Скачать презентацию Геофизика комплекс наук изучающих физическими методами происхождение Скачать презентацию Геофизика комплекс наук изучающих физическими методами происхождение

Earth Physic_One.pptx

  • Количество слайдов: 71

Геофизика – комплекс наук, изучающих физическими методами происхождение, эволюцию, строение и свойства Земли и Геофизика – комплекс наук, изучающих физическими методами происхождение, эволюцию, строение и свойства Земли и её оболочек. Наука Объект изучения Физика Земли Твердая часть Земли (без атмо-, гидро- и биосферы) Разведочная геофизика Земная кора и локализованные в ней полезные ископаемые Обе науки используют для своих целей измерения физических полей Земли.

Основные темы: 1. Земля как космическое тело 2. Гравитационное поле и фигура Земли 3. Основные темы: 1. Земля как космическое тело 2. Гравитационное поле и фигура Земли 3. Сейсмичность и внутреннее строение Земли 4. Магнитное поле Земли 5. Радиоактивность, тепловой режим и возраст Земли

Учебни ки • • Номоконова Г. Г. Физика Земли: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, Учебни ки • • Номоконова Г. Г. Физика Земли: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2007, 2012. – 107 с. Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет. – М. : Наука, 1983. – 417 с. Стейси Ф. Физика Земли. – М. : Мир, 1972. – 340 с. Тяпкин К. Ф. Физика Земли. – Киев: Выща школа, 1998. – 312 с. Сетевой электронный учебник MOODLE Номоконова Г. Г. «Физика Земли» , 2011 http: //mdl. lcg. tpu. ru: 82/course/view. php? id=122 Ж ур на лы Журнал «Физика Земли» http: //elibrary. ru/title_about. asp? id =9330 Журнал «Геофизика» http: //eago. ru/catalog/15 Журнал «Геология и геофизика» http: //www. izdatgeo. ru/index. php? action=journal&id=1

1. 1. Масса и эволюция планет 1. 2. Космические периодичности 1. 1. Масса и эволюция планет 1. 2. Космические периодичности

Земля: Масса – 5, 976. 1024 кг Средний радиус – 6, 4. 106 м Земля: Масса – 5, 976. 1024 кг Средний радиус – 6, 4. 106 м Плотность – 5, 518 г/см 3 Средний состав: Fe-32%, O-30%, Si-15%, Mg-14%

Mg 14% 9% Параметры Земли: Fe 32% Si 15% O 30% Масса – 5, Mg 14% 9% Параметры Земли: Fe 32% Si 15% O 30% Масса – 5, 976. 1024 кг Средний радиус – 6, 4. 106 м Плотность – 5, 518 г/см 3 Средний состав: Fe-32%, O-30%, Si-15%, Mg-14%

Mg 14% 9% Земля: Fe 32% Si 15% O 30% Масса – 5, 976. Mg 14% 9% Земля: Fe 32% Si 15% O 30% Масса – 5, 976. 1024 кг Средний радиус – 6, 4. 106 м Плотность – 5, 518 г/см 3 Средний состав: Fe-32%, O-30%, Si-15%, Mg-14% Земная кора: Плотность – 2, 7 г/см 3 Средний состав: O-46, 6%, Si-25, 8%, Al-7, 7%, Fe-6, 6% Fe 6% Al 8% 13% Si 26% O 47%

m - масса сферического тела радиуса R; i - безразмерный момент инерции, определяющий распределение m - масса сферического тела радиуса R; i - безразмерный момент инерции, определяющий распределение масс в сфере. i > 0, 4 - массы сконцентрированы к периферии. i = 0, 4 - массы распределены по сфере равномерно. i < 0, 4 - массы сконцентрированы к центру, и тем больше, чем меньше значение i.

