Физика Земли

Физика Земли, как показывает само название дисциплины, является, в основном ветвью прикладной физики, той ее ветвью, которая изучает физические свойства Земли, физические и физико-химические процессы, протекающие в недрах нашей планеты. Поэтому совершенно естественно, что основные приемы решения задач, стоящих перед этой дисциплиной, являются в своей основе физическими. Методы физики Земли базируются на методах физики. Таким образом, все, что сказано в предыдущих разделах о физических методах, применимо и к физике Земли.

Однако, имея в своей основе физические методы, методы исследования, применяемые физикой Земли, имеют и свою специфику, обусловленную особенностями объекта изучения, особенностями стоящих перед этой отраслью знаний конкретных проблем, особенностью тех конкретных условий, в которых протекает работа исследователя в этой области.

Основная специфика методов физики Земли вытекает из следующих объективно существующих, присущих этой области исследования особенностей.

В физике Земли чрезвычайно затруднено прямое проникновение во внутренние части объекта исследования. Реальное проникновение человека или посылаемых им приборов в настоящее время ограничивается первыми десятью километрами глубины при радиусе Земли в 6370 км. Здесь мы имеем ярко выраженное отличие от других областей геофизики, таких, как физика моря и физика атмосферы, где объект изучения в настоящее время доступен прямому проникновению в любую его область.

В физике Земли крайне ограничены возможности активного воздействия исследователя на объект исследования. Здесь, например, невозможно создание магнитных полей для активного воздействия на достаточно большие глубины Земли с целью их изучения. То же касается электрических полей, механического воздействия и т. п. Таким образом, исследователь большей частью вынужден изучать уже существующие природные поля, естественно протекающие природные процессы, наблюдая их проявление на или вблизи поверхности Земли. Это приводит к преобладанию, если так можно сказать, «пассивных» методов исследования, к необходимости иметь дело с решением преимущественно обратных физических (и математических) задач, которые, как правило, не имеют однозначного решения. Более того, очень часто приходится иметь дело с классом так называемых «некорректно поставленных задач», когда малым изменениям поля во внешнем пространстве (которые и наблюдаются) отвечают сколько угодно большие изменения внутри изучаемого объекта.

Как следствие этих особенностей, в физике Земли создается часто ситуация, когда суждение о правильности того или иного положения невозможно вынести на основании какого-либо одного решающего доказательства, решающего аргумента. Большей частью в физике Земли приходится идти по линии собирания разного рода многочисленных свидетельств за или против данного вывода, свидетельств часто косвенных, допускающих многочисленные истолкования, и делать вывод на основе всей совокупности данных доказательств, учитывая их вес, их достоверность. В этом смысле ситуация в физике Земли часто напоминает ситуацию в геологии или в медицинской диагностике.

Все изменения во внутренних частях земного шара, все процессы протекают, за сравнительно редкими исключениями, чрезвычайно медленно; это, с одной стороны, облегчает задачу изучения структуры Земли, но создает весьма большие трудности при изучении процессов формирования Земли, ее дальнейшего развития, формирования и развития земной коры, переноса вещества, а следовательно, проблемы образования и размещения полезных ископаемых. Такие первостепенной важности процессы, как образование континентов и океанов, образование гор, процессы «вековых» движений земной поверхности, процессы подготовки землетрясений и вулканических извержений, протекают чрезвычайно медленно.

В физике Земли приходится иметь дело с объектом, который в течение длительного развития прошел через сложные преобразования структуры в результате целого комплекса различных физических и химических процессов. Преобразования эти, как правило, необратимы и неповторимы. Каждый природный эксперимент, с результатами которого мы сталкиваемся в физике Земли, в сущности уникален, не воспроизводим. В этом огромное отличие от обычных условий физических исследований, где характерна именно воспроизводимость эксперимента. Конечно, и в физике Земли элементарные физические или физико-химические процессы воспроизводимы, но сложные преобразования структуры земного шара, имевшие место в его истории, не могут быть повторены. Таким образом, здесь в физику Земли вторгается элемент историчности, сближающий ее с геологией. Соответственно и в методах первой появляется на определенных этапах некоторая общность с методами геологии, несмотря на огромную разницу в подходах этих двух наук к изучению Земли. Эта общность проявляется везде, где физика Земли получает возможность подходить к решению проблемы развития нашей планеты. Примерами могут быть палеомагнитные исследования, проблемы тепловой истории Земли.

