Введение в геофизику Лекция 1 Предмет и

Введение в геофизику Лекция 1

Предмет и объекты геофизики § Геофизика – обширная область знаний. Она объединяет геофизику твердой Земли, физику солнечно-земных связей, физику атмосферы, физику океана. С геофизикой связаны астрономия, сравнительная планетология, космофизика, океанология, метеорология. § Геофизика твердой Земли включает: физику Земли, разведочную геофизику, ГИС, инженерную геофизику. § Физика Земли – фундаментальная дисциплина, остальные – прикладные: Геофизические методы – это инструменты для решения задач других разделов науки и производства. 2 § 2

Наши дисциплины – разведочная геофизика, ГИС и инженерная геофизика. Они важны в изучении строения земной коры, при поисках месторождений полезных ископаемых, выборе мест строительства инженерных сооружений и в задачах экологии – контроля за изменением природной среды. Для этого используются методы, основанные на физических полях: гравитационном, магнитном, тепловом, электромагнитных и упругих (сейсмических) волн, радиоактивном излучении. Физика Земли дает глобальную теоретическую и фактическую информацию мировоззренческого значения Основной принцип геофизики – дистанционное изучение объектов без непосредственного контакта с ними. 3 3

§ Объекты разведочной геофизики залегают в земной коре от поверхности до глубины в десятки километров. § Практическое значение имеют месторождения полезных ископаемых на глубине до 5 -10 км на континентах и 2 -3 км под дном океанов. § Современное состояние геофизики определяет многообразие специализации геофизиков: § а) по областям применения: геодинамика, региональная геология, поиски МПИ, инженерная геология и др. ; § б) по типам задач: оценка параметров структур, районирование, поиски объектов, эволюция структур; § в) по роду деятельности: аппаратура, методика, полевые работы, интерпретация, моделирование, эксперименты; § г) по набору частных методов и методик, используемых для решения геологических задач. § 4 4

§ К такой специализации геофизиков привели: § 1. Расширение круга геологических задач; повышение глубинности и детальности исследований; исследования в океанах и других труднодоступных районах с неблагоприятными условиями для жизни и работы. § 2. Совершенствование методов геофизики, усложнение теоретической базы и математического аппарата. § 3. Увеличение числа частных методов и методик в основных методах геофизики: сейсморазведке, электроразведке, магниторазведке, гравиразведке, радиометрии, скважинной геофизике; § 4. Разделение процесса исследований на этапы, разделенные во времени и территориально: получение информации в экспедициях, математическая обработка и интерпретация, геологическое истолкование и обобщение в базовых организациях и НИИ. 5 5

§ Цель курса «Введение в геофизику» – создать базу для дальнейшего изучения методов разведочной геофизики и их применения в решении типичных геологических и других прикладных задач. § Требуется понимание физико-геологических основ геофизики, ее возможностей в типичных задачах, принципов комплексирования методов для извлечения достаточно полной и надежной геологической информации. § Задачи и физические модели среды рассматриваются на основе петрофизики, являющейся мостом между понятиями геологии и геофизики, между геологическими представлениями о структуре, составе горных пород, их комплексов и геофизическими моделями среды, физическими полями. § 6 6

Мы рассмотрим: § 1. Основы физики Земли § 2. Физические свойства горных пород – для согласования геологических и физических моделей, выбора методов геофизики в конкретных задачах, для геологического истолкования геофизических данных. § 3. Физические принципы геофизических методов, физические поля, на которых они основаны, типичные геологические задачи и модели среды. Принципы постановки задач и подходы к их решению. § 4. Принципы интерпретации геофизических данных для физических моделей среды и геологического истолкования результатов. 7 7

Параметры планет Солнечной системы 8 8

Строение планет 99

10 10

Физические параметры Земли Радиус: экваториальный – 6 378, 1 км; полярный – 6 356, 8 км Средний радиус – 6 371, 0 км Сжатие 0, 0033528 Сила тяжести на экваторе 9, 780327 м/с2 Наклон оси вращения к плоскости эклиптики 23, 439281° Длина окружности (полярная) 40 007, 8 км Поверхность общая 510 072 000 км 2 Поверхность суши 148 940 000 км 2 Средняя высота суши 840 м Средняя глубина океанов 3800 м Объем 1, 083· 1012 км 3 Масса 5, 97· 1024 кг Средняя плотность 5, 515 г/см 3 Масса ядра – 1, 95· 1024 кг Масса мантии – 4, 02· 1024 кг Масса земной коры 2, 43· 1022 кг 11 11

12 12

Геологические параметры Земли § § § § Средняя толщина коры 25 км Средняя толщина коры континентов 39 км Средняя толщина коры океанов 12 км Средняя толщина литосферы 100 км Средняя толщина литосферы континентов 150 км Средняя толщина литосферы океанов 80 км Средняя глубина кровли переходной зоны мантии 420 км Средняя глубина поверхности нижней мантии 670 км Глубина поверхности ядра 2890 км Глубина поверхности внутреннего ядра 5150 км Состав ядра: железо – 88, 8 %, никель – 5. 8 %, сера – 4, 5 % Состав Земли: железо – 32, 1 %, кислород – 30, 1 %, кремний – 15, 1 %, магний – 13, 9 %, сера – 2, 9 %, никель, кальций, алюминий – в сумме 5 % 13 § 13

