач тектоники, поисков и разведки м-ний п. и. (см. Магнитная разведка) и др. По астрономич. наблюдениям магнитное поле было обнаружено у Юпитера; с помощью космич. аппаратов были открыты магнитные поля Меркурия, Марса, Сатурна, а также обнаружены следы намагниченности лунных пород, что, по-видимому, свидетельствует о существовании в первые 1,5 млрд. лет собств. магнитного поля Луны.

Геотермия (геотермика) изучает тепловое состояние, распределение темп-ры и её источников в недрах и тепловую историю Земли. Вопрос о распределении темп-р тесно связан с распределением источников тепла в глубинах Земли, что имеет фундаментальное значение для любых гипотез о строении и эволюции планеты. Темп-ра вместе с давлением и значением касательных напряжений определяет состояние вещества и характер процессов в недрах Земли. В отличие от давления, характер распределения темп-ры с глубиной отличается большей неопределённостью. Экспериментальная геотермия основана на измерении нарастания темп-ры с глубиной (геотермич. градиента) и теплового потока из земных недр. Построены детальные карты теплового потока на поверхности Земли и проведён гармонич. анализ этих данных. Наличие корреляции величины теплового потока с разл. тектонич. структурами (рифтами срединно-океанич. хребтов, щитами и платформами континентов и т.д.) и их возрастом привело к созданию структурной геотермии, результаты к-рой используются в теоретич. геотектонике. Совр. геотермия тесно связана с геодинамикой, т.к. мантия Земли находится в конвективном состоянии и конвективный теплоперенос на порядок более эффективен, чем кондуктивный. Исследование теплового потока Земли показало примерное равенство ср. теплового потока для континентов и океанов (несмотря на бульшую концентрацию радиоактивных источников в более мощной континентальной коре); однако нек-рые исследователи считают, что значения теплового потока в океанах неск. выше, чем на континентах. Эта проблема является одной из осн. задач в совр. геотермии, решение к-рой намечается в совр. геодинамич. моделях. Тепловые аномалии используют при разведке м-ний п. и. (см. Геотермические поиски месторождений), а также при оценке геотермальных ресурсов. Оценка теплового потока Луны показала, что его значения в 3-4 раза меньше, чем ср. значения теплового потока Земли.

Геоэлектрика изучает электрические свойства, гл. обр. электропроводность оболочек Земли. Она состоит из глубинной геоэлектрики, исследующей электропроводность земной коры и мантии с целью определения термодинамич. и фазового состояния недр Земли, и прикладной геоэлектрики, или Электрической разведки. Задачи геоэлектрики решаются посредством изучения естеств. и искусств. электромагнитных полей. По результатам глобальных и региональных исследований методами глубинной геоэлектрики построена геоэлектрич. модель Земли и обнаружены проводящие зоны, связанные с гидротермальными явлениями в земной коре и процессами частичного плавления в астеносфере. Электроразведка применяется при поисках нефтегазовых, рудных и др. м-ний, а также при гидрогеол. и инж.-геол. изысканиях. См. также Магнитотеллурические методы разведки.

Геодинамика изучает методами механики сплошных сред и неравновесной термодинамики свойства и процессы, протекающие в "твёрдой" Земле, а также связи тектонич., магматич. и метаморфич. процессов с глубинными (гл. обр. тепло- и массоперенос в коре и мантии). При этом исследуются явления и процессы разл. пространственных и временных масштабов — от глобальных (фигура Земли, собств. колебания Земли, дрейф континентов) до локальных процессов в очагах землетрясений, слоях г. п., шахтах, скважинах и т.п. Осн. задача совр. глобальной геодинамики — исходя из законов физики и химии, дать описание тектонич. процессов на континентах и океанах, а также построить термомеханич. модели глубинных процессов, определяющих глобальные тектонические явления в земной коре и литосфере с учётом реальных физ. свойств вещества Земли.

Для разработки термомеханич. аспектов геол.-геофиз. концепций и проверки механич. обоснованности существующих геотектонич. гипотез строятся всё более совершенные геодинамич. модели: спрединга, деформирования литосферы в разл. регионах, образования и жизни систем разломов, областей перехода от океана к континенту и т.д. (См. также ст. Геодинамика.)

Исследования минералов и г. п. при высоких давлениях и темп-рах являются важной отраслью Г. Непосредств. проникновение в недра Земли затруднено, поэтому условия, в к-рых находятся породы в недрах Земли, моделируют в лабораториях. Динамич. методы, использующие для сжатия мощные ударные волны, позволяют восстановить диапазон давлений и темп-р в недрах. При динамич. сжатиях эксперимент длится доли мкс, за к-рые выполняют необходимые измерения.