Конечно, при всей уникальности, неповторимости конкретных процессов, происходящих в теле Земли и преобразующих ее структуру, в каждой группе процессов есть и нечто общее, характерное для группы в целом. Так, например, при наличии на Земле нескольких континентов, каждый из которых имеет свою уникальную структуру, прошел свой конкретный специфический путь развития, все они обладают и рядом общих черт. В частности, все они характеризуются особым типом земной коры, называемым континентальным. И хотя континентальная кора различна в разных местах, у нее есть и то общее, что позволяет ее отличать от коры иного типа — например, океанической. Хотя каждая геосинклинальная область очень специфична, очень индивидуальна в своем развитии, тем не менее у них всех есть то общее, что и позволяет выделять геосинклинальный тип развития земной коры.

Вполне закономерно, что внимание исследователей в первую очередь сосредоточивается на изучении именно этих общих черт, на изучении физической природы процессов, ответственных за эти общие черты. Изучение же причин индивидуальных отклонений — это уже по существу второй этап исследования. Но именно он и даст объяснение конкретному процессу формирования структуры нашей планеты. Так, например, сперва неизбежно должен быть найден ответ на вопрос, почему вообще возникает несколько типов земной коры, и уж последующим этапом будет выяснение причин конкретного, исторически возникшего на Земле размещения участков коры разного типа. Если можно думать, что ответ на первый вопрос будет в значительной мере общим для целой группы родственных планет, то решение второй проблемы будет каждый раз носить индивидуальный характер.

Наконец, необходимо отметить еще одно специфическое обстоятельство, характерное для исследований в области физики Земли. В недрах Земли мы имеем дело с веществами, находящимися в условиях высоких температур и давлений. Давления от подошвы земной коры до центра Земли заключены в диапазоне 10 000— 4 000 000 атм, температуры — в диапазоне 500—10 000° С. При современном состоянии физического эксперимента можно довольно хорошо изучать состояние вещества до давлений 200 000 атм. Кратковременные нагрузки можно осуществлять и в миллионы атмосфер, но такие нагрузки длятся микросекунды, поэтому результаты подобных экспериментов должны использоваться с большой осторожностью. Что касается теории, то, к сожалению, именно этот диапазон температур и давлений наиболее труден для теоретических расчетов. Хорошо развитые статистические методы начинают работать при давлениях на порядок выше. Таким образом, эти методы очень удобны и эффективны при изучении внутреннего строения и процессов в таких объектах, как звезды, но малопригодны при изучении планет типа Земли.

И последнее обстоятельство, состоящее в том, что до настоящего времени объект исследования — планета Земля — был уникален. Только последние успехи в запуске космических станций на Луну и Венеру позволяют резко изменить в ближайшем будущем эту ситуацию. Можно надеяться, что такой основной метод изучения, как метод сравнения и сопоставления, займет надлежащее ему место и в физике Земли, которая в этом случае станет частью уже более общей науки — физики планет.

До настоящего времени основными источниками информации в физике Земли служили данные сейсмологии, гравиметрии совместно с геодезией и спутниковыми наблюдениями, данные земного магнетизма и геотермики. Наконец, большое количество информации о самых верхних частях Земли давала геология. Все эти источники информации в той или иной мере были подвержены влиянию вышеперечисленных факторов.

Наиболее полную информацию до настоящего времени давала сейсмология. Однако и здесь мы имеем яркое проявление того, как специфика исследований приводила к специфике в методах.