14 14

Строение и физика Земли Главный источник данных о строении Земли – сейсмология, волны землетрясений – времена их пробега от очагов к сейсмостанциям, зависящие о скоростной структуры среды. Сейсмология подразделяется на очаговую и структурную. Предмет очаговой сейсмологии – землетрясения: их распределение в пространстве (в плане и по глубине), сейсмический режим – распределение по энергетическим классам и повторяемость землетрясений, оценки энергии в очагах и сотрясаемости на поверхности, механизм очагов и прогноз землетрясений по месту, энергии или интенсивности и по времени возникновения. Последняя задача пока не решена. 15 15

Объектами структурной сейсмологии являются: положение и рельеф границ раздела упругих свойств, скоростная структура оболочек между этими границами, закономерности поглощения энергии волн и анизотропии скоростей в отдельных слоях, природа этих явлений в связи с составом и состоянием оболочек. Источник информации для структурной сейсмологии – землетрясения. Их много, они регистрируются большим числом сейсмических станций по всему миру. Естественно, плотность сети сейсмостанций в среднем больше в сейсмически опасных районах, чем в спокойных, но и там станций тоже достаточно много. Методы структурной сейсмологии основаны на выделении и анализе волн разных типов: по условиям в очаге, поляризации, закономерностям распространения в глубинных оболочках и поведению на границах раздела и 16 вблизи земной поверхности. 16

Классификация сейсмических волн Очаг землетрясения – зона в литосфере, где происходит быстрое смещение берегов трещины при превышении касательными напряжениями предела прочности массива горных пород. При этом высвобождается энергия, накопленная в среде при тектонических деформациях. Значительная часть энергии идет на разрушение массива горных пород в очаговой области, меньшая часть выделяется в форме упругих волн. Очаг землетрясения можно представить двойным диполем (рис. а) с диаграммой направленности объемных волн (рис. б). 17 17

В очаге реализуется не только сдвиговая, но и объемная деформация. При смещении берегов трещины возникает дилатансия – увеличение объема разрушения. Очаги землетрясений расположены на разной глубине, в пределах земной коры на глубине от 10– 20 до 60 км, но возникают они и в мантии на глубине до 700 км. Сейсмические волны распространяются в среде как объемные Р- и S-волны, поверхностные волны Лява LQ и Рэлея LR. Сдвиговые (поперечные) волны S по условиям деформации в очаге поляризованы на фронте волны в двух ортогональных направлениях: параллельно трещине и перпендикулярно к ней. Волны Р – по направлению луча. На границах раздела упругих свойств поляризация изменяется: в плоскости границы (SH-волны) и в плоскости, ортогональной границе и сейсмическому лучу (SV-волны). В изотропной среде скорости SH- и SV-волн равны. 18 18

19 19

20 20

Последовательность прихода волн на станцию и соотношение их амплитуд показано на сейсмограмме удаленного землетрясения; сейсмостанция Херенвен (Голландия), землетрясение 15. 10. 2006 г. на Гаваях. Продольные волны приходят первыми, но их амплитуда меньше, чем у поперечных волн. Более интенсивны волны Лява, но самые интенсивные – это волны Рэлея. 21 21

Поверхностные волны Лява LQ – поперечные волны со смещениями частиц в плоскости границы земля-воздух перпендикулярно лучу. Волны Рэлея поляризованы в вертикальной плоскости луча; траектории частиц представляют собой эллипсы, по которым частицы накатываются на фронт волны. Условием возникновения волн LR является свободная граница полупространства. Волны LQ возникают при наличии слоя на полупространстве. Поверхностные волны распространяются в слое толщиной, зависящей от частоты колебаний: чем она меньше, тем больше глубина слоя. 22 22

В последние годы специалисты уделяют большое внимание кода-волнам (рисунок), которые следуют за поверхностными волнами и являются следствием интерференции S- и P-волн на неоднородностях в разных частях Земли. Соотношение скоростей поперечных волн (S), поверхностных волн Лява (L 1, L 0) и Рэлея (R 0) и кода-волн. Цветом выделены те же волны по результатам моделирования [Kolinsky, 2004] 23 23

Годограф – это время пробега волны в функции расстояния до эпицентра t (∆). Совокупность годографов разных волн – это сводный годограф. Его вид не зависит от места и времени землетрясения и мало зависит от его силы. Последовательность прихода волн на станцию с данным эпицентральным расстоянием ∆ определяется номером волны от оси абсцисс по 24 вертикали 24

25 25

Неоднородность верхней мантии 26 26

Неоднородность нижней мантии 27 27

28 28

29 29

Динамика мантии на границе с ядром 30 30

Японские и Курильская островные дуги: очаги 1990 -2000 гг. 31 31

Аляска и Алеутская островная дуга: очаги 1990 -2000 гг. 32 32

Яванская островная дуга: очаги 1990 -2000 гг. 33 33

34 34

35 35

36 36

37 37

38 38

39 39

40 40

НОМОГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТУД 41 41

42 42

43 43

Последствия землетрясения в провинции Сычуань § § 44 44