Физика Земли

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ

серия основана в 1 996 г.

ОШ
CQ CQ

. ЗАХАРОВ
. СМИРНОВ

ФИЗИКА ЗЕМЛИ


УЧЕБНИК






                      Рекомендовано в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 05.03.01 «Геология» (квалификация (степень) «бакалавр»)




znanium.com

Москва
ИНФРА-М

2021

УДК 550.3(075.8)
ББК 26.2я73
      З38

      Авторы:
         Захаров Владимир Сергеевич, д-р геол.-минерал. наук, доцент, профессор геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова;
         Смирнов Владимир Борисович, канд. физ.-мат. наук, доцент, доцент физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

      Рецензенты:
         Кузнецов О.Л., д-р техн. наук, профессор, президент Международного университета природы, общества и человека «Дубна»;
         Пономарев А.В., д-р физ.-мат. наук, заместитель директора Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН




       Захаров В.С.
З38 Физика Земли : учебник / В.С. Захаров, В.Б. Смирнов. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 328 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/18637.
          ISBN 978-5-16-010686-1 (print)
          ISBN 978-5-16-104034-8 (online)
          Учебник представляет собой введение в проблематику, которой занимается физика Земли. В нем рассматриваются основные методы изучения строения Земли и процессов, протекающих в ней. В настоящем учебнике представлены все основные разделы физики Земли: геохронология, теория гравитационного поля и фигуры Земли, сейсмология, геотермия, теория магнитного поля, а также теория эволюции и современной динамики Земли. Приведены необходимые сведения из механики сплошной среды, реологии и физики твердого тела. В основу изложения материала положено традиционное для физики Земли рассмотрение физических основ явлений и процессов.
          Учебник составлен на основе лекций, которые авторы читают на геологическом и физическом факультетах МГУ, а также в Университете «Дубна».
          Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
          Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 05.03.01 «Геология», а также для студентов, аспирантов геолого-геофизического направления, специалистов в области наук о Земле и для всех интересующихся данной тематикой.
УДК 550.3(075.8)
ББК 26.2я73

ISBN 978-5-16-010686-1 (print)
ISBN 978-5-16-104034-8 (online)

© Захаров В.С., Смирнов В.Б., 2016

                ВВЕДЕНИЕ





   Физика Земли является одним из основных разделов современной геофизики. Главная задача физики Земли заключается в прояснении вопроса о том, как сформировалась и как эволюционировала наша планета. Ответ на этот вопрос требует, в свою очередь, решения двух важных вопросов. Первый — каково строение современной Земли; второй — более сложный — как сформировалась «устроенная» таким образом планета?
   Методической основой физики Земли являются современные представления теоретической и экспериментальной физики для исследования Земли. На начальных этапах развития физики Земли как науки это были в основном механистические представления, опирающиеся на законы всемирного тяготения и упругости. В современной физике Земли к механике добавились представления таких основных современных разделов физики, как физика твердого тела, физика конденсированного состояния вещества, квантовая механика, нелинейная динамика сложных систем и др. Для количественного описания физических процессов, развивающихся в Земле, используются общие и специальные разделы современной математики — уравнения математической физики, тензорный анализ, теория обратных задач.
   Физический подход к изучению нашей планеты привел к появлению и развитию геофизики. В настоящее время геофизика состоит из ряда направлений, связанных с изучением отдельных оболочек: атмосферы, гидросферы, земной коры (разведочная геофизика). Понимание физики Земли важно не только для формирования обоснованных представлений о развитии нашей планеты в прошлом и в будущем. Оболочки Земли — гидросфера и атмосфера — выделились из тела Земли в процессе ее эволюции, а их современное состояние и динамика тесно связаны с процессами в недрах планеты. Наконец, развитие исследований соседних планет делает физику Земли главной частью более общей научной дисциплины — физики планет. В свою очередь, изучение строения и физических полей других планет Солнечной системы помогает лучше понять также и эволюцию Земли.
   Современные ресурсы Человечества недостаточны для проведения активных физических экспериментов в масштабе Земли, поэтому основным источником эмпирической информации в физике Земли являются данные геофизических наблюдений. Это прежде всего — данные регистрации основных геофизических полей — гравитационного, теплового и магнитного, а также данные сейсмо

