Что такое геофизика и что она изучает
Геофизика – наука и профессия будущего
Планета Земля – это сложная геологическая система, в которой постоянно происходят физические процессы. Ее структуру, организацию и изменения изучает наука – геофизика (от geo. – земля). Главная задача этой отрасли – изучить образование полезных ископаемых, магнитного, сейсмологического и электрического влияния на планету.
Что изучает геофизика
Геофизика – это сборное понятие. В нее входит очень много отдельных наук, изучающих разные физические процессы, которые происходят с нашей планетой.
Каждая из этих отраслей очень важна для понимания процессов, которые влияют на Землю. Сейчас главная задача этой науки – геофизическая разведка. Благодаря ей ученые могут определить предположительные места залегания полезных ископаемых, размер месторождений. Они изучают, насколько целесообразна разработка карьеров, разрезов, шахт и бассейнов.
Кратко об истории развития науки
Человек всегда интересовался, каким образом на планете происходят определенные процессы. Смена дня и ночи, свечение солнца и луны, приливы и отливы, молнии, землетрясения и ураганы – все это требовало объяснения, но понять их природу не удавалось. Поэтому возникали мистические и теологические объяснения всех этих геофизических явлений. Это уже можно назвать первым проявлением геофизики, ведь именно тогда началось изучение природы Земли.
Такой, как она существует сейчас, становление науки началось только в 17 – 18 году, когда появились первые физические законы. За это время накопилось достаточно информации, чтобы точно интерпретировать некоторые явления, выдвигать предположения возникновения естественных явлений. Например, в 1640 году для поиска полезных ископаемых, которые имели в составе магнитный железняк использовался компас – подергивания стрелки указывало на залегание магниточувствительных металлов близко к поверхности.
Профессия геофизик появилась уже в XIX веке. Изначально началось поверхностное исследование – была составлена сейсмическая карта планеты. Она была разделена на тектонические плиты. Благодаря этому человечество поняло природу землетрясений, научилось определять потенциально опасные территории. В 40 годах ХХ века наука продвинулась дальше, началось изучение внутренних физических процессов.
Ввиду постоянного продвижения, ученым удалось огромное количество явлений, которые влияют на структуру Земли, ее нормальное состояние. Изучения в геофизике постоянно комбинировались с другими науками – математика, астрономия, химия.
Сейчас она достигла пика развития, возможно, это еще не предел. Еще существует много явлений, которые ученым не удалось объяснить. Но учитывая колоссальное количество информации, которая была собрана за весь период существования отрасли, новые открытия не за горами.
Особенности профессии
Сейчас эта профессия набирает популярность, ведь изучение процессов, которые происходят внутри и снаружи планеты очень интересны. Геофизика для детей будет сложной, поэтому ее изучение можно начать в ВУЗе. Чтобы хорошо разбираться в этой теме, изначально, на школьной стадии, стоит уделить внимание нескольким дисциплинам:
Перед тем, как стать геофизиком, нужно определить направление деятельности. Главная задача специалистов – проведение геологической разведки, но это может быть инженер, нефтяник, сейсмолог, геодезиолог, геолог физик. При изучении науки будет важно уделить внимание измерительным прибором, ведь они являются глазами настоящего геофизика. Благодаря расчетам показателей, специалисты безошибочно определяют расположение залежей руд, неметаллических полезных ископаемых, горючих жидкостей и газов.
Описывая профессию геофизика невозможно полностью раскрыть всю ее значимость, ведь количество составных отраслей колоссально. Регистрация сейсмологической активности помогает предотвращать неожиданные катастрофы, предупреждать людей о потенциальной опасности. Удивительно, но даже для сооружения зданий, мостов, прокладки транспортных тоннелей и плотин, используются знания геофизика. Благодаря этому постройки безопасны для жизни людей, устойчивы и могут выдержать тектоническую активность потенциально опасных мест.
Характеристику профессии геофизика провести достаточно сложно. После начала работы, большинство специалистов работают с измерительными приборами. В разведках принимают участие уже профессионалы, новички могут выступать в роли ассистентов. Они находят примеры изменения физической активности на планете, признаки ее влияния на поверхность.
Образцы геофизики собирают для изучения состава горных пород, наличия в них химических примесей. Также они интерпретируют собираемую информацию, например, каким образом формировались кимберлитовые трубки в Якутии, и почему именно на этой территории было найдено крупнейшее месторождение алмазов.
Эта наука играет роль даже в космологии, а именно – сравнительном планетоведение. Ее методы используются для поиска новых земельных ресурсов, интерпретации процессов, которые происходят с космическими телами, просматривая их через призму нашей планеты. Это делает геофизику прогрессивной наукой, которая не исчерпает своего потенциала еще долгое время.
