Викулин А.В. Физика Земли и геодинамика
Подождите немного. Документ загружается.
КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ВИТУСА БЕРИНГА
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ГЕОГРАФИИ, ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ
ИНСТИТУТ ВУЛКАНОЛОГИИ И СЕЙСМОЛОГИИ ДВО РАН
ФИЗИКА ЗЕМЛИ
И
ГЕОДИНАМИКА
Допущено УМО по классическому университетскому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальности 020302 Геофизика
Петропавловск – Камчатский 2009
УДК 528.2+550.3+551.1
ББК 26.891
Рецензенты:
Ведущий научный сотрудник сектора геодинамики Музея землеведения МГУ
доктор геол. - мин. наук
Ю.И. Галушкин
Заведующий сектором геодинамики Музея землеведения МГУ
доктор технических наук
Е.П. Дубинин
Викулин А.В.
Физика Земли и геодинамика. Учебное пособие для геофизических специальностей
вузов. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамГУ
им. Витуса Беринга, 2008. 463 с.
ISBN 5-7968-0358-1 (978-5-7968-0358-5)
Книга является вторым, переработанным, изданием «Введения в физику Земли»,
вышедшего в свет в Петропавловске-Камчатском в 2004 г.
Книга состоит из двух частей. Первая часть включает все ставшие уже
классическими разделы физики Земли: «Материя. Движение», «Фигура Земли и ее
внутреннее строение», «Физика землетрясений», «Строение и состояние Земли
по данным
сейсмологии», «Плотность, сила тяжести и давление внутри Земли», «Гравитационное
поле Земли», «Геомагнитное поле», «Тепловое поле Земли», «Реология Земли, природа ее
основных слоев и разделяющих их границ».
Вторая часть книги «Введение в «вихревую» геодинамику» является разделом,
написанным на основании новых научных результатов, полученных как самим автором,
так и другими
исследователями. Эта часть книги представляет первую попытку по-
новому, с позиции важности вращательных и вихревых движений в геологии, подойти к
объяснению геодинамических процессов и «через них» к физическому состоянию недр
Земли.
Допущено Учебно-Методическим Объединением по классическому
университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по
специальности 020302 Геофизика.
ISBN 5-7968-0358-1 (978-5-7968-0358-5)
© Викулин А.В.
© КамГУ им. Витуса Беринга
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
(из введения к изданию 2004 г.)
«… и все-таки она вертится»
Галилео Галилей
Несколько лет тому назад при Камчатском государственном педагогическом
университете (КГПУ) была открыта новая кафедра «Географии, геологии и геофизики».
Встал вопрос о преподавании предметов геофизических специальностей.
Настоящее учебное пособие составлено в полном соответствии с
программой
дисциплины «Физика Земли» для специальности 011200 «Геофизика», утвержденной
Министерством образования Российской Федерации в 2000 г. В качестве основы курса
были взяты материалы, изложенные в ставших теперь классическими монографиях Г.
Джеффриса [1960], Б. Гутенберга [1963], В.А. Магницкого [1965], Ф. Стейси [1972], М.
Ботта [1974], К.Е. Буллена [1978] и других. В этих монографиях авторы старались подать
материал так
, чтобы он, по возможности, освещал физику всех составляющих предмета,
тем самым, создавая единую картину о сложных геофизических явлениях, протекающих в
пределах всех слоев Земли. Следует сказать, что этими авторами под разными углами
зрения и с разной детальностью такая общая картина жизни Земли была создана.
Многочисленные данные, постоянно появляющиеся в геофизических
узкоспециализированных научных журналах, постоянно «высвечивают» те недоработки и
«натяжки», которые с неизбежностью всегда возникали и теперь возникают у авторов,
пытающихся построить на достаточно высоком физическом уровне единую картину
«жизни» Земли, других планет солнечной системы, звезд, галактик и всей Вселенной. В
последние годы появились монографии, авторы которых предприняли попытки
построения
достаточно общей картины геофизических процессов, протекающих на Земле
и других планетах солнечной системы, исходя из нетрадиционных представлений,
основанных на новых данных. К числу таких работ, в первую очередь, следует отнести
монографии К.Ф. Тяпкина [1998], В.В. Орленка [2000], В.В. Кузнецова [2000] и К.Г. Леви
с соавторами [2002, 2003]. Их авторы на протяжении уже
многих лет читают курсы
«Физика Земли», «Геофизика» и «Современная геодинамика и гелиогеодинамика» в
высших учебных заведениях в разных городах бывшего СССР. В этом ряду следует
выделить оригинальные монографии А.И. Дмитриевского, И.А. Володина и Г.И. Шипова
[1993] и Ю.С. Потапова, Л.П. Фоминского и С.Ю. Потапова [2000].
