固体地球物理学学科分类总结

前言

明确频率、分辨率、穿透性3者之间的关系:

电磁波波速一定,频率与波长成反比;
波的能量由振幅决定,量/光子的能量由频率决定。

  • 频率越高,波长越小,分辨率越高,穿透性,传的近!
    遇到障碍物是直接穿过去的(探伤),小裂隙都看的清楚,但能量衰减快!;
    可见光及紫外光频率10^{14}Hz以上,频率极高!
    可见光直接把小水杯各个细节照亮,让人肉眼都能看清,分辨率肯定高
    但是普通可见光连门都穿不透,衰减太快!
  • 频率越低,波长越大,分辨率越差,绕射性,传的远!
    红外光频率逐渐降低,但是可以传的非常的远,遇到的障碍物只要没有它的波长长都可以绕过去,所以能量损耗也少!
    但是用红外光看不清水杯的细节。
图1:电磁波波长、频率排序图
图2:可见光的波长与频率范围
图3:不同波段的应用领域

地球物理学科分类

固体地球物理学可以分为下面2大类

\begin{cases} 普通地球物理学 & 大尺度+一般规律 \\ 应用地球物理学(物探) & 应用领域 \\ \end{cases}

我们主要讨论"普通地球物理学"的范畴!!

地球物理学科的命名,主要还是根据"物理学"来命名的!所以物理学数学是地球物理学的关键!地球只是一个研究对象而已。对比物理学的细分,普通地球物理学也有对应的细分:

物理学 地球物理学
力学 地震学
电磁学 地电学、地磁学(大地电磁)
重力 重力(重磁)
热学 地热学
光学 暂无

其中又有新的拓展:
地电学 + 地磁学 \Rightarrow 大地电磁
磁法 + 重力 \Rightarrow 重磁

下面对固体地球物理中的各个细分学科做概述性的说明。

地震学

物探:地震勘探 \Rightarrow 震源:人工震源
普通地物:天然地震学 \Rightarrow 震源:天然震源

为什么说地震学与物理中的力学有关?

因为力学要研究材料的弹性系数,地震学研究的就是地下介质的弹性系数!
因为根据纵波、横波的速度公式:

V_{p} = \sqrt{\frac{\color{red}{\lambda} + 2\color{red}{\mu}}{\rho}} \quad \quad V_{s} = \sqrt{\frac{\color{red}{\mu}}{\rho}}

其中分子中的两个"拉梅常数"就是地下介质的弹性参数!所以地震学与力学有关。
流程:地震波到时 \rightarrow 速度 \rightarrow 弹性系数(力学) \rightarrow 物性分界面

学科评价:理论已经很完备,难有大的突破!它由于他一直处于爹的位置,所以它的数据处理方法是最高级的!可以把地震对波场相关的处理方法应用到重力场、电磁波场中!

电磁学

物探:电法、磁法 \Rightarrow 源:人工源(高频)
普通地物:地磁学、地电学 \Rightarrow 源:天然源(低频)

说明:

  • 人工源,频率高,分辨率高!只能做很浅地表;例如地质雷达;
  • 天然源,频率很低,分辨率差但是可以研究几百公里深的地下!
  • 物探中的电法、磁法其实指的仅仅是电流、磁性物质等。

大地电磁:既可以用于物探,又可以用于普通地物。它是不仅仅是利用电流、磁性物质等,它的理论上升到"电磁波场",同地震波场一样也是位场的研究!
所以,理论上讲大地电磁更应该用于普通地物的研究。

大地电磁源的频率范围:10^{3} - 10^{-4} Hz
其中极低频的源一般叫10000s、5000s这样的长周期大地电磁!
这种长周期大地电磁就可以看的非常深!!几百公里!!可以与地震并驾齐驱!!
这个学科是未来一个大发展方向!


注意:

  • 电法、磁法都只是纯用电流、磁性物质等等,大地电磁用到的电磁波!是!是位场!本质上和重力场、地震波场是同源的;
  • 地质雷达用到是高频(几GHz)的电磁波!不是地震!!只是因为电磁波和地震波场都是同源的位场!所以可以用地震的方法来处理而已。

学科评价:非常有前途!每年都是有方法、新理论!做的人也少!
大地电磁最适合去做海洋研究!!
因为电磁波比地震波具有天然优势:传播不需要介质!!
海上地震首先源的激发困难,其次波经过海底巨厚淤泥、海水后极大衰减!
所以海洋上大地电磁比地震牛逼多了!只是理论还在发展。
海底火上喷出来的都是金银财宝。

重力学

重磁不分家,所以一般叫重磁法。

为什么重磁不分家?
因为:因为重力场、磁场都满足拉普拉斯方程!二者的源既相似又有区别
相似是公式差不多,不同是源/场有不同。
所以二者一般联合在一起处理。

物探用不了这个方法,因为重力研究的是区域密度差,小尺度的分辨率啥也看不清。
但是,在大尺度、超大尺度(星体之间),这是无敌且唯一的方法。

卫星重力数据;空间物理中重磁数据是最牛逼的!

学科评价:天文学、空间物理学,重磁法甚至可以让你有可能得诺奖!!这是干大事的高大上工具。可不能用来跟物探干。但是数理基础要求很高。

地热学

最可以反映地下活动性(activity)!

因为:活动 \rightarrow 摩擦生热、熔化 \rightarrow 滑动 \rightarrow 区域构造/地震

这是可以研究一切表面现象的"根源性"的方法!是非常非常非常重要的方法!一篇就能让你上nature!

但是:太冷门、难收集到数据(地热梯度等)、理论难(开放空间粒子无规则运动)!
因为:热扩散不是位场!它只是粒子做无规则运动!并且还是在开放空间(太尺度下),那热扩散的数据就更难搞了。

学科评价:研究星体根源性的东西,哪怕测出一个点就是nature!若总结了理论或提出一种衡量地热的参数,开创一个新的学科!!

总结

固体地球物理,真的很难!大展拳脚的机会太多了!!

表1:提出新理论后可能获得的成就
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