Будни профессионалов – чем сейчас занимаются геофизики на рабочем месте
Рабочее место специалиста в этой отрасли может быть расположено как в институте геофизики, так и непосредственно на месте изучения. Большинство сотрудников отправляются на скважины, где проводится геофизическая разведка и обработка уже полученной информации. Путем расчетов, использования измерительных приборов и вычислительных программ, геолог геофизик составляет планы месторождений, оценивает рентабельность их разработки.
Конечно, задач у профессионалов очень много, но основная – определение конструкции скважины. От точно проведенных расчетов зависит не только правильная разработка материалов, но и жизни шахтеров. Неправильное расположение, ошибки с оценкой подводных вод, плотностью камня, содержания примесей газов и пыли в воздухе могут быть фатальными.
Где можно получить специальность
Сейчас эта профессия стала очень востребованной. Во-первых, специалистов в этой сфере, ввиду обширного количество разделов, немного. Поэтому ВУЗы всегда открыты для абитуриентов, которые хотят изучить специальность геофизика.
Учебные учреждения, где можно получить профессию любого типа с геофизическим уклоном:
Если нет возможности поступить в высшее учебное заведение, а профессия геофизик не оставляет мечты, можно получить специальность и в техникуме. Но работники, которые выпускаются там, могут работать только под началом специалистов и магистрантов.
Эта профессия считается одной из самых перспективных и высокооплачиваемой в Российской Федерации. Средняя заработная плата специалиста с высшим образованием составляет 70 000 рублей, а в Москве геофизик получает 80 000- 100 000 рублей.
Интересные направления геофизики
С развитием этой науки, она начала охватывать все больше информационных пластов. Некоторые направления даже сложно отнести к подобным отраслям. Например, еще несколько десятилетий назад большинство работ велись только на суше. Но сейчас моря и океаны также заинтересовали ученых. Огромное влияние на это оказало развитие измерительной техники.
Теперь стало возможным опуститься на многие километры в недра планеты как на суше, так и под водой. Изучение этих разных геологических отделов позволяет провести сравнение тектонических плит, влияние на них давления жидкости. К тому же в океанах толщина тектонических плит намного меньше, благодаря чему изучение их особенности упрощается.
Развитие ядерной геофизики – одно из самых новых и интересных ответвлений этой науки. Она изучает воздействие на Землю и природу радиоактивного, квантового, гамма-излучения, взаимодействие заряженных частиц. Также нужно делать разработку приборов, которые будут с легкостью определять толщину и плотность пластов, вероятность залегания полезных ископаемых и их количество. Благодаря работе ученых этой отрасли удастся открыть новые, ранее неизвестные месторождения руд, упростить современные методы геофизической разведки.
Предметом изучения геофизики является и глобальное потепление. Путем исследования территорий вечной мерзлоты, ученые фиксируют изменения, от которых зависит поведение слоя криосферы земли.
Заключение
Геофизика – наука, изучающая особенности развития планеты, воздействие на нее внутренних и внешних факторов. Сегодня ученые в этой области очень востребованы, ведь она стремительно развивается, требуя влияния новых умов. В России большое количество учебных заведений открыты для приема абитуриентов, которые хотят посвятить себя геофизике.
Геофизика
Геофизика — это наука о наиболее общих законах природы планеты Солнечной системы. Можно условно выделить три области единой науки о планете: физика Земли и океанов, физика атмосферы и физика околоземного космического пространства. Именно последнюю и представляю, о ней пойдет в основном речь, хотя в природе все взаимосвязано. В тех местах, где это необходимо, мы будем говорить о ядре Земли и о процессах в глубинах Солнца. Эта взаимосвязь всех процессов подчеркнута в другом названии нашей науки — солнечно-земная физика.
Трудно сказать, когда она родилась. Уже при свете первобытных костров люди делились сведениями и наблюдениями о погоде, о прозрачности атмосферы и сиянии серебристых облаков, о буйствах и волшебных красках сполохов небесного огня — полярных сияниях. Человек всегда старался отмечать тех, кто ставил надежные вехи на сложном и трудном пути познания. Так было и в нашей науке. М. В. Ломоносов одним из первых высказал мысль об электрической природе полярных сияний. Бальфур Стюарт первым высказал гипотезу о том, что магнетизм определяется электрическим током, текущим на высотах около 100 км и выше. Но основные знания принес XX век.
Геофизикой называют научное направление, исследующее строение, происхождение, историю, особенности Земли физическими методами.