Пример Луна Земля Солнце i=0. 395 i=0. 332 i=0. 058 13 г/см 3 М=0, Пример Луна Земля Солнце i=0. 395 i=0. 332 i=0. 058 13 г/см 3 М=0, 012 σ=3, 35 г/см 3 Момент инерции М=332946 σ=1, 41 г/см 3 М=1 σ=5, 52 г/см 3 Масса 100 г/см 3 σ в центре

Космическое тело Относительна я масса Момент Магнитное инерции поле, А/м Период вращения Луна 0, Космическое тело Относительна я масса Момент Магнитное инерции поле, А/м Период вращения Луна 0, 012 0, 396 10 -3 27, 3 Планеты земной группы Марс 0, 1 0, 376 10 -2 1 Венера 0, 72 0, 332 3. 10 -3 243 Земля 1 0, 333 25 1 Внешние планеты Сатурн 95 0, 22 17 0, 43 Юпитер 317 0, 25 320 0, 4 Солнце 3, 3. 105 0, 058 106 27 -32 (экваторполюс)

а) Чем больше масса космического тела, тем больше у него возможности к эволюции <1018 а) Чем больше масса космического тела, тем больше у него возможности к эволюции <1018 кг астероиды (метеориты) не эволюционируют Масса космического тела 1018 - 1030 кг >1030 кг планеты звёзды гравитационная дифференциация ядерные реакции б) Состав и возраст планет Солнечной системы определяют по метеоритам

Космическое тело Относительна я масса Момент Магнитное инерции поле, А/м Период вращения Луна 0, Космическое тело Относительна я масса Момент Магнитное инерции поле, А/м Период вращения Луна 0, 012 0, 396 10 -3 27, 3 Планеты земной группы Марс 0, 1 0, 376 10 -2 1 Венера 0, 72 0, 332 3. 10 -3 243 Земля 1 0, 333 25 1 в) Магнитное поле больше у тех космических тел, Внешние планеты которые хорошо расслоены 0, 22 и быстро 17 вращаются. Сатурн 95 0, 43 Юпитер 317 0, 25 320 0, 4 Солнце 3, 3. 105 0, 058 106 27 -32 (экваторполюс)

* Достаточно большая масса планеты для ее расслоения с образованием ядра, коры и атмосферы * Достаточно большая масса планеты для ее расслоения с образованием ядра, коры и атмосферы и для удержания атмосферы. * Оптимальное расстояние от звезды для обогрева. * Достаточно быстрое вращение планеты для смены дня и ночи и для генерации ядром магнитного поля, экранирующего планету от звездного излучения.

29, 8 км/с Земля 152, 5 млн. км Афелий Эксцентриситет: Земля – 0, 017 29, 8 км/с Земля 152, 5 млн. км Афелий Эксцентриситет: Земля – 0, 017 147, 5 млн. км Земля Перигелий Солнце Венера – 0, 007 Плутон – 0, 244

1 а. е. =149 597 871 км 1 а. е/14. 6=119 дней! 1 а. е. =149 597 871 км 1 а. е/14. 6=119 дней!

67 Р 67 Р

N N N Солнце Прецессия земной оси S S 23027* N N N Солнце Прецессия земной оси S S 23027*

Солнечный ветер Деформация магнитного поля Земли Корональная дыра на Солнце Солнечный ветер Деформация магнитного поля Земли Корональная дыра на Солнце

Гравитационное поле – силовое поле, передающее взаимодействие масс f = 6. 67. 10 -11 Гравитационное поле – силовое поле, передающее взаимодействие масс f = 6. 67. 10 -11 Н. м 2. кг-2 Гравитационное влияние на Землю Солнце Луна Планеты Центр Галактики Звезда F, Н 3, 3. 1022 1018 1011 104

Гравитационное поле Земли Гравитационное поле Земли

2. 1. Напряженность, потенциал и уровенные поверхности. 2. 2. Гравитационное поле Земли. Геоид. 2. 2. 1. Напряженность, потенциал и уровенные поверхности. 2. 2. Гравитационное поле Земли. Геоид. 2. 3. Равновесные состояния Земли.

