От физики к геофизике

1. ГЕОФИЗИКА

•Понедельник 13.00 – 14.45
•Среда 10.45 – 12.20
Константин Владиславович Титов
Учебник
С.В. Аплонов, К.В. Титов “Геофизика для
геологов” 2012
“Геофизические методы поисков и разведки…”
(Ред. В.К. Хмелевской, 2007)

2.

Магнитное поле Земли: Вид из космоса

3. От ФИЗИКИ к ГЕОФИЗИКЕ Лекция вводная

• “Предмет и метод”, или для чего и как?
• Какую “ФИЗИКУ” использовать для изучения
Земли?
• Закономерности физических явлений и
изучение Земли. Физические свойства пород

4. Как “потрогать руками” объекты внутри Земли?

5.

Обнажение
Карьер
Скважина

6. Обзор физических явлений, что использовать для изучения Земли?

Гравитация
Магнетизм
Упругость
Электричество
Теплопередача
Радиоактивность

7. Гравитация и гравиметрия

Mm
F k 2 mg
r
M
g k 2
r
k 6.67 10
11
H м кг
M 5.98 10 24 кг
Rэ 6.378км
Rп 6.357 км
2
m
g g g0
9.83221
Rп
2
9.78049
Rэ
M

8. Задача: Чему равна средняя плотность Земли?

9. Какова плотность минералов?

Минерал
Кварц
Ортоклаз
Плагиоклазы
Биотит
Амфиболы
Плотность,
Кг/м3
2600
2470
2620(Ab) – 2760(An)
2800
2850-3600
Противоречие?

10. Задача: Гравитационное влияние сферы

• Какое дополнительное гравитационное влияние
окажет геологическое тело в виде сферы радиусом
100 м с центром на глубине 200 м плотностью 3000
кг/м3 , залегающее среди пород плотностью 2000
кг/м3?

11.

4
4
1)m изб.плотность r 3 (3 2)103 3.14 (10 2 )3 4.2 109 кг
3
3
9
m
4
.
2
10
6
2
2) g дополнит ельное k 2 6.67 10 11
7
.
0
10
м
/
с
r
(2 10 2 ) 2
g дополнит ельное g g 0
Геофизические поля состоят из различных компонент, выделение
компонент, связанных с интересующим нас объектом - задача обработки
исходных данных.

12. Магнетизм и магнитометрия

13. Магнитное взаимодействие

0 m m
F
,
2
4 r
0 4 10 7 Гн / м
M=m.l
F 0 m
H
( A / м)
2
m 4 r

14. Магнитное взаимодействие

H=?
H~I/R
H
[H]=[A/м]
M
V
J kH
J
k - магнитная
восприимчивость
J
J
J
Магнитная восприимчивость - основное свойство пород,
используемое в магнитометрии!

15. Магнитные свойства некоторых минералов

Минерал
Кварц
Ортоклаз
Плагиоклазы
Биотит
Амфиболы
Магнетит
Маггемит
Гематит
Пирротин
Титаномагнетит
Магнитная
восприимчивость (10-5)
-1,6
-0,6
0
10-15
50-75
880000
380000
130-1300
13-130
13

16. Одно из практических следствий:

17. От упругости к сейсмологии и сейсморазведке

Область упругих
деформаций
Область
пластических
деформаций
Точка
разрушения
Нортридж, Калифорния, 1994

18. Упругие волны

Волны сжатия-растяжения (P)
Волны сдвига (S)

19.

Скорость - одна из основных характеристик породы в сейсморазведке и

20. Скорость волн в Земле

A – кора, B – подкоровая мантия, С-астеносфера, D – нижняя мантия,
E – внешнее ядро, G – внутреннее ядро

21. От теории электричества к геоэлектрике

I= U/R= U.S
R-сопротивление (Ом)
S=1/R-проводимость (См)
A
j=E/r=sE
j-плотность тока, А/м2
E-напряженность, В/м
s-электропроводность,
r-удельное электрическое
сопротивление
B
V
R
A
A
V
R

22. Удельное электрическое сопротивление

L
S U
r
L I
S

23. Механизм электропроводности

E
Проводники и полупроводники
e
p
Ионы в электролите
Na+
Cl-

24. Удельное сопротивление элементов и минералов

25. Электропроводность (и удельное сопротивление) воды

s
M ( г / л)
10
r
10
M ( г / л)
10000
10000
Удельное сопротивление, Ом.м
Удельное сопротивление, Ом.м
12000
8000
6000
4000
2000
0
0.001
0.01
0.1
1
Минерализация, г/л
10
100
1000
100
10
1
0.001
0.01
0.1
1
0.1
Минерализация, г/л
10
100

26. Явления, связанные с переменным полем

C
R
Ёмкость

27.

Электромагнитная индукция
dФ/dt
e
dB/dt
s
E(t)
B=Ф/s
H
J
I
H(t)

28. Искусственные поля

T
Метод сопротивления
V
A
M
N
B
Индуктивные методы
T
R

29. Постоянные естественные поля – гео-батареи

30. Теплофизика и геотермия

Тепловой поток (Q) – тепло, уходящее из недр Земли в космическое
пространство Q=4.1013Вт (Дж/с) ~1.9.1010 т нефти
Плотность теплового потока q=Q/s (Вт/м2)
Теплоперенос:
T
Кондуктивный
r
Конвективный
T1
T1>T2
v
T2
Излучение

31. Тепловые свойства

Закон Фурье:
q lgradT
Температуропроводность
Коэффициент теплопроводности l
λ
a
~ 10 7 10 6 м 2 / с
σc
Где s плотность, с – удельная теплоёмкость (Дж/(кг.K))

32. Средние значения теплофизических свойств некоторых пород

Порода
λ, Вт/(м.К)
Теплопроводность
а,10-7м2/с
Температуропроводность
Торф
0.07
1.6
Ил, глина, песок
0.84
4.77
Конгломерат
1.92
7.89
Диабаз
2.50
9.44
Перидотит
4.37
13.26

33. Радиоактивность и радиометрия

Закон радиоактивного распада
dN
l N
dt
N N 0e
l t
1/ 2 ln 2 / l
N0
N 0e l 1/ 2
2

34. Некоторые реакции радиоактивного распада

Реакция распада
Постоянная распада
(лет-1)
Период полураспада
(лет)
238U→206Pb+84He
1.55 . 10-10
4.47 .109
235U→207Pb+74He
9.85 . 10-10
7.04 .108
232Th→208Pb+64He
4.95 . 10-11
1.40 . 1010
87Rb→87Sr
1.42 . 10-11
4.88 . 1010
40K→40Ar, 40Ca
5.54 . 10-11
1.25 . 109

35. Обзор физических явлений, какие явления использовать для изучения Земли?

Гравитация
Магнетизм
Упругость
Электричество
Теплопередача
Радиоактивность
Гравиметрия
Магнитометрия
Сейсмология и сейсморазведка
Геоэлектрика
Геотермия
Радиометрия и ядерная
геофизика