История
История геофизики весьма сложна ввиду неравномерного развития ее разделов. Первыми появились элементы наблюдательной геофизики (в античные времена). К тем же временам относятся первые описания геофизических процессов.
Предпосылки формирования геофизики в качестве единой науки закладывались в XVII – XIX вв. и были обусловлены открытием основных законов макроскопической физики, созданием геофизических обсерваторий, проявлением необходимости перехода к глобальным исследованиям. Геофизика в виде самостоятельной комплексной науки появилась к середине XIX в. в результате обобщения и интерпретации накопленных материалов геофизических наблюдений. После этого стали систематически исследовать строения и физических параметров литосферы, атмосферы и гидросферы. Формирование геофизики завершилось в международный геофизический год (1882).
В начале XX в. данная наука потеряла ведущее значение в естествознании. Существенно способствовало ее развитию появление в 30 — 40 гг. сейсмических моделей Земли. Благодаря внедрению автоматизации наблюдений и ЭВМ увеличился объем получаемой и обрабатываемой информации. Применение методов физики твердого тела и высоких давлений обеспечило возможность перехода от изучения строения планеты к исследованию физических параметров недр. Существенно повлияли на геофизику космические исследования. К тому же они способствовали возникновению сравнительного планетоведения, основанного преимущественно на геофизических методах. В связи с решением современных глобальных задач, таких как охрана природы, поиск и оценка ресурсов, в том числе стихийных бедствий, изучение космического пространства и мирового океана, прогноз природных и природно-техногенных процессов, геофизика вновь заняла одно из ведущих положений в естествознании
Современная наука
Геофизика в широком понимании исследует физические параметры как внутренних оболочек планеты (земной коры, мантии и ядра), так и вод (подземных и поверхностных) и атмосферы.
По направленности геофизику подразделяют на фундаментальную и прикладную. Первая включает солнечно-земную физику, гидрофизику, физику атмосферы, физику твердой земли. Ко второй относят разведочную, промысловую и вычислительную.Солнечно-земная физика занимается исследованием физических процессов в межпланетной и околоземной средах.
В сферу изучения физики атмосферы входят процессы в ней, распределение давления и температуры, физические параметры ее газовых компонентов, химические реакции, поглощение и излучение радиации, конденсация и испарение, формы движения, формирование облаков, выпадение осадков. Данный раздел дифференцирован на метеорологию и аэрономию (изучают нижние и верхние слои соответственно). К физике атмосферы близки такие науки, как атмосферная оптика и актинометрия, исследующие оптические эффекты. Кроме того, существуют науки о атмосферном электричестве, турбулентности, акустике, выделяемые в обособленные отрасли.
Гидрогеофизика занимается изучением строения гидросферы и физических процессов в ней. Рассматриваемая наука подразделена на гидрологию суши и физику моря (океана). В сферу изучения первого раздела входят поверхностные воды. Второй раздел исследует физические процессы в океанах и морях, магнитные и электрические поля, распространение магнитогидродинамических эффектов, электромагнитных возмущений, взаимодействие с атмосферой. Он включает гидродинамику, акустику, оптику, термодинамику, ядерную гидрофизику.
Физика Земли представлена комплексом наук, изучающим строение, развитие, параметры, состав твердых сфер планеты, процессы в недрах. По предмету изучения данный раздел дифференцирован на сейсмологию, гравиметрию, геомагнетизм, геотермию, геоэлектрику, геодинамику, петрологию, минералогию, тектонофизику и прочие геофизические науки на стыке геологии, математики, химии и др.
Сейсмология является наиболее обширным разделом физики Земли. Она измеряет и анализирует движения в земной коре. Одной из основных сфер изучения сейсмологии являются сейсмические волны от природных и техногенных источников. Путем исследования их распространения и определения периодов колебаний планеты была построена ее сейсмическая модель. Первоочередной задачей сейсмологии является изучение землетрясений. К более узким задачам относятся изучение сейсмических шумов от техногенных объектов, связанных с волнением и шторами микросейм, цунами. Методы сейсмологии применяются в разведочной геофизике, в изучении других планет. Статья о сейсмологии.
Гравиметрия исследует гравитационное поле планеты, пространственное распространение его, земные приливы, гравитационные аномалии, обучловленные нутацией и прецессией земной оси процессы, определяет фигуру планеты. Наиболее близка данная наука к геодезии и топографии. К гравиметрии близко исследование современных движений земной коры и их связи с землетрясениями. Гравиметрические методы обширно применяются в разведочной геофизике.
Геомагнетизм занимается изучением геомагнитного поля и временных и пространственных его изменений, созданием теории магнитного поля. Один из его разделов изучает магнитные свойства горных пород архео- и палеомагнитными методами. Эти данные применяются в тектонике, поисках и разведке месторождений.