Напряженность (F*, g) m m 1=1 r Потенциал (U) g = grad U На Напряженность (F*, g) m m 1=1 r Потенциал (U) g = grad U На поверхности сферы: Уровенная поверхность – поверхность равного потенциала

Для гравитационного потенциала любая уровенная поверхность совпадает со свободной поверхностью воды, а вектор ускорения Для гравитационного потенциала любая уровенная поверхность совпадает со свободной поверхностью воды, а вектор ускорения силы тяжести перпендикулярен поверхности Поверхность воды в озере, стакане _ _ _ _ U 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ g Уровенная поверхность гравитационного потенциала, совпадающая с поверхностью Мирового океана

- разложение наблюденного гравитационного поля - главное (нормальное) гравитационное поле - гравитационные аномалии Локальные - разложение наблюденного гравитационного поля - главное (нормальное) гравитационное поле - гравитационные аномалии Локальные Гравитационные аномалии: Региональные Планетарные Верхняя часть земной коры Литосфера Мантия Источники аномалий

Карта гравитационного поля Томская область Байкал Карта гравитационного поля Томская область Байкал

а) главное гравитационное поле - сжатие сфероида (эллипсоида вращения) (Земли) α = 3. 35. а) главное гравитационное поле - сжатие сфероида (эллипсоида вращения) (Земли) α = 3. 35. 10 -3 - ускорение гравитационного притяжения - ускорение центробежное q= =3. 45. 10 -3 - ускорение силы тяжести на экваторе

(порядка квадрата сжатия) Гравитационные аномалии: б) Геоид – фигура Земли - главная часть геоида (порядка квадрата сжатия) Гравитационные аномалии: б) Геоид – фигура Земли - главная часть геоида с φ а Аномалии (высоты) геоида: Составляющие фигуры Земли Геоид Ок еа н Сфероид Ко нт ин ен т Дневная поверхность на континенте r 0

а) гидростатическое равновесие Земли Основание Модель равновесной Земли Уравнение гидростатического равновесия: Р 1 U а) гидростатическое равновесие Земли Основание Модель равновесной Земли Уравнение гидростатического равновесия: Р 1 U 1 σ1 Р n U n σn Р, U , σ Свойства равновесной Земли Давление (Р) в недрах Земли: Вопрос Рассчитать давление, которое оказывает земная кора на мантию. Δh=35 км, σ=2, 8 г/см 3, g=9. 8 м/с2.

б) Изостазия – форма равновесия верхней части Земли КОНТИНЕНТ Шельф Гранитный 2. 7 3, б) Изостазия – форма равновесия верхней части Земли КОНТИНЕНТ Шельф Гранитный 2. 7 3, 3 Базальтовый М ан ти я 3, 0 ОКЕАН

Гравитационное поле Рельеф Землетрясения Гравитационное поле Рельеф Землетрясения

Упругость – Деформации – Упругие силы (F) Напряжения (d) – Давление (Р) - dn Упругость – Деформации – Упругие силы (F) Напряжения (d) – Давление (Р) - dn d d ΔS [d]=[P]=Н/м 2 = Па (паскаль) Р(атм)~105 Па Р(в центре ядра)=3. 6. 1011 Па dn – нормальное напряжение d - тангенциальное (касательное) напряжение

а) деформации объема (всестороннего сжатия-растяжения) P ΔV - относительная объемная деформация V-ΔV P P а) деформации объема (всестороннего сжатия-растяжения) P ΔV - относительная объемная деформация V-ΔV P P - модуль объемной упругости (сжатия-растяжения) β = 1/k - сжимаемость P Минерал тальк k, 1011 Па 0, 3 кальцит гранат 0, 71 1, 8 k (жидкостей) = 10 -5 – 5. 1010 Па КТ-2 Во сколько раз уменьшится объем кварца на глубине 35 км (нижняя часть коры, Р=109 Па), если k (кварца)=0, 4. 1011 Па. Напишите формулу для расче

б) деформации формы (сдвига, скола) F θ θ - угол сдвига μ - модуль б) деформации формы (сдвига, скола) F θ θ - угол сдвига μ - модуль упругости формы (сдвига) 1/μ - текучесть Минерал тальк μ, 1011 Па 0, 08 кальцит гранат 0, 32 0, 94 μ жидкостей → 0 в) вязкость – свойство вещества (жидкости) оказывать сопротивление скорости сдвиговых деформаций, т. е. течению η – коэффициент вязкости (внутреннего трения) - скорость деформации формы

