Description:

"МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра охраны недр и рационального природопользования УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе А.К.Порцевский ФИЗИКА Земли Зарегистрировано в Федеральном агентстве по образованию (№ 5375 от 16.11.2005.) Учебное пособие для подготовки студентов по направлениям: 650200 "Технология геологической разведки", 065100 "Прикладная геология", 550600 "Горное дело" по специальностям: 080100 Геологическая съёмка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых (МПИ), 080300 Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания, 080400 Геофизические методы поисков и разведки МПИ, 080700 Технология и техника разведки МПИ, 090200 Подземная разработка МПИ, 090400 Шахтное и подземное строительство, 090500 Открытые горные работы Москва 2005 г. Введение Курс "Физики Земли" предусмотрен в Государственном Образовательном Стандарте лишь для специальности 0807 "Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых" (всего 50 часов), хотя знания о глубинных причинах, о физике геологических и геодинамических процессов в литосфере, о природе электромагнитогравитационного поля, о геологической истории Земли, о рудогенезе, о происхождении жизни, о причинах природных катастроф необходимы всем геологам, горнякам и людям, интересующимся нашей планетой. Итак, по Образовательному Стандарту высшего профессионального образования дисциплина включает следующие основные понятия: физика Земли, её место в системе наук о Земле; строение оболочек Земли; сейсмология и внутреннее строение Земли; сейсмическое районирование, прогноз; сейсмические волны, закономерности их распределения; гравитационное поле Земли; методы наблюдений, гипотеза изостазии; магнитное поле Земли, его происхождение, палеомагнетизм; магнетизм пород и минералов; тепловое поле Земли, тепловой поток, его измерение, источники тепла; вещество Земли в условиях высоких температур и давлений; развитие Земли, современные теории; космические циклы; ноосфера; учение В.И.Вернадского о биои ноосфере; физические поля как индикаторы природных и антропогенных нарушений; физико-экологические модели; новые методы экогеофизических исследований; прикладные аспекты физических явлений. Цель изучения дисциплины - получение знаний о происхождении Солнечной системы, планеты Земля, её геологической истории, о её полях и внутреннем строении. Физика Земли, по существу, включает в себя базовые сведения о гипотезах возникновения Вселенной и планеты Земля, о природе материи в двух её модификациях - поля и вещества; о едином электромагнитогравитационном поле Земли, о пространстве и времени, о связи геологической истории планеты с появлением на ней жизни и известными катастрофами. Учебное поле разбито на две части: первая обязательная по Стандарту, и вторая - внеклассное чтение, факультатив, для углублённого изучения истории Земли. Часть первая. Эволюция Вселенной Как предполагают астрофизики, в первые три минуты после Большого Взрыва температура была столь велика, что вещество состояло из электронов, протонов и нейтронов. При остывании синтезировались легкие элементы - водород (75%), а из него гелий (25%). Температура и плотность вещества быстро уменьшались, и поэтому более тяжелые элементы не успели синтезироваться. Уже затем в звездах синтезировались остальные элементы и через 20 минут современный нам вещественный состав Вселенной уже был сформирован. Первичное вещество Вселенной в процессе разлета распалось на множество относительно компактных скоплений, из которых в будущем образовались галактики. Образования одной на всю Вселенную "суперзвезды" не происходит из-за того, что звезды вращаются вокруг центра Галактики (так и Луна хотя и при тягивается Землей, она на неё не падает из-за равенства центробежных и центростремительных сил). По одной из гипотез, в момент очередного Большого Взрыва из почки "чёрной дыры" вырывается зародыш новой Вселенной, он отрывается от Всемирной-родительницы и далее ведёт самостоятельное существование. Пузырьки мини-вселенной разбегаются от родительницы и теряют возможность обмениваться сигналами друг с другом, развиваются изолированно и независимо. Когда-нибудь, для нашей Вселенной это 3*10^39 с, все галактики сожмутся в чёрные дыры, произойдёт распад всех протонов и нейтронов на фотоны, нейтрино и электронно-позитронные пары. Но в поле тяготения "чёрной дыры" рождаются новые частицы в виде квантов излучения (фотоны, нейтрино и гравитоны) и масса чёрных дыр постепенно испаряется. Пройдут многие миллиарды лет, и начнётся коллапс Вселенной, она начнёт уменьшаться в размерах, разогреваться, пока сама не превратиться в "чёрную дыру", т.