Геотермия исследует распределение температуры, ее источники в недрах, термическое состояние и термическую историю планеты. Экспериментальный раздел основан на определении теплового потока из недр и роста температуры с глубиной. Структурная геотермия выясняет связи величины теплового потока с тектоническими структурами. Ее результаты применяются в геотектонике. Другие задачи данной науки состоят в выявлении и исследовании тепловых аномалий и соотношения теплового потока континентов и океанов. Геотермия наиболее близко связана с геодинамикой.
Геоэлектрика исследует электрические параметры планеты, прежде всего электропроводность ее оболочек и электромагнитные поля естественного и искусственного происхождения. Включает глубинную (определяет фазовое и термодинамическое состояние недр путем изучения электропроводности мантии и земной коры) и прикладную (электрическая разведка) геоэлектрику.
Геодинамика изучает процессы в недрах Земли и их взаимосвязи. Основные задачи состоят в описании тектонических процессов и создании термомеханических моделей определяющих их глубинных процессов.
Вычислительная геофизика. Занимается накоплением и анализом геофизических наблюдений, разработкой методов решения обратных и некорректных задач, комплексирования геофизических данных, комплексного анализа геофизических, геоморфологических, геологических данных в целях поиска полезных ископаемых, сейсмического районирования, расшифровки космических снимков, прогноза землетрясений, изучения корреляции геофизических полей и строения земной коры, численным моделированием геофизических процессов. Связана с теоретической геофизикой, особенно в моделировании.
Разведочная геофизика исследует строение литосферы в доступной для практической деятельности зоне и занимается разведочно-поисковыми, инженерно-геологическими и гидрогеологическими работами.
В целом геофизика наиболее близко связана с геологическими дисциплинами, физико-математическими и техническими науками, астрономией, физической географией и др.
Предмет, задачи, методы
Предмет геофизики представлен планетой в целом и ее оболочками.
Задачи данной науки состоят в выяснении строения оболочек Земли, изучении их физических параметров и физических процессов в них, параметров физических полей и их временных и пространственных неоднородностей, выяснении на основе этих данных истории развития Земли и прогнозировании различных процессов.
В геофизике используется более ста физических методов изучения. Их классифицируют по месту проведения (наземные, аэрокосмические, морские, подземные), по изучаемым физическим полям и параметрам (сейсмические, магнитные, гравиметрические, термические, ядерно-физические и др.), по способу передачи информации (непосредственного измерения, дистанционные), по типу объектов исследования (геосфер и геофизических полей, процессов и величин). К тому же ввиду недоступности для непосредственного изучения многих объектов вследствие их нахождения в недрах в геофизике обширно применяется моделирование.
Профессия геофизик
Геофизике обучают в рамках как среднего специального, так и высшего образования. Достоинство данной специальности состоит в том, что она включает множество наук и поэтому дает несколько профессий, как и многие геологические специальности.
Геофизики востребованы в научной и образовательной сферах. Так, они работают в научно-исследовательских институтах, образовательных учреждениях, проектных организациях, разведочных и добывающих компаниях.
Заключение
Геофизика представлена комплексной наукой на стыке физико-математических дисциплин и наук о Земле, изучающей строение и развитие планеты, процессы в ее оболочках. Ввиду этого она занимает одно из ведущих положений в естествознании. К тому же геофизика имеет существенное прикладное значение благодаря участию в решении многих глобальных и практических задач.
Геофизика
Комплекс наук, изучающих физические свойства Земли в целом и физические процессы, происходящие в её твёрдых сферах, а также в жидкой (гидросфера) и газовой (атмосфера) оболочках. Различные геофизические науки развивались на протяжении 4 последних столетий (особенно в 19-м и 20-м) неравномерно и в некоторой изоляции одна от другой; их частные методы разнообразны, что определяется своеобразием физических характеристик и процессов в каждой из трёх указанных оболочек Земли. Отдельные геофизические дисциплины, по крайней мере некоторыми своими сторонами, смыкаются с областями геологии и географии. Понятие Г. как науки, объединяющей большую совокупность наук в определённую систему, оформилось лишь в 40—60-х гг. 20 в.
Имеются общие признаки геофизических наук. Всем им свойственна преобладающая роль наблюдения за ходом природных процессов (по сравнению с лабораторным экспериментом) для получения исходной фактической информации, а также количественная интерпретация фактов на основе общих физических законов.