Основной метод изучения внутренних частей Земли заключается в прослеживании закономерностей прохождения упругих волн через тело планеты. Эти волны возникают при естественных землетрясениях и искусственных взрывах. На первый взгляд, это тот же метод, что хорошо известный в физике и технике метод просвечивания объекта исследования, например, акустическими волнами. На самом же деле между этими методами существуют весьма заметные различия.

В случае Земли мы не в состоянии задать нужного режима колебаний, не в состоянии вести просвечивание в собственном смысле слова. Как правило, волны не просвечивают объект, а, дойдя до некоторой глубины, снова возвращаются на поверхность, откуда они и были посланы. В огромном большинстве случаев мы не в состоянии вести просвечивание в нужных нам местах в нужное время. Только в сейсмической разведке это еще в какой-то мере соблюдается, при изучении же больших глубин до настоящего времени пользовались источниками волн или естественными или искусственными, но создаваемыми в совершенно иных целях. Мы не в состоянии сколько-нибудь полно избавиться от помех, создаваемых многочисленными границами в теле Земли и ее поверхностью, это крайне осложняет всю волновую картину. И, наконец, что самое важное, мы не можем помещать источник волн внутрь объекта на разные глубины и тем самым произвести буквальное просвечивание интересующей нас толщи Земли. Только исключительно редко, когда в данном районе очаги землетрясений располагаются на существенно разных глубинах, мы в какой-то мере приближаемся к лабораторному эксперименту. В огромном же большинстве случаев приходится иметь дело с решением по существу обратной задачи с неоднозначным в принципе результатом. Каждый слой пониженных скоростей сейсмических волн внутри Земли приводит к положению, в котором решение становится принципиально неоднозначным. Например, такая обстановка возникает на границе земного ядра. Все применяемые при этом приемы с целью обойти трудности (прием приведения наблюдений к поверхности ядра и др.) создают только видимость благополучия, так как подразумевают экстраполяцию наблюдений внутрь зоны тени. Таким образом, и сейчас, например, нет уверенности в справедливости наших представлений о строении внешних частей ядра Земли.

Неопределенность, возникающая при интерпретации даже основных сейсмологических данных, заставляет искать другие виды информации о строении внутренних частей Земли. В настоящее время в качестве таких дополнительных данных обычно используют данные об электропроводности Земли, получаемые в результате наблюдений за вариациями земного магнитного поля. Только сопоставление этих двух совершенно независимых источников информации позволяет говорить, что основные черты внутреннего строения Земли известны нам достаточно уверенно.

Еще большие трудности возникают при попытках найти такие основные механические характеристики главных оболочек Земли, как плотность и упругие константы. Гравиметрические данные (или в последние годы данные наблюдений за движениями искусственных спутников Земли) при их интерпретации позволяют определить только так называемые стоксовы постоянные Земли (к ним, например, относятся масса и момент инерции). Однако привлечение даже этих дополнительных данных не снимает неоднозначности. Поэтому все попытки определить ход плотности внутри Земли всегда приводили к необходимости введения некоторых дополнительных гипотетических положений, таких, как предположение об однородности тех или иных слоев Земли, как величина скачка плотности на границе земного ядра или некоторые другие. В итоге всегда получался не истинный закон изменения плотности внутри Земли, а только более или менее вероятная гипотеза.

Для отбора наиболее правдоподобной гипотезы требовалось привлечение еще новой дополнительной информации. В последние годы такой информацией явились данные наблюдений за свободными колебаниями Земли. Их использование оказалось возможным благодаря успехам современной вычислительной техники. Однако и здесь мы не выходим за рамки решения обратных задач. Применяемый метод сводится в сущности к методу подбора решения, наиболее близко удовлетворяющего данным наблюдений. Конечно, такой подход в состоянии отсеять все неверные решения, но нет никакой гарантии, что получаемое наилучшее решение в то же время и единственно возможное.