В статич. установках были изучены фазовые превращения осн. породообразующих минералов мантии (оливинов, пироксенов, гранатов) и получены соответствующие фазовые диаграммы до давлений -3·* 10 МПа и темп-рах -1600°С. Эти результаты были использованы для физ. интерпретации природы переходной зоны мантии. В лабораторных установках были выполнены обширные исследования базальтов в связи с решением проблемы их образования и взаимодействия при движении от источника магмы к поверхности Земли. Изучены реологич. параметры минералов и г. п. при t до 1600°С и давлениях в неск. сотен МПа. Полученные данные используются для оценки параметров неустановившейся и установившейся ползучести минералов и г. п. в коре и верх. мантии. В лабораториях также проводятся систематич. исследования электропроводности, теплопроводности, магнитных свойств, скоростей упругих волн, неупругости, пластичности и разрушения минералов и г. п. Созданы спец. прессы с программным управлением для детального изучения стадий предразрушения, разрушения и послеразрушения в связи с задачами физики очагов землетрясений и проблемой прогноза землетрясений.

Вычислительная геофизика. В основе всей Г. лежат накопление и анализ большого кол-ва наблюдений, полученных в разл. точках земного шара (в т.ч. с помощью ИСЗ). Массовый сбор информации невозможен без автоматизации геофиз. исследований. Для хранения этой информации, её редукции и представления в удобном для науч. целей виде созданы банки геофиз. данных, использование к-рых было бы невозможно без широкого применения ЭВМ и разработки стандартных и специализир. вычислит. методов. Это привело к возникновению нового направления, получившего название вычислит. Г., к-рая разрабатывает методы и алгоритмы для решения некорректных и обратных задач, позволяет удобно комплексировать разнородные геофиз. данные; методы комплексного анализа геофиз., геол. и геоморфологич. данных в задачах сейсмич. районирования, прогноза землетрясений, поиска п. и., расшифровки космич. снимков. Методы вычислит. Г. используются для изучения степени корреляции геофиз. полей и строения земной коры. Вычислит. Г. тесно связана с теоретич. Г., особенно при разработке громоздких трёхмерных глобальных и региональных моделей. Она также занимается численным моделированием разл. геофиз. явлений и процессов.

Краткий исторический очерк. История Г. сложна из-за неравномерности развития её крупных разделов и ещё недостаточно разработана. Т. к. освоение планеты невозможно без элементарных геофиз. наблюдений — измерения расстояний, определения направлений на морях и океанах, описания и систематизации стихийных бедствий и т.д., то естественно, что элементы наблюдат. Г. известны с глубокой древности, а суждения о разл. геофиз. явлениях встречаются у мн. античных учёных. Предпосылки для создания Г. как науки заложены в 17-19 вв., когда были открыты основные законы макроскопич. физики и осознана необходимость перехода к глобальным наблюдениям и созданию геофиз. обсерваторий для накопления б.ч. наблюдений. Как комплексная самостоят. наука Г. определилась к сер. 19 в., когда были накоплены достаточно обширные материалы геофиз. наблюдений, позволившие приступить к их обобщению и физ. истолкованию. На основании полученных результатов началось систематич. изучение строения и физ. свойств твёрдой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Чисто условно завершение первого этапа формирования Г. как комплексной многоотраслевой науки можно отнести к 1-му Междунар. геофиз. году (1882-1883), проведённому по инициативе австр. учёного К. Вайпрехта (сам год получил назв. Междунар. полярного года, МПГ). В проведении МПГ приняли участие Россия, Дания, Германия, Франция, Нидерланды, Норвегия, Австро-Венгрия, Швеция, Италия и др. страны, к-рые организовали ряд экспедиций в полярные широты. Председателем Полярной комиссии (руководившей всей работой МПГ) был избран директор Гл. геофиз. обсерватории в Петербурге акад. Г. И. Вильд.