В разделении геофизических дисциплин нет твёрдо установившейся терминологии. Так, наравне с традиционным термином «метеорология» для науки об атмосфере применяется ещё термин «физика атмосферы», но нередко в более ограниченном значении. В последнем случае рамки, выделяющие физику атмосферы из метеорологии, намечаются разными авторами по-разному. То же относится к соотношению между океанологией и физикой моря и пр. Большая и давно обособившаяся отрасль метеорологии — климатология, учение о климатах земного шара — чаще относится к географическим наукам. Ряд геофизических дисциплин или их разделов имеет прикладной характер.
Наиболее разработанная классификация геофизических наук положена в основу рубрикации реферативного журнала «Геофизика», согласно которой в состав Г. входят: геомагнетизм (учение о земном магнитном поле); аэрономия (учение о высших слоях атмосферы); метеорология (наука об атмосфере) с подразделением на физическую метеорологию (физику атмосферы), динамическую метеорологию (приложение гидромеханики к атмосферным процессам), синоптическую метеорологию (учение о крупномасштабных атмосферных процессах, создающих погоду, и об их прогнозе), климатологию; океанология (учение о Мировом океане, включая и физику моря); гидрология суши (учение о реках, озёрах и других водоёмах суши); гляциология (учение о всех формах льда в природе); физика недр Земли; сейсмология (учение о землетрясениях и иных колебаниях земной коры); гравиметрия (учение о поле силы тяжести); учение о земных приливах; учение о современных движениях земной коры. Указанные науки, в свою очередь, разделяются на отдельные частные дисциплины. Некоторые из них, например климатологию и гляциологию, большей частью относят к географическим наукам. Кроме того, различаются такие прикладные геофизические науки, как разведочная и промысловая геофизика (см. Геофизические методы разведки).
Современное развитие геофизических наук стимулируется возрастающими потребностями в прогнозе состояния окружающей человека среды, в особенности погоды и гидрологического режима (См. Гидрологический режим), в освоении природных богатств и в регулировании природных процессов. В определённой мере оно связано и с космическими исследованиями, поскольку космические корабли пролетают земную атмосферу при старте и возвращении на Землю, а искусственные спутники Земли вращаются в верхних слоях атмосферы. С технической стороны это развитие обеспечивается быстро возрастающим числом глобальных наблюдений с использованием новейших методов электроники и автоматики, машинной обработкой огромного количества результатов наблюдений и всё более широким применением математического анализа в теоретических построениях.
Геофизика
ГЕОФИЗИКА (от греч. ge — Земля и physike — основы естествознания * а. geophysics; н. Geophysik; ф. geophysique; и. geofisica) — комплекс наук, исследующих физическими методами происхождение, эволюцию, строение, свойства и процессы (природные и техногенные) в Земле и её оболочках (атмосфере, гидросфере, литосфере и т.д.).
Геофизика основана на изучении природы, структуры, пространственной неоднородности, временной изменчивости геофизических 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, космического излучения и т.п., а также воздействием биосферы и техногенной деятельности.
Геофизика связана с геологическими науками (особенно тектоникой, вулканологией, петрофизикой, а также геохимией), астрономией, математикой, физикой и многими техническими науками, физической географией и др.
Крупные разделы геофизики — солнечно-земная физика, физика атмосферы, гидрофизика и физика «твёрдой» Земли, разведочная геофизика, промысловая геофизика и вычислительная геофизика.
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 космических лучей. Наиболее сильные возмущения ионосферы и магнитосферы связаны с солнечными вспышками, которые 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 энергетический баланс тропосферы, что приводит к вариациям метеорологических факторов и т.п.
Реклама
Физика атмосферы изучает процессы и явления в атмосфере, свойства газовых составляющих, поглощение и излучение ими радиации, химические реакции, распределение температуры и давления, испарение и конденсацию водяного пара, образование облаков и выпадение осадков, разнообразные формы движения в атмосфере. Физика атмосферы разделяется на метеорологию, изучающую нижние слои атмосферы, и аэрономию, исследующую верхние слои. Тепловое излучение и различные оптические эффекты изучаются актинометрией и атмосферной оптикой.
Выделяются в отдельные отрасли науки учения об атмосферном электричестве, акустике и турбулентности.