3

логии, которая является одним из основных инструментов для построения моделей Земли. Для получения необходимой геофизической информации проводятся:
• наземные и космические гравитационные наблюдения;
• сейсмологические наблюдения за распространением объемных и поверхностных волн, собственными колебаниями Земли;
• изучение магнитного поля Земли (геомагнитная съемка);
• изучение электропроводности (магнитотеллурические и другие методы);
• геотермические наблюдения (измерения теплового потока, теплофизических параметров и др.);
• радиоизотопные исследования;
• геохимические исследования;
• реологические исследования;
• изучение свойств вещества при высоких давлениях.
   Задача учебной дисциплины «Физика Земли» — дать обучающимся понимание теоретических основ физических процессов, протекающих в недрах Земли; знания о внешних геофизических полях и методах их изучения; знания о внутреннем строении Земли; дать представление о методах построения моделей Земли; ознакомить с методами изучения истории формирования и эволюции нашей планеты.
   Дисциплина «Физика Земли» базируется на курсах таких естественно-научных дисциплин, как «Высшая математика», «Физика», «Современное естествознание», «Общая геология», «Геотектоника».
   Фактическая информация о строении Земли и ее отдельных регионов, связь геофизических полей и их вариаций с процессами внутри Земли, полученные методами физики Земли, являются фундаментальной основой для геодинамических исследований и моделей. Знания, полученные в результате освоения дисциплины «Физика Земли» могут использоваться при изучении дисциплины «Геодинамика», в геологических и геодинамических исследованиях.
   В учебнике рассматриваются основные разделы физики Земли: геохронология, реология вещества Земли, гравитационное поле Земли, основы сейсмологии, модели Земли (распределение параметров в Земле), геотермия, глобальная энергетика и модели эволюции Земли, магнитное поле и электропроводность Земли, а также основные темы геодинамики и глобальной тектоники.
   Процесс изучения учебной дисциплины «Физика Земли» направлен на формирование элементов следующих компетенций:
• универсальных (УК): УК-1, УК-2;
• общенаучных (ОНК): ОНК-1, ОНК-2, ОНК-5;
• профессиональных (ПК): ПК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-11, ПК-21, ПК-22.

4

   В результате освоения дисциплины «Физика Земли» обучающийся должен знать:
• строение, состав, свойства основных оболочек Земли;
• основы сейсмологии, гравитационное и магнитное поля Земли;
• реологические характеристики Земли;
• методы изучения внутреннего строения Земли и ее внешних полей;
• методы построения моделей Земли;
• историю развития и эволюцию Земли;
• физические характеристики и физические процессы в недрах Земли; их связь с геотектоникой и геодинамикой.
   Кроме того, после освоения дисциплины «Физика Земли» обучающийся должен уметь применять:
• полученные теоретические знания в геологических и геодинами-ческих исследованиях;
• методы геофизических исследований, навыки построения моделей Земли.
   Авторы учебника в настоящем издании дают обзор основных задач и достижений физики Земли. Но многие проблемы современной физики Земли остаются до сих пор не решенными, что также нашло отражение в данном учебнике.

Глава 1




                ОСНОВЫ ГЕОХРОНОЛОГИИ





1.1. ПОНЯТИЕ О ГЕОХРОНОЛОГИИ
   Геохронология — раздел наук о Земле, изучающий хронологическую последовательность формирования и возраст горных пород, слагающих Землю. Различают относительную и абсолютную геохронологию.

1.1.1. Относительная геохронология
   Относительная геохронология заключается в определении относительного возраста горных пород, который дает представление о том, какие отложения в земной коре являются более молодыми, а какие — более древними, без оценки длительности времени, протекшего с момента их образования.
   Для определения относительного возраста слоистых осадочных и пирокластических пород, а также вулканических пород (лав) широко применяется принцип последовательности напластования (закон Стено). Согласно этому принципу, при ненарушенной последовательности залегания слоистых горных пород слой, расположенный выше, — моложе нижележащего. Относительный возраст интрузивных пород и других неслоистых геологических образований определяется на основании законов Хаттона: закона пересечений (секущая магматическая порода всегда моложе той породы, которую она рассекает) и закона включений (включение всегда старше вмещающей ее породы) (Хаин и др., 1997).
   Эти принципы анализа взаимоотношений слоистых толщ и изверженных пород дают возможность правильно выявить относительную последовательность геологических событий (Короновский, 2006). Из указанной последовательности можно установить, что такие метаморфические события, как нагревание, воздействие давлением или флюидами — всегда моложе тех толщ, в которых они проявляются. Аналогично складчатость всегда моложе, чем слои, на которые она воздействует.
   Послойное расчленение геологического разреза, т.е. установление последовательности напластования слагающих его пород, представляет собой стратиграфию данного района. Для сопоставления стратиграфии различных районов и выявления в них слоев близкого возраста используется палеонтологический метод, который основан на изучении захороненных в пластах горных пород окаменевших останков вымерших животных и растений (морских раковин, отпе