е. произойдёт, как шутят физики, Большой Всхлип - явление, противоположное Большому Взрыву. Затем всё повторится с небольшими мутациями ("по Дарвину"). По другой версии расширение Вселенной не сменится сжатием, а зафиксируется - когда силы тяготения станут равны силам антитяготения и её пространственно-временной каркас застынет и останется таким "замороженным" навсегда. Кроме этой гипотезы, известна теория Фридмана, дополненная акад. М.А.Марковым, согласно которой огромная Вселенная может оказаться в почти замкнутом мире (где энергия взаимного притяжения всех находящихся в нём тел равно энергии их общей массы, равной по Эйнштейну Е = м*с^2) и её внешние размеры могут быть микроскопическими, с точки зрения внешнего наблюдателя. Таким образом, одни и те же объекты можно рассматривать и как микромиры-фридмоны и как макросистемы. Фридмоны имеют как бы горлышко (возможно, это "чёрная дыра"), через которое можно попасть внутрь сферы и выйти из неё в другой, внешний мир. Возможно и мир, в котором мы живём, не что иное, как фридмон. Тем не менее, вакуум - это то, что получается, когда убирают все частицы и все физические поля, но при этом остаётся квантовое "кипение" пустоты - "вакуумная пена". Вселенная воспроизводит из "вакуумной пены", "ложного вакуума" сама себя с различными физическими свойствами, разными плотностями материи и антиматерии. Вакуум "кипит" виртуальными частицами микромира и энергия взаимодействия их хоть и мала, но отлична от нуля, а где есть хоть какая-либо плотность энергии, там обязательно появляются силы напряжения и отталкивания, поэтому даже в вакууме есть гравитационные силы. Если гравитация - главная сила, управляющая движением материи во Вселенной, то нейтрино - это главная частица Вселенной, хотя она в 20 тыс. раз легче электрона и в 40 млн. раз легче протона. Наблюдения астрофизиков показали, что скрытой массы нейтрино в областях скопления галактик должно быть в 20 раз больше, чем видимой массы, сосредоточенной в самих галактиках. Плотность вакуума составляет 5*10^-30 г см^3, а средняя плотность светящегося вещества составляет 2*10^-31 г см^3, средняя плотность тёмной материи (возможно, нейтрино) 2*10^-30 г см^3, то есть на вакуум приходится 67% всей энергии мира, на нейтрино 30%, а на обычное вещество (барионы) - лишь 3%, на излучение - ещё в сто раз меньше. Итак, обычное вещество по массе и по гравитационному воздействию составляет лишь 3-4% "примеси" к основной массе Вселенной. Сейчас галактики разбегаются, но по одной из версий через многие миллиарды лет расширение Вселенной сменится сжатием и причиной этого является именно нейтрино, плотность материи которого превышает критическую плотность Вселенной в 10^-29 г см^3 (при меньшей плотности Вселенная расширялась бы вечно и безграничи). Некоторые астрофизики пришли к выводу, возможно ошибочному, что скорость распространения гравитационных волн во Вселенной на восемь порядков (т.е. в 100 миллионов раз) превышает скорость распространения света в вакууме. Что же происходило в первые мгновения жизни зародыша Вселенной? В первые мгновения Большого Взрыва при температуре 10^13 Кельвинов одновременно рождалось и аннигилировало огромное количество пар частиц и античастиц. Среди них были электроны и позитроны, протоны и антипротоны, нейтроны и антинейтроны. "Кипящий котёл" содержал примерно одинаковое число частиц всех видов и их античастиц. Но почему-то число частиц и античастиц было всё же не в точности одинаково: на каждый миллиард пар частицантичастиц приходилась одна "лишняя" тяжёлая частица. Когда миллиарды пар с понижением температуры взаимно уничтожились, превратившись в реликтовые фотоны, тогда "лишние" частицы остались, и из них возник