Геофи́зика (от — Земля + — природа), или физика Земли, — комплекс научных дисциплин, исследующих физическими методами (контактными и дистанционными аэрокосмическими) строение Земли, процессы, происходящие в геосфере, а также специфические методы исследования упомянутых объектов и процессов. Она использует количественные методы и данные систематических наблюдений для изучения физических свойств и процессов как самой Земли, так и окружающего её космического пространства. Основное внимание геофизика уделяет форме Земли, её гравитационному, магнитному и электромагнитному полям, а также изучению её внутреннего строения, состава и динамики, находящих своё поверхностное отражение в тектонике, вулканизме и процессах породообразования. Помимо этого, геофизика охватывает более широкую системную и планетарную перспективу, включая физику океанов (гидрофизику), атмосферы, криосферы, ионосферы и магнитосферы, а также солнечно-земные связи и аналогичные физические процессы на Луне, других планетах и их спутниках.
Геофизика является одной из старейших наук: её истоки восходят к глубокой древности, когда появились первые магнитные компасы и простейшие сейсмоскопы, а в Новое время её развитие продолжилось благодаря ньютоновскому анализу приливов, прецессии земной оси и общих физических свойств Земли. Сегодня геофизика развивается как ради фундаментального научного понимания Земли, так и для решения многочисленных практических задач. К числу последних относятся поиск и разведка месторождений полезных ископаемых и энергоресурсов, оценка и снижение рисков природных катастроф, гидрогеологические и экологические изыскания, геоархеологические исследования, а также непрерывный экологический мониторинг.
Методология геофизики объединяет теорию, наблюдения и эксперименты для изучения систем Земли и других планет в самых разных пространственных и временных масштабах. Методы исследований включают полевые измерения, лабораторные эксперименты, дистанционное зондирование Земли, численное моделирование, а также компьютерный анализ данных (включая цифровую обработку сигналов). Выступая в качестве связующей физической основы для наук о Земле и планетологии, геофизика объединяет в рамках единого подхода физические явления — от происходящих глубоко в недрах планеты до процессов в верхних слоях атмосферы и ближнем космосе. Это закладывает базу для понимания эволюции планет, их динамики и жизнепригодности.
История
Геофизика оформилась в качестве самостоятельной научной дисциплины лишь в XIX веке на стыке физической географии, геологии, астрономии, метеорологии и физики. Первое известное использование термина «геофизика» на немецком языке («Geophysik») принадлежит Юлиусу Фрёбелю в 1834 году. Однако многие геофизические явления, такие как магнитное поле Земли и землетрясения, исследовались ещё с древнейших времён.
Древность и классический период
Магнитный компас существовал в Китае ещё в IV веке до н. э. Первоначально он использовался как в фэншуй, так и для сухопутной навигации. Использование компаса в мореплавании началось только после того, как в Европе и Азии научились ковать стальные иглы, способные долго удерживать намагниченность. Первое упоминание компаса в Европе относится к 1190 году н. э.
Около 240 года до н. э. Эратосфен Киренский доказал шарообразность Земли и с высокой точностью измерил длину земного меридиана. Он также разработал систему географических координат из широты и долготы.
Вероятно, самым ранним вкладом в сейсмологию стало изобретение сейсмоскопа китайским учёным Чжан Хэном в 132 году н. э. Прибор сбрасывал бронзовый шар из пасти дракона в рот лягушки: по тому, в какую из восьми лягушек падал шар, можно было определить направление эпицентра землетрясения. Лишь спустя 1571 год первый европейский проект сейсмоскопа был предложен Жаном де Отфёем в 1571 году, однако он так и не был построен в металле.
Начало современной науки XVII век ознаменовался важнейшими вехами, положившими начало современной науке. В 1600 году Уильям Гильберт опубликовал свой классический труд «De Magnete», в котором описал серию экспериментов с природными магнитными железняками («магнитными камнями») и искусственно намагниченным железом. С помощью легкой магнитной стрелки он воспроизвел поведение компаса на поверхности сферического магнита и обнаружил явление магнитного наклонения. На основе этих опытов Гильберт пришёл к выводу, что стрелка компаса указывает на север потому, что сама Земля является гигантским магнитом.
В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал фундаментальный труд «Математические начала натуральной философии» (Principia), ставший ключевым для развития астрономии и физики. В нём Ньютон заложил основы классической механики и теории всемирного тяготения, а также физически объяснил ряд геофизических явлений, таких как прецессия земной оси и приливы.
Первый сейсмометр, способный вести непрерывную запись сейсмической активности, был построен шотландским физиком Джеймсом Форбсом в 1844 году.
Развитие геофизики в России и СССР Развитие отечественной геофизики тесно связано с освоением обширных территорий страны и решением крупных научно-технических задач: Михаил Ломоносов (XVIII в.): Заложил основы отечественных геофизических исследований. Он изучал атмосферное электричество (совместно с Георгом Рихманом), разрабатывал маятниковые методы измерения силы тяжести и опубликовал работу «Слово о рождении металлов от трясения Земли» (1757), заложившую основы учения о динамике земной коры. Курская магнитная аномалия: Открыта академиком П. Б. Иноходцевым в 1773 году во время картографических работ. Её детальное геофизическое изучение в конце XIX — начале XX веков профессором Э. Е. Лейстом и академиком П. П. Лазаревым привело к открытию крупнейшего в мире железорудного бассейна. Борис Голицын (начало XX в.): Выдающийся физик, создатель первого в мире электромагнитного сейсмографа (1906), преобразующего сейсмические колебания в электрический ток. Изобретение Голицына легло в основу современных приборов и сделало его одним из основоположников мировой научной сейсмологии. Советская геофизическая школа: В 1920–1930-х годах под руководством академиков О. Ю. Шмидта, П. П. Лазарева и профессора Г. А. Гамбурцева были заложены основы современной разведочной геофизики. Гамбурцев разработал методы глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) земной коры и метод преломленных волн (КМПВ), получившие мировое признание. В 1928 году был основан Институт физики Земли, ставший одним из крупнейших геофизических центров мира.