Интересно отметить,
что новыми, нетрадиционными моментами всех этих новых книг являются идеи,
связанные с важностью для геофизических явлений, в первую очередь, ротационных
движений.
В предлагаемой читателям книге автор предпринял попытку совместить в рамках
одного курса и «классические» и «нестандартные» (по крайней мере, в настоящее время)
представления. Новым моментом книги является
идея важности вращательного момента
блоков земной коры. Насколько это автору удалось, судить читателю.
Благодарности. Автор благодарит рецензентов сотрудников музея Землеведения
МГУ д.т.н. Ю.И. Галушкина и д.г.-м.н. Е.П. Дубинина за труд по изучению книги и
внесения в нее существенных замечаний. Автор признателен И.В.
Мелекесцеву за
дискуссии и обсуждение работы на всех ее этапах; М.А. Магуськину, А.В. Кирюхину и
В.И. Дядину за прочтение отдельных глав, замечания и дополнения; В.М. Нановскому и
С.А. Викулиной за помощь при изготовлении рисунков; Д.Р. Акмановой и Н.А. Осиповой
за помощь при подборе материалов
и построение рисунков второй части книги. Автор
признателен Е.А. Сиваеву за труд по редактированию книги.
3
ВВЕДЕНИЕ
Все основные разделы, слагающие «Физику Земли», с разной полнотой и
достаточно подробно изложены в ставших уже классическими монографиях Е.Ф.
Саваренского и Д.П. Кирноса [1955], Г. Джеффриса [1960], Б. Гутенберга [1963], В.С.
Сафронова [1969], В.Н. Жаркова, В.П. Трубицына, Л.В. Самсоненко [1971], Е.Ф.
Саваренского [1972], Ф. Стейси [1972], М. Ботта
[1974], С.А. Ушакова [1974], К.Е.
Буллена [1978], Е.В. Артюшкова [1979], В.С. Сафронова, А.В. Витязева [1983],
А.В.Витязева, Г.В. Печерниковой, В.С. Сафронова [1990], и др. Наиболее полно и
последовательно все данные по внутреннему строению и физике Земли представлены в
известных книгах В.А. Магницкого [1953, 1965], на которых, по сути, и
выросли все
российские и многие из зарубежных геофизиков.
Книга В.А. Магницкого [1965] «Внутренне строение и физика Земли»,
представляет собой законченное, последовательное и в разумных пределах взаимно
согласованное описание всех основных разделов, характеризующих внутреннее строение
Земли и ее физику. По сути, к курсу «Физика Земли», созданному В.А. Магницким, в
настоящее
время нового добавить практически нечего, поскольку он опирается на весь
экспериментальный сейсмологический и электромагнитный «наземный» материал и
данные наблюдений со спутников о внутреннем строении Земли, который в обозримом
будущем существенным образом пополнен быть не может. Сейчас, как и почти полвека
назад, в 1961 г.: «В настоящее время состояние науки в рассматриваемой области
(в
области физики Земли – А.В.) таково, что нет достаточного количества данных,
позволяющих выработать вполне обоснованную теорию развития Земли» [Магницкий,
1961, с. 33]. Подтверждением этому может служить, по сути, стереотипное переиздание
книги В.А. Магницкого [2006]. И вполне закономерно, что последние книги о физике
Земли опирались на материал, новизна которого определялась не физическими
, а
геодинамическими данными. Действительно: принципом геоизостазии [Тяпкин, 1998],
представлениями об океанизации морского дна [Орленок, 2000], гелигеодинамикой [Леви
и др., 2002, 2003], взаимодействием всех геосфер Земли [Хаин, Короновский, 2007],
физической моделью глобальной эволюции Земли [Сорохтин, Ушаков. 2002], новой
концепцией нелинейной геодинамики [Пущаровский, 2005]. Исключениями являются,
пожалуй, монографии [Физика, 1989; Кузнецов, 2000, 2008] и [Бембель, Мегеря, Бембель,
2003], в которых разрабатываются в определенном
смысле «взаимоисключающие» модели
Земли. В первых трех - модель «горячей Земли», в третьей, наоборот, модель «ледяной»
Земли.