В начале 20 в. Г. утратила центр. положение в естествознании. Качественно новый этап развития Г. начался в кон. 30-х — нач. 40-х гг., когда были построены первые реальные сейсмич. модели Земли. С 60-х гг. благодаря использованию ЭВМ, автоматизации наблюдений и их обработки неизмеримо вырос объём собираемой и перерабат. информации. Использование достижений и методов физики твёрдого тела и физики высоких давлений позволило перейти от проблемы внутр. строения Земли к физике земных недр. Космич. исследования неизмеримо расширили возможности Г. Возникла новая наука — сравнит. планетоведение, в к-рой геофиз. методы играют определяющую роль. Значение Г. резко возросло в связи с тем, что стоящие перед ней проблемы — изучение и оценка природных ресурсов, охрана окружающей среды, прогноз погоды и стихийных бедствий, исследование Мирового ок., космич. исследования, контроль за ядерными испытаниями — принадлежат к числу осн. глобальных проблем. В связи с этим Г. снова выдвинулась на одно из центральных мест в современном естествознании.

Организация геофизических исследований. Сотрудничество в области наук о Земле осуществляется рядом междунар. науч. союзов. Междунар. геодезич. и геофиз. союз (МГГС) объединяет деятельность междунар. ассоциаций (геодезии, сейсмологии и физики недр Земли, вулканологии и химии недр Земли и др.) и входит в Междунар. совет науч. союзов ЮНЕСКО. В рамках МГГС осуществляются междунар. мероприятия и программы изучения Земли, Междунар. геофиз. год, Междунар. год геофиз. сотрудничества, проекты "Верх. мантия Земли", "Литосфера". Решения МГГС реализуются к-тами стран — членов союза. Существуют межсоюзные комиссии, напр. по геодинамике, по проекту литосферы и др. Организацию ежегодных конференций для геофизиков Европы и др. мероприятия проводят Европ. геофиз. об-во, Европ. сейсмологич. комиссия и др. Многостороннее сотрудничество социалистич. стран осуществляется в рамках Комиссии академий наук социалистич. стран по планетарной Г., комиссиями по разл. геофиз. проектам.

В СССР организацию геофиз. исследований ведут науч. советы и комиссии при Президиуме АН СССР и при Гос. к-те по науке и технике: Междуведомств. геофиз. к-т (секции: геодезии, сейсмологии и физики недр Земли, метеорологии и физики атмосферы, геомагнетизма и аэрономии, океанографии, гидрологии, вулканологии); Междуведомств. совет по сейсмологии и сейсмостойкому стр-ву при Президиуме АН СССР; Комиссия по прогнозу землетрясений; науч. советы по геотермич. исследованиям, геофиз. методам разведки, комплексным исследованиям земной коры и верх. мантии, геомагнетизму, нар.-хоз. использованию взрывов, по механике г. п. и горн. давлению; Сов. к-т по междунар. программе геол. корреляции; Объединённый совет наук о Земле и др. Геофиз. исследования ведутся в многочисл. науч. геофиз. и комплексных ин-тах.

Осн. периодич. издания по разл. отраслям Г. издаются в осн. АН СССР: "Геология и геофизика" (с 1960), "Океанология" (с 1961), "Геомагнетизм и аэрономия" (с 1961), "Известия АН СССР. Физика Земли" (с 1965), "Геотектоника" (с 1965), "Известия АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана" (с 1965), "Вулканология и сейсмология" (с 1979), "Геофизический журнал" (К., с 1979), "Исследования Земли из космоса" (с 1980), "Известия Академий наук" союзных республик и др.

Литература: Джеффрис Г., Земля, ее происхождение, история и строение, пер. с англ., М., 1960; Гутенберг Б., Физика земных недр, пер. с англ., М., 1963; Яновский Б. М., Земной магнетизм, ч. 1-2, Л., 1963-64; Магницкий В. A., Внутреннее строение и физика Земли, М., 1965; Развитие наук о Земле в СССР, М., 1967; Любимова Е. A., Термика Земли и Луны, М., 1968; Сафронов В. С., Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет, М., 1969; Стейси Ф. Д., Физика Земли, пер. с англ., М., 1972; Природа твердой Земли, (пер. с англ.), М., 1975; Ботт M., Внутреннее строение Земли, пер. с англ., М., 1974; Шимбирев Б. П., Теория фигуры Земли, М., 1975; Белоусов В. В., Основы геотектоники, М., 1975; Монин А. С., История Земли, Л., 1977; Жарков В. Н., Внутреннее строение Земли и планет, М., 1978; Тектоносфера Земли, под ред. В. В. Белоусова, М., 1978; Буллен К. Е., Плотность Земли, пер. с англ., М., 1978; Геофизика океана, т. 1, М., 1979; Артюшков Е. В., Геодинамика, М., 1979; Жарков В. Н., Трубицын В. П., Физика планетных недр, М., 1980.

В. Н. Жарков, А. Б. Ефимов.