Классификация Геофизика состоит из следующих основных разделов: физика твёрдой Земли (сейсмология, гравиметрия, магнитометрия, электрометрия, геотермия, тектонофизика, петрофизика), физика водоемов или гидрофизика (океанология, моря, озёра, реки, льды, подземные воды и т. д.), физика атмосферы и околоземного космического пространства (метеорология, климатология, аэрономия, физика ионосферы, атмосферная оптика и т. д.)В. І. Старостенко, В. Г. Гутерман Геофізика // Енциклопедія Сучасної України.
Подразделяется на фундаментальную и прикладную (разведочную геофизику). Отдельно выделяются методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, промышленную геофизику, или геофизические методы исследований скважин, и шахтную геофизику.
Фундаментальная геофизика Фундаментальная геофизика (также общая геофизика или физика Земли) занимается изучением глобальных физических свойств и динамических процессов, протекающих в недрах планеты Земля, её жидких и газообразных оболочках, а также в ближнем космосе. В отличие от разведочной геофизики, ориентированной на локальный поиск полезных ископаемых, фундаментальные исследования направлены на изучение планеты как целостной системы. Она подразделяется на три ключевых направления: физику твёрдой Земли, гидрофизику и физику атмосферы.
Физика твёрдой Земли Гравиметрия и фигура Земли
Гравиметрия изучает гравитационное поле Земли и распределение масс в её недрах. Сила тяжести вызывает сжатие вещества, приводя к росту плотности с глубиной. Эквипотенциальная поверхность силы тяжести — геоид — служит физическим определением формы Земли (соответствуя среднему уровню Мирового океана). Изменения гравитационного поля по горизонтали называют гравитационными аномалиями. Внешнее гравитационное воздействие Луны и Солнца вызывает приливы и отливы, а также приливные деформации в твёрдом теле Земли.
Сейсмология и сейсмотомография
Сейсмология исследует распространение сейсмических волн (упругих колебаний, вызванных землетрясениями или искусственными взрывами). Поведение продольных (P-волн) и поперечных (S-волн) волн в различных средах позволило реконструировать внутреннее строение Земли и выделить ключевые геосферы: земную кору, мантию и земное ядро (включая жидкое внешнее ядро и твёрдое Внутреннее ядро Земли): На стыке коры и мантии сейсмологами зафиксирована граница Мохоровичича; Стык мантии и ядра образует границу Гутенберга.
Развитие вычислительных методов сейсмической томографии позволило строить трёхмерные модели мантии и отслеживать движение холодных плит в зонах субдукции и горячих мантийных плюмов.
Геомагнетизм, палеомагнетизм и электрометрия
Естественное магнитное поле Земли генерируется конвективными движениями жидкого электропроводящего железа во внешнем ядре под влиянием вращения планеты и силы Кориолиса (механизм геодинамо). Наземная и спутниковая магнитометрия изучают изменения этого поля в пространстве и времени. Палеомагнетизм исследует остаточную намагниченность горных пород, что позволило доказать существование регулярных инверсий магнитного поля и легло в основу теории тектоники плит и спрединга океанического дна. В фундаментальном аспекте электрометрия изучает глобальное распределение электропроводности в недрах Земли и естественные теллурические токи, индуцируемые изменениями геомагнитного поля во внешних оболочках планеты.
Геодинамика, тектонофизика и геотермия
Внутреннее тепло Земли состоит из первичной энергии аккреции планеты и тепла, непрерывно выделяющегося при радиоактивном распаде долгоживущих изотопов урана, тория и калия. Раздел геотермия изучает тепловой поток, проходящий через поверхность планеты, и геотермический градиент. Геодинамика исследует крупномасштабную вязкую конвекцию в мантии, которая является главным двигателем глобальной тектоники плит. Смежная дисциплина — тектонофизика — исследует физические основы деформации земной коры, формирование разломов, складок и напряжённо-деформированное состояние горных пород под действием тектонических сил.
Физика минералов и петрофизика
Физика минералов исследует физические, упругие, термодинамические и механические свойства слагающих недра минералов при экстремальных давлениях и температурах. Это необходимо для сопоставления скоростей сейсмических волн и плотности (модель PREM) с конкретным химическим составом. Она детально описывает термодинамические уравнения состояния и фазовые переходы минералов, такие как переход оливина в его плотные полиморфные модификации — вадслеит и рингвудит на границе верхней и нижней мантии, а также переход в бриджманит и постперовскит в нижней мантии. Смежная дисциплина — петрофизика — изучает взаимосвязь различных физических свойств (электрических, магнитных, тепловых, радиоактивных, упруго-прочностных) горных пород и руд на макроуровне.
Гидрофизика и океанология
Гидрофизика исследует физические процессы в водной оболочке Земли (гидросфере). Основная фундаментальная дисциплина здесь — физическая океанология (физика океана), изучающая океанические течения, динамику волн, приливы, турбулентность, а также распределение температуры, солёности и плотности в морях и океанах. Гидрофизика также охватывает физические процессы в материковых водоёмах (физика озёр и рек), термодинамику льдов и снежного покрова (гляциология), а также физику фильтрации и переноса подземных вод в водоносных горизонтах земной коры.
Физика атмосферы и ближнего космоса