Вязкость некоторых веществ Вода Стекло (420 о. С) Магма базальтовая (1200 о. С) 0, Вязкость некоторых веществ Вода Стекло (420 о. С) Магма базальтовая (1200 о. С) 0, 001 4. 1015 3, 2. 103 (η, Па. с) Литосфера Астеносфера 1023 -1024 1018 -1019 Сейсмический разрез Сильгинская площадь Мессояхское Полтавское месторождение Литосфера = земная кора + верхняя мантия Астеносфера – частично расплавленный слой верхней

Обозначим t - время действия сил t << ► вещество ведёт себя как твёрдое Обозначим t - время действия сил t << ► вещество ведёт себя как твёрдое тело, т. е. не испытывает течений. Приближенные оценки . t >> ► вещество проявляет свойства жидкости. литосфера: = 1012 с 3. 104 лет; астеносфера: = 108 с 3 года. За геологическое время (больше 300 тыс. лет) даже самая жёсткая часть Земли - литосфера может испытывать течение подобно вязкой жидкости.

Напряженность (F*, g) m m 1=1 r Потенциал (U) g = grad U На Напряженность (F*, g) m m 1=1 r Потенциал (U) g = grad U На поверхности сферы: Уровенная поверхность – поверхность равного потенциала

Для гравитационного потенциала любая уровенная поверхность совпадает со свободной поверхностью воды, а вектор ускорения Для гравитационного потенциала любая уровенная поверхность совпадает со свободной поверхностью воды, а вектор ускорения силы тяжести перпендикулярен поверхности Поверхность воды в озере, стакане _ _ _ _ U 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ g Уровенная поверхность гравитационного потенциала, совпадающая с поверхностью Мирового океана

- разложение наблюденного гравитационного поля - главное (нормальное) гравитационное поле - гравитационные аномалии Локальные - разложение наблюденного гравитационного поля - главное (нормальное) гравитационное поле - гравитационные аномалии Локальные Гравитационные аномалии: Региональные Планетарные Верхняя часть земной коры Литосфера Мантия Источники аномалий

Карта гравитационного поля Томская область Байкал Карта гравитационного поля Томская область Байкал

а) главное гравитационное поле - сжатие сфероида (эллипсоида вращения) (Земли) α = 3. 35. а) главное гравитационное поле - сжатие сфероида (эллипсоида вращения) (Земли) α = 3. 35. 10 -3 - ускорение гравитационного притяжения - ускорение центробежное q= =3. 45. 10 -3 - ускорение силы тяжести на экваторе

(порядка квадрата сжатия) Гравитационные аномалии: б) Геоид – фигура Земли - главная часть геоида (порядка квадрата сжатия) Гравитационные аномалии: б) Геоид – фигура Земли - главная часть геоида с φ а Аномалии (высоты) геоида: Составляющие фигуры Земли Геоид Ок еа н Сфероид Ко нт ин ен т Дневная поверхность на континенте r 0

а) гидростатическое равновесие Земли Основание Модель равновесной Земли Уравнение гидростатического равновесия: Р 1 U а) гидростатическое равновесие Земли Основание Модель равновесной Земли Уравнение гидростатического равновесия: Р 1 U 1 σ1 Р n U n σn Р, U Свойства равновесной Земли , σ Давление (Р) в недрах Земли: Вопрос Рассчитать давление, которое оказывает континентальная земная кора на мантию. Δh=35 км, σ=2, 8 г/см 3, g=9. 8 м/с2.