Гидрофизика изучает строение и физические процессы в гидросфере и тесно связана с географией, геохимией, геологией, гидрогеологией и др. Гидрофизика разделяется на физику моря, гидрологию суши. Физика моря (физика океана) исследует физические процессы в Мировом океане и включает термодинамику, гидродинамику, акустику, оптику, ядерную гидрофизику (изучение радиоактивности вод океана и её изменения), а также занимается исследованием квазистационарных электрических и магнитных полей в океане, распространения в нём низкочастотных электромагнитных возмущений, возникающих благодаря электропроводности морской воды, магнитогидродинамических 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 геофизика 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 самостоятельные крупные разделы: сейсмология, гравиметрия, геомагнетизм, геотермия, геоэлектрика, геодинамика, исследование минералов и горных пород при высоких давлениях и температурах, а также других геофизических наук, 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 сейсмических волнах. Современная сейсмология занимается измерениями и анализом всех видов движений в земной коре, которые регистрируются сейсмографами на суше, а также на дне океанов и морей. В сейсмологии используются волны как от естественных источников (землетрясений), так и от искусственных источников — взрывов и различного типа вибраторов. Исследование характера распространения сейсмических волн, а также измерения периодов собственных колебаний Земли позволили решить основную задачу сейсмологии — построить сейсмическую модель Земли. Глобальная сейсмическая модель даёт распределение скоростей продольных и поперечных волн с глубиной или в зависимости от радиуса с учётом неоднородности Земли и специфики отдельных регионов, позволяет установить распределение плотности, давления, модулей упругости и других физических параметров, разделить недра на специфические зоны. Изучение землетрясений включает выявление их географической 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 сейсмических шумов от промышленных установок и транспорта, микросейсм, связанных со штормами и волнением в океанах, а также цунами и их предсказание. Данные сейсмологии используются в различных геологических концепциях (например, для разработки теории тектоники плит), при решении крупных прикладных задач — прогноза землетрясений, сейсмического микрорайонирования и оценки сейсмического риска, прогноза значительных перемещений, вызываемых землетрясениями и взрывами, обнаружения и распознавания ядерных взрывов, выбора территорий для строительства атомных электростанций. Сейсмические методы широко применяются в разведочной и промысловой геофизике (см. сейсмическая разведка, сейсмический каротаж), а также в исследованиях других объектов Солнечной системы (например, Луны, Марса и Венеры).
Гравиметрия изучает гравитационное поле Земли, его пространственное изменение и определяет фигуру Земли. Гравитационное поле отражает характер распределения масс в недрах планеты и тесно связано с её формой. Выявление гравитационных аномалий, их физическая и геологическая интерпретация являются важными задачами гравиметрии. Оценка гравитационных аномалий широко используется в физике Земли, т.к. их наличие приводит к касательным напряжениям в теле Земли, которые являются причинами течений вещества, а иногда и разрушений. Отсутствие связи гравитационных аномалий с главными топографическими 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 суток до 14 месяцев, что существенно для изучения неупругих свойств земных недр. Современные абсолютные 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 классической гравиметрии. С одной стороны, траекторные измерения позволили с высокой точностью определить гравитационный потенциал Земли, с другой — спутниковая альтиметрия установила с ещё большей детальностью форму уровня океанов и, таким образом, поверхность геоида на океанах. К гравиметрии примыкает научное направление — изучение современных движений земной коры и их связи с подготовкой землетрясений. Методы гравиметрии широко используются в разведочной геофизике (см. гравиметрическая разведка).
В результате космических исследований получены количественные данные (разной степени детальности) о гравитационном 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 теллурические токи в верхних слоях Земли. Создание законченной теории геомагнитного поля — одна из важнейших нерешённых задач геофизики.
Крупным разделом геомагнетизма является наука о магнитных свойствах горных пород, изучение которых 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 хронологической шкалы, которая широко используется для установления перемещений земной коры океанов и дрейфа материков в историческое и геологическое время. Открытие западного 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 месторождений полезных ископаемых (см. магнитная разведка) и др. По астрономическим наблюдениям магнитное поле было обнаружено у Юпитера; с помощью космических 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 собственного магнитного поля Луны.
Геотермия (геотермика) изучает тепловое состояние, распределение температуры и её источников в недрах и тепловую историю Земли. Вопрос о распределении температур тесно связан с распределением источников тепла в глубинах Земли, что имеет фундаментальное значение для любых гипотез о строении и эволюции планеты. Температура вместе с давлением и значением касательных напряжений определяет состояние вещества и характер процессов в недрах Земли. В отличие от давления, характер распределения температуры с глубиной отличается большей неопределённостью. Экспериментальная геотермия основана на измерении нарастания температуры с глубиной (геотермическая градиента) и теплового потока из земных недр. Построены детальные карты теплового потока на поверхности Земли и проведён гармонический анализ этих данных. Наличие корреляции величины теплового потока с различными тектоническими структурами (рифтами срединно-океанического хребтов, щитами и платформами континентов и т.д.) и их возрастом привело к созданию структурной геотермии, результаты которой используются в теоретической геотектонике. Современная 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 среднего теплового потока для континентов и океанов (несмотря на большую концентрацию радиоактивных источников в более мощной континентальной коре); однако некоторые исследователи считают, что значения теплового потока в океанах несколько выше, чем на континентах. Эта проблема является одной из основных задач в современной геотермии, решение которой намечается в современных геодинамических моделях. Тепловые аномалии используют при разведке месторождений полезных ископаемых (см. геотермические поиски месторождений), а также при оценке геотермальных ресурсов. Оценка теплового потока Луны показала, что его значение в 3-4 раза меньше, чем среднее значение теплового потока Земли.