Во всей этой проблеме проявляется принципиальная особенность той ситуации, с которой исследователь сталкивается при изучении земных недр, — невозможность проникновения внутрь объекта и использования прямых средств решения. Остается столь характерный для физики Земли метод исследования при помощи решения обратных задач со всеми их особенностями.

Совершенно специфические трудности связаны с медленностью процессов. Эти трудности выявляются уже на простейшем примере определения таких механических свойств вещества Земли, как вязкость, прочность, как различные уклонения свойств материала Земли от свойств идеально упругого тела.

Известно, что все эти эффекты связаны с нарушением идеальной решеточной структуры в твердых телах. Такими нарушениями могут быть, например, существование границ между зернами, точечные дефекты типа вакантных узлов и атомов в междоузлиях, появление в узлах атомов других веществ, различные дислокации. Теоретический обсчет этих эффектов неупорядоченности чрезвычайно труден и до настоящего времени практически невыполним. В физике эта ситуация ведет к широкому применению феноменологических методов, когда теоретически устанавливается характер закономерности, а численные параметры берутся из эксперимента (нередко и сами закономерности получаются на основе формального математического обобщения экспериментальных данных). Естественным представляется применение этих же методов и в физике Земли.

К сожалению, здесь возникает часто затруднение, связанное с тем, что часть таких явлений (как, например, затухание сейсмических волн) действительно поддается экспериментальному анализу, но другие явления, как, например, механизм восстановления изостатистического равновесия, таким путем не могут быть прямо проанализированы. Дело в том, что множество механизмов, ведущих к уклонениям от упругости (их сейчас насчитывают около двадцати), действуют в существенно разных диапазонах частот, температур и давлений. Таким образом, опыты, длящиеся даже несколько лет, над материалами, четко проявляющими уклонения от идеальной упругости, не дают оснований считать, что мы вскрыли физическую природу изучаемого явления в недрах Земли даже если формы математического описания обоих явлений (лабораторного эксперимента и природного явления) практически совпадают. Перенесение численных параметров эксперимента на явление других временных масштабов в природе может привести к существенно неправильному пониманию явления. Так, в опытах на ползучесть в первом нелинейном участке ползучести материалов могут проявляться самые разнообразные механизмы, но совершенно не безразлично, взят ли этот участок из опыта, длившегося дни, месяцы, даже единицы лет или из явления, длившегося сотни, тысячи и более лет. При кажущемся сходстве математического описания механизм явления может быть качественно различным. В одном случае это может быть деформация обратимая, в другом— полностью необратимая. Эффект в применении к Земле будет совершенно другим, разными будут геологогеофизические выводы. Здесь мы встречаемся со случаем практической невоспроизводимости процесса в лаборатории.

Эти трудности привели к тому, что данные области являются одними из наименее разработанных в физике Земли. Особенность методического подхода здесь сводится большей частью к тому, что, исходя из общих теоретических представлений, предлагается физическая гипотеза, объясняющая природу изучаемого явления. И затем, пользуясь аппаратом, вытекающим из гипотезы, анализируют имеющиеся геофизические данные и приходят к выводу о непротиворечивости данной гипотезы результатам наблюдений как с точки зрения описания хода явлений, так и с точки зрения получаемых численных параметров. Такой метод широко распространен не только при изучении некоторых механических свойств.

Именно такой метод принят в настоящее время при объяснении такого важнейшего для физики Земли явления, как происхождение главного магнитного поля Земли и его вариаций. Доказательство теории гидромагнитного динамо покоится в сущности на непротиворечивости этой гипотезы основным наблюдательным данным. Здесь мы имеем очень показательную ситуацию, когда последовательное, строгое приложение гипотезы вошло в противоречие с основным положением, которое до сих пор лежало в ее основе. Оказалось, что предположение о тепловой конвекции в жидком металлическом ядре количественно несовместимо с требованиями гипотезы. В связи с этим сейчас высказывается новая гипотеза о механической конвекции в ядре. Однако сколь она удачна, покажет будущее, она уже и сейчас встречается с рядом возражений, хотя бы таким, как примерное сохранение интенсивности магнитного поля.