б) Изостазия – форма равновесия верхней части Земли ОКЕАН КОНТИНЕНТ Шельф Гранитный 2. 7 б) Изостазия – форма равновесия верхней части Земли ОКЕАН КОНТИНЕНТ Шельф Гранитный 2. 7 3, 3 М ан ти я Базальтовый 3, 0 3, 3

Гравитационное поле Рельеф Землетрясения Гравитационное поле Рельеф Землетрясения

Приливы: Атмосферные Океанские Земные (в твердой части Земли) а) упругая Земля А* 0 Недеформированная Приливы: Атмосферные Океанские Земные (в твердой части Земли) а) упругая Земля А* 0 Недеформированная Земля Приливный выступ 0 – центр Земли 0* - центр вращения системы «Земля-Луна 0* Δr А - сила притяжения Лун А* А - сила центробежная Приливообразующая си Δr – высота прилива; U – приливообразующий потенциал

Δr* - высота статического океанского прилива на абсолютно твердой Земле Числа Лява: ΔU – Δr* - высота статического океанского прилива на абсолютно твердой Земле Числа Лява: ΔU – дополнительный гравитационный потенциал, возникший в результате приливной деформации Значения чисел Лява для сферы абсолютно твёрдая однородная жидкая Однородная (постоянные и ) h=k=0 h=1 k=0, 6 h б) реальная Земля F 0 F* 0* Поскольку Земля вращается вокруг своей оси быстрее, чем обращается Луна вокруг Земли, приливный выступ выносится вращением Земли вперед относительно линии 00* Удлинение суток – F – сила притяжения Луной приливного 0. 7. 10 -3 с за 100 лет выступа Удаление Луны – F* - составляющая силы, тормозящая 3. 3 см за 1 год вращение Земли

Замедление вращения + Энергия землетрясения 1800 1900 2000 годы Назовите геологические процессы, вызванные гравитационным Замедление вращения + Энергия землетрясения 1800 1900 2000 годы Назовите геологические процессы, вызванные гравитационным полем Земли.

Землетрясения в Китае (22. 05. 1927) и вблизи Камчатки (24. 05. 2013) имели близкие Землетрясения в Китае (22. 05. 1927) и вблизи Камчатки (24. 05. 2013) имели близкие магнитуды. Почему землетрясение на Камчатке не привело к человеческим жертвам и разрушениям? Дата Место Количество жертв, тыс. чел. Магнитуда 22. 05. 1927 Кхининг, Китай 200 8. 3 28. 12. 1908 Мессина, Италия 100 7. 5 1. 10. 1755 Лиссабон, Португалия 70 8. 7 31. 05. 1970 Перу 66 7. 8

Землетрясения – колебания поверхности и недр Земли, вызванные кратковременной разгрузкой упругих напряжений в литосфере Землетрясения – колебания поверхности и недр Земли, вызванные кратковременной разгрузкой упругих напряжений в литосфере Очаг землетрясения – область разгрузки напряжений, из которой излучаю сейсмические волны Сейсмические волны – распространяющиеся в недрах Земли знакопеременные деформации Продольные волны (Р-волны) – волны сжатия-растяжения, колебания ко происходит вдоль линии их распространения Поперечные волны (S-волны) – волны сдвига, колебания которых происх в плоскости, нормальной к линии распространения волны 1. Скорость продольных волн больше скорости поперечных 2. В жидких и газоообразных средах (μ=0) поперечные волны отсутствую

КОНТИНЕНТ Шельф ОКЕАН КОНТИНЕНТ Шельф ОКЕАН

Гравитационное поле Рельеф Землетрясения Гравитационное поле Рельеф Землетрясения

Вулканы Камчатки Вопрос 2. 1: В 1991 году произошло извержение вулкана Авачинский, утяжелившее земную Вулканы Камчатки Вопрос 2. 1: В 1991 году произошло извержение вулкана Авачинский, утяжелившее земную кору в этой части Земли. Если извержений больше не будет, то через сколько лет этот участок земной коры вернется в исходное состояние?

Карта высот геоида, м ЗАЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ 1. Дайте краткую характеристику карты высот геоида 2. Карта высот геоида, м ЗАЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ 1. Дайте краткую характеристику карты высот геоида 2. Найдите несколько соответствий между высотами геоида и границами основных литосферных плит 3. Предложите свой вариант причин соответствия (Отчет - не больше одной страницы)