Геоэлектрика изучает электрические свойства, главным образом электропроводность оболочек Земли. Она состоит из глубинной геоэлектрики, исследующей электропроводность земной коры и мантии с целью определения термодинамического и фазового состояния недр Земли, и прикладной геоэлектрики, или электрической разведки. Задачи геоэлектрики решаются посредством изучения естественных и искусственных электромагнитных полей. По результатам глобальных и региональных исследований методами глубинной геоэлектрики построена геоэлектрическая 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 других месторождений, а также при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях. См. также магнитотеллурические методы разведки.
Геодинамика изучает методы механики сплошных сред и неравновесной термодинамики свойства и процессы, протекающие в «твёрдой» Земле, а также связи тектонических, магматических и метаморфических процессов с глубинными (главным образом тепло- и массоперенос в коре и мантии). При этом исследуются явления и процессы различных пространственных и временных масштабов — от глобальных (фигура Земли, собственные колебания Земли, дрейф континентов) до локальных процессов в очагах землетрясений, слоях горных пород, шахтах, скважинах и т.п. Основная задача современной глобальной геодинамики — исходя из законов физики и химии, дать описание тектонических процессов на континентах и океанах, а также построить термомеханические модели глубинных процессов, определяющих глобальные тектонические явления в земной коре и литосфере с учётом реальных физических свойств вещества Земли.
Для разработки термомеханических аспектов геолого-геофизических концепций и проверки механической обоснованности существующих геотектонических гипотез строятся всё более совершенные геодинамические модели: спрединга, деформирования литосферы в различных регионах, образования и жизни систем разломов, областей перехода от океана к континенту и т.д. (См. также ст. геодинамика.)
Исследования минералов и горных пород при высоких давлениях и температурах являются важной отраслью геофизики. Непосредственное проникновение в недра Земли затруднено, поэтому условия, в которых находятся породы в недрах Земли, моделируют в лабораториях. Динамические методы, использующие для сжатия мощной ударной волны, позволяют восстановить диапазон давлений и температур в недрах. При динамических сжатиях эксперимент длится доли мкс, за которые выполняют необходимые измерения.
В статических установках были изучены фазовые превращения основных породообразующих минералов мантии (оливинов, пироксенов, гранатов) и получены соответствующие фазовые диаграммы до давлений
3•10 МПа и температурах
1600°С. Эти результаты были использованы для физической 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 реологические параметры минералов и горных пород при t до
1600°С и давлениях в несколько сотен МПа. Полученные данные используются для оценки параметров неустановившейся и установившейся ползучести минералов и горных пород в коре и верхней мантии. В лабораториях также проводятся систематические исследования электропроводности, теплопроводности, магнитных свойств, скоростей упругих волн, неупругости, пластичности и разрушения минералов и горных пород. Созданы специальные 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 геофизики лежат накопление и анализ большого количества наблюдений, полученных в различных точках земного шара (в т.ч. с помощью ИСЗ). Массовый сбор информации невозможен без автоматизации геофизических исследований. Для хранения этой информации, её редукции и представления в удобном для научных целей виде созданы банки геофизических данных, использование которых было бы невозможно без широкого применения ЭВМ и разработки стандартных и специализированных вычислительных методов. Это привело к возникновению нового направления, получившего название вычислительная геофизика, которая разрабатывает методы и алгоритмы для решения некорректных и обратных задач, позволяет удобно комплексировать разнородные геофизические данные; методы комплексного анализа геофизических, геологических и геоморфологических данных в задачах сейсмического районирования, прогноза землетрясений, поиска полезных ископаемых, расшифровки космических снимков. Методы вычислительной геофизики используются для изучения степени корреляции геофизических полей и строения земной коры. Вычислительная геофизика тесно связана с теоретической геофизикой, особенно при разработке громоздких трёхмерных глобальных и региональных моделей. Она также занимается численным моделированием различных геофизических явлений и процессов.