Уникальность, сложность природных процессов ведет еще к одной методической особенности — к ограничению области применения моделирования в физике Земли. Хотя в ряде случаев моделирование дает неплохие результаты, зачастую попытки моделирования вызывают большие сомнения. Слишком отличаются условия моделирования от условий в природе, даже при соблюдении всех условий механического подобия. Дело в том, что длящиеся в природе тысячи и миллионы лет процессы никогда не бывают чисто механическими, и, кроме того, даже при надлежащем численном подборе механических параметров мы почти всегда будем сталкиваться со случаем, что хотя параметры вязкости, прочности и другие подобраны в’соответствии с критериями подобия, но физическая природа этих явлений в модели и в природе будет в значительной мере различна. Другим ограничивающим фактором и тут является неоднозначность, выражающаяся в том, что нередко похожие результаты могут быть получены разными путями.

Вторжение исторического элемента, как отмечалось, ведет к выработке некоторого синтеза геологического и физического метода. Наиболее ярко это, пожалуй, проявляется в палеомагнетизме. По существу это геологический метод — метод восстановления обстановки прошлых геологических эпох по следам этой обстановки, запечатленным в горных породах. Только в данном случае восстанавливается такая чисто физическая характеристика давно ушедшей эпохи, как ее магнитное поле. Естественно, что техника восстановления покоится на физических и геофизических принципах. Здесь геологическая методика осуществляется очень тонкими физическими средствами. Но дело не только в этом, геология и раньше широко пользовалась средствами физики, химии, биологии. Здесь переплетение гораздо глубже, гораздо более органическое. Этот геологический метод приводит к постановке крупнейших физических или геофизических проблем — физической проблемы о природе стабильности намагниченности горных пород и геофизической проблемы о природе таких геофизических явлений, как обращение полярности магнитного поля Земли, как систематическое различие в данных, получаемых для разных континентов.

Нам представляется, что здесь мы впервые в ярко выраженной форме столкнулись с синтезом задач, проблем и методов геофизики и геологии. Такой синтез представляется в будущем не только желательным, но и неизбежным и по всем другим линиям, к нему, видимо, следует стремиться. Конечно, при этом в какой-то мере будут претерпевать изменение и сами методы как в геофизике, так и в геологии. Методы геологии, можно думать, станут более физическими, изменятся сами требования к сбору геологического материала, будут требоваться, томимо сейчас собираемых данных, новые данные. Например, совершенно ясно уже и сейчас, что при отборе образцов и кернов должна тщательно фиксироваться их пространственная ориентировка, чтобы эти материалы не пропадали для палеомагнитного анализа и др. С другой стороны, самые тонкие эксперименты и физические теории, касающиеся физических и физико-химических процессов в горных породах и минералах в условиях высоких давлений и температур с учетом огромной длительности процессов, если они не будут проведены, не будут приложены с учетом конкретной историко-геологической обстановки, не дадут желаемого. Ведь задача состоит не просто в том, чтобы изучить возможные механизмы превращений, возможные преобразования состояния вещества, структуры, а в том, чтобы объяснить процесс образования конкретной исторически сложившейся структуры конкретной планеты — Земли, в будущем и других планет, но всегда не абстрактно мыслимой, а данной, конкретной, единственной в своем своеобразии планеты. Таким образом, и для физики Земли неизбежен в будущем подход, характерный в принципе для геологии.

Конечно, сейчас трудно сказать, как в будущем пойдет синтез физики Земли и геологии, какие он примет формы, что у них станет общим, что останется своим, специфическим. Но нам представляется, что такой синтез объективно неизбежен. Задача у обеих наук общая — вскрыть законы формирования и развития планеты и их конкретно-историческое осуществление для случая Земли со всеми вытекающими познавательными и практическими следствиями.