Видимо, по этим причинам и под «велением времени» предмет «Физика Земли»
сначала, еще при жизни В.А. Магницкого, «трансформировался» в «Общую геофизику»
[Магницкий, 1995], затем в «Основы экологической геофизики» [Трухин, Показеев,
Куницын, Шрейдер, 2004] и,
впоследствии, в «Общую и экологическую геофизику
[Трухин, Показеев, Куницын, 2005], изданную в серии МГУ «Классический
университетский учебник». Возможно, от осуществленного ИФЗ РАН под редакцией
А.О. Глико переиздания книги В.А. Магницкого [2006] в ближайшие годы можно будет
ожидать на основании новых, полученных в течение последних сорока лет, данных
переноса экологической направленности
курса опять в сторону Физики.
В 70-х годах прошлого века изучение процессов, протекающих на Земле,
фактически, стало происходить, в основном, «под флагом Геодинамики» [Артюшков,
1979; Николаевский, 1996; Теркот, Шуберт, 1985; Шейдеггер, 1987]. Появились новые
обстоятельные фундаментальные работы и курсы [Гончаров и др., 2005; Короновский,
2006; Хаин, Ломизе, 1995, 2005]. Попытка совмещения Физики Земли с Геодинамикой
была предпринята
в учебном пособии [Викулин, 2004]. Такое «перераспределение весов»,
на взгляд автора, произошло, в том числе и под влиянием популярнейшей в последние
десятилетия Новой глобальной тектоники [1974].
4
Другие обстоятельства, способствовавшие такому «перераспределению весов»,
были связаны с установлением блокового характера геологической [Пейве, 1961] и
геофизической [Садовский, 2004] сред, построением моделей их движения [Лукьянов,
1999; Садовский, 2004; Садовский и др., 1987, 1991], включая волновые [Быков, 2000,
2005; Викулин, 2003; Курленя, Опарин, 2000; Маламуд, Николаевский, 1989;
Николаевский, 1996, 2008; Опарин, Танайно, Юшкин, 2007; Шейман, Горбунова, 2008;
Bykov, 2008], установлением вращательного движения блоков и плит земной
коры и
литосферы [Пейве, 1961; Ротационные, 2007], включая вихревые движения [Вихри, 2004;
Ли Сы-гуан, 1958; Мелекесцев, 1979; Слензак, 1972]. Возможность и необходимость
именно такого направления «совместного» развития «Физики Земли» и «Геодинамики» в
дальнейшем демонстрируется материалом, представленным в последних монографиях,
написанными выдающимися геологами современности [Короновский, 2006; Хаин,
Короновский, 2007; Пущаровский, 2005]. Впрочем, именно такое, геодинамическое,
направление развития Физики Земли
уже просматривается в работе С.А. Ушакова [1974].
Более того. На всех разрезах глубоких и сверхглубоких скважин наблюдается, по
крайней мере, для нижних горизонтов (Н ≤ 4,5 км), явное расхождение между
результатами интерпретации геофизических работ и вскрытым геологическим разломом
[Кольская, 1998, с. 217]. Эти данные позволяют предположить, что в дальнейшем успехи
Физики Земли могут
«прирастать» только Геодинамикой, во всяком случае, в обозримом
будущем.
Все эти обстоятельства и определили направленность настоящей книги: физика
Земли и геодинамика - как разделы наук о Земле, учитывающие как блоковое строение
геологической и геофизической среды, так и специфику ее движения - ротационного и
вихревого.
В первой части книги рассмотрены традиционные разделы
физики Земли:
«Материя. Движение», «Фигура Земли», «Физика землетрясений», «Строение и состояние
Земли по данным сейсмологии», «Плотность, сила тяжести и давление внутри Земли»,
«Гравитационное поле Земли», «Геомагнитное поле», «Тепловое поле Земли», «Реология
Земли, природа ее основных слоев и разделяющих их границ» (главы 1-9 соответственно),
материал в которых, за исключением главы «Физика землетрясений
», представляет, по
сути, переработанную компиляцию данных, изложенных в цитированных выше
классических работах с акцентом, где это оказалось возможным, в сторону вращательных
и вихревых движений.