6

чатков листьев и т.д.). Сопоставление окаменелостей различных слоев и толщ позволило установить процесс развития органического мира и выделить в геологической истории Земли ряд этапов со свойственным каждому из них комплексом животных и растений. Таким образом, сходство флоры и фауны в слоях осадочных пород указывает на одновременность образования этих слоев.
   Впервые метод определения относительного возраста горных пород был применен в начале XIX в. У. Смитом в Великобритании и Ж. Кювье во Франции.

1.1.2. Абсолютная геохронология
   Абсолютная геохронология устанавливает так называемый абсолютный возраст горных пород, т.е. возраст, отсчитываемый от настоящего момента и выраженный в единицах времени, обычно в миллионах лет.
   Принцип измерения времени в геологии тот же, что и в повседневной жизни — для этого используется некоторый процесс, обладающий естественным неизменным масштабом времени. Однако для геологического времени, из-за его длительности, возникает ряд серьезных проблем. Во-первых, геологические «часы» должны гарантировать постоянство своего хода в течение нескольких миллиардов лет. Во-вторых, внешняя среда не должна оказывать никакого влияния на отсчет времени. Таким образом, на геохронологию, составляющую основу изучения истории Земли, накладываются очень жесткие ограничения.
   В макромире не удалось найти такие «часы», которые бы позволяли надежно устанавливать возраст горных пород, время проявления и длительность геологических процессов (Короновский, 2003; Озима, 2003). Открытие в 1896 г. А. Беккерелем явления радиоактивного распада позволило разработать метод, который удовлетворяет этим требованиям. Было установлено, что радиоактивный распад происходит одинаковым образом как на нашей Земле, так и вне нее и не зависит от температуры, давления (P— T условий), химических реакций, фазовых преобразований и т.п. На этом основании в 1902 г. П. Кюри и Э. Резерфорд независимо друг от друга предложили способ использования радиоактивного распада в качестве измерителя геологического времени.
   Процесс радиоактивного распада в квантовой механике описывается через вероятность преодоления потенциального барьера частицами атомного ядра. Энергии так велики, а размеры ядра так малы, что обычные физические условия, в том числе любые давления и температуры глубоких недр Земли, не влияют на вероятность распада ядра. Наиболее сильным является воздействие космического излучения, достигающего Земли: энергии этого излучения вполне

7

достаточно, чтобы изменить ход радиоактивных процессов. Однако для геохронологических задач реальные затруднения возникают при этом лишь в оценке возраста метеоритов; для земных пород в силу их глубокого залегания указанным воздействием можно пренебречь.
   Первые определения возраста по отношению изотопов Pb/U были сделаны в США Б. Болтвудом уже в 1907 г. Для образцов уранита были получены значения возраста от 410 до 535 млн лет, которые хорошо согласуются с более поздними датировками.
   При радиоактивном распаде испускаются три вида компонентов, которые обозначаются буквами греческого алфавита — a, b и g: a-частицы являются быстродвижущимися ядрами гелия, b-частицы — быстрыми электронами, g-лучи представляют собой высокоэнергетическое электромагнитное излучение. По наименованию частиц, испускаемых радиоактивными элементами, названы соответствующие типы радиоактивного распада.
   Альфа (а)-распад испытывают только тяжелые химические элементы. Распад ядра сопровождается испусканием а-частицы (иона ₂⁴He) и образованием нового ядра, в котором нейтронов и протонов на два меньше.
   Бетта (b) - распад состоит в том, что ядро самопроизвольно испускает b-частицу — электрон, характеризующийся отрицательным зарядом, и нейтральную элементарную частицу — антинейтрино (v). Новообразованный электрон выбрасывается из ядра, а возникшее новое ядро будет обладать зарядом на единицу большим.
   K — захват (электронный захват). При этом типе распада, ядро захватывает электрон из ближайшего к нему K-уровня электронного облака. В ядре электрон соединяется с протоном и превращает его в нейтрон. В итоге заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число остается неизменным.
   Спонтанное (самопроизвольное) деление ядра на два, сравнимых по массе осколка, является свойством очень тяжелых ядер. Оно было открыто К.А. Петржаком и Г.Н. Флеровым в 1940 г. Процесс этот — очень медленный: например, на 2 230 000 а-распадов ²³⁸U приходится всего один акт спонтанного деления.
   Для всех видов радиоактивных превращений справедлив общий закон радиоактивного распада.