весь окружающий нас мир звёзд, планет, межзвёздного газа. Причина - в несимметричности темпов реакций частиц и античастиц и в том, что с понижением температуры и разбеганием вещества скорость процесса аннигиляции падает и концентрация частиц оказывается "замороженной", а поскольку плотность материи обычной материи уменьшалась и на 10^-34 секунде после начала расширения сравнялась с плотностью "ложного вакуума", то его гравитация вызывает отталкивание. За период с 10^-34 до 10^-32 секунды все размеры во Вселенной увеличились в 10^50 раз. Но состояние этой "раздувающейся" Вселенной неустойчиво, температура и плотность стремительно уменьшаются, вещество переохлаждается. Плотность обычной материи становится совершенно ничтожной по сравнению с плотностью "ложного вакуума". В это время становится возможным фазовый переход из состояния "ложного вакуума" со сравнительно огромной 2 а) Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М.: Наука, 1988. 175 с.; б) Новиков И.Д. Чёрные дыры и Вселенная. М.: Молодая гвардия, 1985. 190 с." Ключевые слова: солнце, островной дуга, магнитный поле, диффузионный массоперенос, энтропийный сила, равный, месторождение, средиземный море, геологический история, район, деформация возникавший, причина, образ, экваториальный зона, ледниковый эпоха, среда, вселенная, разы, кристаллический решетка, зона геосреда, состав, мочь, атмосфера, точка, возможный, южный атлантика, проницаемость порода, экваториальный область, океан, область, намагничивающий поле, скорость, горный вестник, оледенение, результат, современный, электромагнитный, человек, мир, геологический, мизун, внутренний, центр, изд вимс, агрегатный состояние, циклон, критический уровень, сейсмический, организм, горный порода, солнечный, известный, сейсмический станция, друг, состояние, частица, граница, солнечный система, кора, взрыв, поверхность, конференция оон, часть, мирошниченко, внешний, земной, рудный, плотность, ток, кольский полуостров, рудоподготовительный этап, поздний палеолит, переходный слой, белый карлик, пространство, тангенциальный напряжение, отрицательный заряд, эволюция, магнитный, сжимающий напряжение, приливный деформация, н э, поле, газообразный фаза, золотого сечение, замкнутый система, источник энергия, северный, тыс, термодинамический равновесие, масса, степень неритмичность, км, солнечного ветер, млн, процесс, элемент, обмен энергия, миллион, пластичный компонент, существование, способность намагничиваться, величина определяемый, часовой стрелка, звезда, черный дыра, земной кор, поперечный волна, надинтрузивную область, участок суши, система, волна, вещество, твердый, развитие, гравитационный, изменение, горн массив, тело, прирост платформа, вода, должный, планета, тектонический, счёт, вспышка сверхновый, температура, уровень, твёрдый, слой, сила, величина, сжатие, озоновый слой, горный, явление, поперечный ток, угольный шахта, напряжение, газ, массив ущк, материальный система, расстояние, солнечный ветер, порода, восточный полушарие, эгейский море, производство электроэнергия, рациональный природопользование, рифтовый зона, земля, очаг, электрический, землетрясение, природа, газовый фаза, количество, разность потенциал, поток, горный удар, давление, материя, расплавленный состояние, малый, период, условие, уровень море, жизнь, квантовый механик, относительно, изд, рассеянный состояние, земной поверхность, космический, силовой линия, движение, ось, грандиозный катастрофа, геобарический градиент, зельдович, образование, тепловой, поздний кайнозой, вращение, катастрофа, возрастать, теория, электромеханический преобразователь, фильтрация бародиффузия, ядро, квантовый механика, связанный, увеличение, недра, гипотеза, регистрирующий станция, плита, солнечный активность, сила притяжение, всемирный потоп, структура, галактика, литосфера, глубина, форма, направление, земной орбита, остров, чёрной дыра, кембрийский эпоха, изд просвещение, добыча руда, провый раствор, вид, кончик палец, изд форвей, последний, массив, межзвездный среда, западный полушарие, энергия, атом, извержение вулкан, плоскость эклиптика, свойство, глубоководный желоб, мантия, гидротермальный редкометальный, зона