Краткий исторический очерк. История геофизики сложна из-за неравномерности развития её крупных разделов и ещё недостаточно разработана. Т. к. освоение планеты невозможно без элементарных геофизических наблюдений — измерения расстояний, определения направлений на морях и океанах, описания и систематизации стихийных бедствий и т.д., то естественно, что элементы наблюдательной геофизики известны с глубокой древности, а суждения о различных геофизических явлениях встречаются у многих античных учёных. Предпосылки для создания геофизики как науки заложены в 17-19 вв., когда были открыты основные законы макроскопической физики и осознана необходимость перехода к глобальным наблюдениям и созданию геофизических обсерваторий для накопления большей частью наблюдений. Как комплексная самостоятельная наука геофизика определилась к середине 19 века, когда были накоплены достаточно обширные материалы геофизических наблюдений, позволившие приступить к их обобщению и физическому истолкованию. На основании полученных результатов началось систематическое изучение строения и физических свойств твёрдой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Чисто условно завершение первого этапа формирования геофизики как комплексной многоотраслевой науки можно отнести к 1-му Международному геофизическому году (1882-1883), проведённому по инициативе австрийского учёного К. Вайпрехта (сам год получил название Международного полярного года, МПГ). В проведении МПГ приняли участие Россия, Дания, Германия, Франция, Нидерланды, Норвегия, Австро-Венгрия, Швеция, Италия и другие страны, которые организовали ряд экспедиций в полярные широты. Председателем полярной комиссии (руководившей всей работой МПГ) был избран директор главной геофизической обсерватории в Петербурге академик Г. И. Вильд.
В начале 20 века геофизика утратила центральное положение в естествознании. Качественно новый этап развития геофизики начался в конце 30-х — начале 40-х гг., когда были построены первые реальные сейсмические модели Земли. С 60-х гг. благодаря использованию ЭВМ, автоматизации наблюдений и их обработки неизмеримо вырос объём собираемой и перерабатываемой информации. Использование достижений и методов физики твёрдого тела и физики высоких давлений позволило перейти от проблемы внутреннего строения Земли к физике земных недр. Космические исследования неизмеримо расширили возможности геофизики. Возникла новая наука — сравнительное планетоведение, в которой геофизические методы играют определяющую роль. Значение геофизики 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 океана, космические исследования, контроль за ядерными испытаниями — принадлежат к числу основных глобальных проблем. В связи с этим геофизика снова выдвинулась на одно из центральных мест в современном естествознании.
Организация геофизических исследований. Сотрудничество в области наук о Земле осуществляется рядом международных научных союзов. Международный геодезический и геофизический союз (МГГС) объединяет деятельность международных ассоциаций (геодезии, сейсмологии и физики недр Земли, вулканологии и химии недр Земли и др.) и входит в Международный совет научных союзов ЮНЕСКО. В рамках МГГС осуществляются международные мероприятия и программы изучения Земли, Международный геофизический год, Международный год геофизического сотрудничества, проекты «Верхняя мантия Земли», «Литосфера». Решения МГГС реализуются комитетами стран — членов союза. Существуют межсоюзные комиссии, например, по геодинамике, по проекту литосферы и др. Организацию ежегодных конференций для геофизиков Европы и другие мероприятия проводят Европейское геофизическое общество, Европейская сейсмологическая комиссия и др. Многостороннее сотрудничество социалистических стран осуществляется в рамках Комиссии академий наук социалистических стран по планетарной геофизике, комиссиями по различным геофизическим проектам.
В СССР организацию геофизических исследований ведут научные советы и комиссии при Президиуме Академии Наук СССР и при Государственном комитете по науке и технике: Межведомственный геофизический комитет (секции: геодезии, сейсмологии и физики недр Земли, метеорологии и физики атмосферы, геомагнетизма и аэрономии, океанографии, гидрологии, вулканологии); Межведомственный совет по сейсмологии и сейсмостойкому строительству при Президиуме Академии Наук СССР; Комиссия по прогнозу землетрясений; научные советы по геотермическим исследованиям, геофизическим методам разведки, комплексным исследованиям земной коры и верхней мантии, геомагнетизму, народно-хозяйственному использованию взрывов, по механике горных пород и горному давлению; Советский комитет по международной программе геологической корреляции; Объединённый совет наук о Земле и др. Геофизические исследования ведутся в многочисленных научных геофизических и комплексных институтах.
Основные периодические издания по различным отраслям геофизики издаются в основном Академией Наук СССР: «Геология и геофизика» (с 1960), «Океанология» (с 1961), «Геомагнетизм и аэрономия» (с 1961), «Известия Академии Наук СССР. Физика Земли» (с 1965), «Геотектоника» (с 1965), «Известия Академии Наук СССР. Серия 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.