Во второй части книги рассмотрены ротационные и вихревые движения, показано,
что такие движения являются основными во Вселенной (глава 10). Представлен обзор
сейсмотектонических моделей, поставлена и решена задача
об упругом поле блоковой
вращающейся среды, рассмотрены ее некоторые следствия (глава 11). Рассмотрены
некоторые нетрадиционные геодинамические модели и намечены пути их разрешения в
рамках механики (глава 12). Рассмотрена проблема № 1 (по А. Эйнштейну) в науках о
Земле – проблема ее электромагнитного поля (глава 13). Проанализирована проблема
концепции времени в геологии, выделены ее узловые, на
взгляд автора, моменты,
требующие своего решения в дальнейшем (глава 14). В последней, 15 главе приведена
хроника развития естественнонаучных представлений о ротационных и вихревых
движениях, об эфире, вакууме, торсионных полях, информации и сознании с древнейших
времен до настоящего времени. В Заключении на основании 20 тыс. летней истории
развития представлений о вихревых движениях сформулировано утверждение, согласно
которому в рамках вихревой геодинамики самым естественным образом объединяются
представления геологии с законами физики и с гипотезами зарождения и развития жизни
и социума на планете.
5
Литература
Артюшков Е.В. Геодинамика. М.: Наука, 1979. 328 с.
Бембель Р.М., Мегеря В.М., Бембель С.Р. Геосолитоны: функциональная система
Земли, концепция разведки и разработки месторождений углеводородов. Тюмень: Изд-во
«Вектор Бук», 2003. 344 с.
Ботт М. Внутреннее строение Земли. М.: Мир, 1974. 376 с.
Буллен К.Е. Плотность
Земли. М.: Мир, 1978. 442 с.
Быков В.Г. Нелинейные волновые процессы в геологических средах. Владивосток:
Дальнаука, 2000. 190 с.
Быков В.Г. Деформационные волны Земли: концепция, наблюдения и модели //
Геология и геофизика. 2005. Т. 46. № 11. С. 1176-1190.
Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-
Камчатский: КОМСП ГС РАН, 2003. 150 с.
Викулин А
.В. Введение в физику Земли. Учебное пособие для геофизических
специальностей вузов. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004. 240 с.
Витязев С.В., Печерникова Г.В., Сафронов В.С. Планеты земной группы:
происхождение и ранняя эволюция. М.: Наука, 1990. 296 с.
Вихри в геологических процессах / Ред. А.В. Викулин. Петропавловск-Камчатский:
ИВГиГ ДВО РАН, 2004. 297 с.
Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. М.: КДУ,
2005. 496 с.
Гутенберг Б. Физика земных недр. М.: ИЛ, 1963. 264 с.
Джеффрис Г. Земля, ее происхождение, история и развитие. М.: ИЛ, 1960. 485 с.
Жарков В.Н., Трубицын В.П., Самсоненко Л.В. Физика Земли и планет
. Фигуры и
внутреннее строение. М.: Наука, 1971. 384 с.
Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследования. М.: НФ
«Технонефтегаз», 1998. 260 с.
Короновский Н.В. Общая геология. М.: КДУ, 2006. 528 с.
Кузнецов В.В. Физика горячей Земли. Новосибирск, 2000. 365 с.
Кузнецов В.В. Введение в физику горячей Земли. Петропавловск-Камчатский:
КамГУ, 2008. 367 с.
Курленя
М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч.II // ФТПРПИ.
2000. № 4.
Леви К.Г., Язев С.А., Задонина Н.В., Бердникова Н.Е., Воронин В.И., Глызин А.В.,
Куснер Ю.С. Современная геодинамика и гелиогеодинамика. Учебное пособие. Иркутск:
ИрГТУ, 2002. 182 с.
Леви К.Г., Зпдонина Н.В., Бердникова
Н.Е., Воронин В.И., Глызин А.В., Язев С.А.,
Баасанджан Б., Нинжбадгар С., Балжинян Б., Буддо В.Ю. Современная геодинамика
гелиогеодинамика. 500-летняя хронология аномальных явлений в природе и социуме
Сибири и Монголии. Учебное пособие. Книга II. Иркутск: ИрГТУ, 2003. 383 с.
Ли Сы-гуан. Вихревые структуры Северо-Западного Китая. М.:
Госуд. научно-техн.
Изд-во литературы по геологии и охране недр, 1958. 132 с.
Лукьянов А.В. Нелинейные эффекты в моделях тектогенеза // Проблемы
геодинамики литосферы. М.: Наука, 1999. С. 253-287.