1.2. ГЕОХРОНОЛОГИЯ НА ОСНОВЕ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ

1.2.1. Закон радиоактивного распада
   Процесс распада радиоактивных атомов описывается известным уравнением


8

dN dt

= -ЛN ,

(1.1)

где N — число атомов; l — постоянная распада. Это означает, что число распадов за единицу времени (скорость распада) прямо пропорционально числу N имеющихся к данному моменту времени атомов. Следует отметить, что явление радиоактивного распада описывается этой формулой статистически, не учитывая особенностей внутреннего строения атомных ядер.
   Интегрирование уравнения (1.1) для начального числа ядер N₀ при t = 0 дает основное уравнение, используемое для всех определений возраста радиоактивными методами
N = N0e"zt.                   (1.2)
   Скорость распада A= dN / dt подчиняется такому же уравнению
A = Ae-Xt,                    (1.3)
где A₀ — начальная скорость распада.
   Для характеристики скорости процесса, кроме постоянной l, используют период полураспада T1/2 — время, за которое количество исходного вещества уменьшается вдвое:
N(Тц2) = N0 / 2 = N0 e⁻х т* .
   Логарифмирование этого соотношения дает


in ln 2 0,693
T12    >     >

(1.4)

   Основной закон радиоактивного распада (1.2) используется для определения абсолютного возраста горных пород. В процессе радиоактивного распада исходных элементов образуются новые элементы — продукты распада (табл. 1.1).


Таблица 1.1

Схемы распада и значения констант для радиоактивных изотопов, используемых в геохронологии

Исход- Дочер- Продук-   Констан-                      Теплоге- 
 ный    ний   ты рас-  та распада  Период полураспа-  нерация  
изотоп изотоп  пада     l, год-1     да Т1/2, лет     (Вт/кг)  
 238U  206Pb  8a + 6b 1,55 • 10-10    4468 • 106     9,4 • 10-5
 235U  207Pb  7a + 4b 9,85 • 10-10     704 • 106     5,7 • 10-4

9

Окончание табл. 1.1

Исход- Дочер- Продук-    Констан-                       Теплоге- 
 ный    ний   ты рас-   та распада  Период полураспа-   нерация  
изотоп изотоп   пада     l, год-1     да Т1/2, лет      (Вт/кг)  
232Th  208Pb  6a + 4b  4,95 • 10-11   14 010 • 106     2,7 • 10-5
 87Rb   87Sr     b     1,42 • 10-11 48 800 • 106          ---    
147Sm  143Nd     a     6,54 • 10-12   106 000 • 106       ---    
 40K    40Ca     b     4,96 • 10-10 1400 • 106 }1250 • 2,8 • 10-5
        40Ar   захват  5,81 • 10-11 11900•106    106      ---    
              электро-                                           
                 на                                              
 39Ar   39K      b     2,57 • 10-3         269            ---    
176Lu  176Hf     b     1,94 • 10-11   35 000 • 106        ---    
187Re  187Os     b     1,52 • 10-11 45 600 • 106          ---    
14C     14n      b     1,21 • 10-4        5730            ---    

1.2.2. Формула для определения возраста пород
   Для определения абсолютного возраста Земли необходимо измерить концентрацию N атомов исходного вещества и концентрацию D атомов образовавшегося (дочернего) вещества при условии сохранения того и другого
D = N0 - N = N0 (1 - e"zt).
   Взяв отношение D/N, избавляемся от неизвестной начальной концентрации N₀

D = N (ez t -1).

(1.5)

   Уравнение (1.5) связывает число дочерних атомов с числом исходных атомов, измеренных в один и тот же момент времени t. Это позволяет определить время, прошедшее с начала распада


ln(1 + D / N) X

(1.6)

   или, используя период полураспада, получаем


t ₌ ln(1 + D / N )Ti/2 0,69315

10