Магницкий В.А. Основы физики Земли. М.: Гостехиздат, 1953. 290 с.
Магницкий В.А. Внутреннее строение Земли. М.: Изд-во Знание, 1961. 40 с.
Магницкий
В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: Недра, 1965. 380 с.
6
Магницкий В.А. (ред.). Общая геофизика: Учебное пособие. М.: МГУ, 1995. 317 с.
Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли / Ред. А.О. Глико. М.: Наука,
2006. 390 с.
Маламуд А.С., Николаевский В.Н. Циклы землетрясений и тектонические волны.
Душанбе: ИССиС, 1989. 144 с.
Мелекесцев И.В. Вихревая вулканическая
гипотеза и некоторые перспективы ее
применения // Проблемы эндогенного вулканизма. М.: Наука, 1979. С. 125-155.
Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. М.: Недра, 1996. 447 с.
Николаевский В.Н. Упруго-вязкие модели тектонических и сейсмических волн в
литосфере // Физика Земли. 2008. № 6. С. 92-96.
Новая глобальная тектоника. М.: Мир, 1974. 472 с.
Опарин В.Н., Танайно А
.С., Юшкин В.Ф. О дискретных свойствах объектов
геосреды и их каноническом представлении // ФТПРПИ. 2007. № 3. С. 6-24.
Орленок В.В. Основы геофизики. Калининград: КалинГУ, 2000. 448 с.
Пейве А.В. Тектоника и магматизм // Изв. АН СССР, сер. геологическая. 1961. № 3.
С. 36-54.
Пущаровский Ю.М. Тектоника Земли. Этюды. Т. 1 «Тектоника и геодинамика.
Т.2
«Тектоника океанов». М.: Наука, 2005.
Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.:
ДомКнига, 2007. 528 с.
Саваренский Е.Ф. Сейсмические волны. М.: Недра, 1972. 296 с.
Саваренский Е.Ф., Кирнос Д.П. Элементы сейсмологии и сейсмометрии. М.: Изд-во
Технико-теоретической лит-ры, 1955. 544 с.
Садовский М.А.
Избранные труды. Геофизика и физика взрыва. М.: Наука, 2004.
440 с.
Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование
геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987. 101 с.
Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.:
Наука, 1991. 96 с.
Сафронов В.С. Эволюция допланетного облака
и образование Земли и планет. М.:
Наука, 1969. 244 с.
Сафронов В.С., Витязев А.В. Происхождение солнечной системы // Итоги науки и
техники. Серия Астрономия. Т. 24. Астрофизика и космическая физика. М.: ВИНИТИ,
1983. С. 5-93.
Слензак О.И. Вихревые системы литосферы и структуры докембрия. Киев: Наукова
Думка, 1972. 181 с.
Сорохтин О.Г., Ушаков С
.А. Развитие Земли. М.: Изд-во МГУ, 2002. 560 с.
Стейси Ф. Физика Земли. М.: Мир, 1972. 344 с.
Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики
сплошных сред. В 2-х частях. М.: Мир, 1985.
Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е. Общая и экологическая геофизика. М.:
Физматлит, 2005. 576 с.
Трухин
В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е., Шредер А.А. Основы экологической
геофизики. М.-СПб-Краснодар: Изд-во «Лань», 2004. 384 с.
Тяпкин К.Ф. Физика Земли. Киев: Вища школа, 1998. 312 с.
Физика Земли. Новый взгляд на некоторые проблемы / В.В. Кузнецов, Н.П.
Семаков, В.Н. Доровский, П.Е.
Котляр. Новосибирск: Наука, 1989. 128 с.
Шейдеггер А. Основы геодинамики. М.: Недра, 1987. 384 с.
Шейман С.И., Горбунова Е.А. Волновая природа активизации разломов
Центральной Азии на базе сейсмического мониторинга // Физическая мезомеханика. 2008.
Т. 11. № 1. С. 115-122.
7
Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М.: МГУ, 1995. 480
с.
Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М.: КДУ, 2005. 560
с.
Хаин В.Е., Короновский Н.В. Планета Земля от ядра до ионосферы. М.: КДУ, 2007.
244 с.
Bykov V. Stic-slip and strain waves in the physics of earthquake rupture: experiments and
models // Acta Geophysica. 2008. V. 56. N 2. P. 270-285.
8
ЧАСТЬ I
КЛАССИЧЕСКИЕ РАЗДЕЛЫ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ
9
10