Геофізика

Визначення і загальна характеристика

ГЕОФІ́ЗИКА (від гео… і фізика) — комплекс наукових дисциплін про будову гео­сфер, фізичні властивості речовин, що їх складають, процеси, що від­буваються у гео­сферах, а також про специфічні методи дослідже­н­ня зга­даних обʼєктів і процесів. Г. складається з таких осн. роз­ділів: фізика Землі, фізика водойм, або гідрофізика, фізика атмо­сфери та фізика навколозем. косміч. простору. Окремо виділяються роз­відув. Г., або геофіз. методи пошуків та роз­відки родовищ корис. копалин, пром. Г., або геофіз. методи дослідж. свердловин, та шахтна Г. Фізику Землі роз­поділяють на такі роз­діли: сейсмологія, гравіметрія, магнітологія, гео­електрика, геотермія, тектонофізика, петрофізика. Гідрофізику роз­поділяють на фізику моря, яка водночас є частиною океанології, та фізику вод суші. Фізику атмо­сфери поділяють та такі дисципліни: динамічна метеорологія, фізика приземного шару, аерологія, фізика іоно­сфери, атмо­сферна оптика, радіометеорологія, вче­н­ня про атмо­сферну електрику, синоптична метеорологія, кліматологія. Чітко окресленою наук. галуз­зю Г. стала лише у 20 ст., але перші за своєю суттю геофіз. зна­н­ня і уявле­н­ня були одержані і сформульовані декілька століть тому. 1600 англ. фізик В. Ґільберт за­пропонував роз­глядати Землю як величез. магніт з полюсами, роз­таш. по­близу геогр. полюсів. І. Ньютон роз­робив теорію припливо­утворюючої сили, яку виклав у своїх «Началах...» (1687). На базі цієї теорії побуд. всі на­ступні дослідж. припливів. А. Клеро у 1743 опублікував свою класичну роботу про фігуру Землі, в якій подав, зокрема, формули для обчисле­н­ня при­скоре­н­ня сили тяжі­н­ня залежно від широти. Результати обчислень за цими формулами добре узгоджувалися з даними спо­стережень під час викори­ста­н­ня маятників. У серед. 18 ст. майже одночасно і незалежно один від одного А. Клеро та Л. Ейлер дали роз­вʼязок задачі про три тіла у формі, зручній для опису руху Місяця. Ці роботи ві­діграли велику роль у подальших дослідж. законів руху системи Сонце–Земля– Місяць, у роз­витку теорії припливів і повʼязаних з ними явищ. Чималу увагу ви­вчен­ню явищ приділяв рос. учений М. Ломоносов. Він висловив низку гіпотез про електричні явища в атмо­сфері, природу тектоніч. рухів, землетрусів тощо. Цін­ним його здобутком у галузі Г. слід вважати вина­йдений прилад, на­званий універсал. барометром, який був, по суті, першим гравіметром, при­значеним для вимірюва­н­ня варіацій сили тяжі­н­ня, зумовлених зміною від­нос. положень Землі, Сонця і Місяця. Великий внесок до знань про Землю зробив англ. астроном Дж. Ері. 1855 він ви­значив густину і масу Землі за результатами спо­стережень періодів коливань маятників, встановлених на поверх­ні Землі і занурених на глибину у шахту. У тому ж році цей дослідник висунув гіпотезу, що пояснювала несподівані результати вимірюва­н­ня при­скоре­н­ня сили тяжі­н­ня побл. під­ніж­жя Гімалаїв. Це при­скоре­н­ня тут виявилось меншим, ніж можна було очікувати. Дж. Ері припустив, що маса гір компенсується браком мас під ними, тобто гори мають «корені» із такого ж порівняно легкого матеріалу (гранітно-осадового), яким складений гірський рельєф. Ін. гіпотезу для поясне­н­ня результатів зга­даних спо­стережень майже одночасно з Дж. Ері висловив теж англієць, священ­нослужитель, астроном, фізик і математик Дж. Пратт. На його думку, земна кора складається з блоків різних за густиною і за вертикал. роз­мірами (потужностями). При цьому нижня границя всіх блоків роз­таш. на одній глибині, а рівність їх мас забезпечується різною висотою, обернено пропорцій. густині. Врівноваженість блоків кори на деякій глибині така, якби вони плавали у вʼязкому середовищі, одержала назву ізостазії (амер. геолог К. Дет­тон). Теорія ізо­стазії згодом ві­діграла досить велику роль при інтер­претації гравіметр. даних. Гравіметр. дослідж. на­прикінці 19 і у 20 ст. набули великого роз­маху. Цьому сприяв бурхливий роз­виток гравіметр. приладобудува­н­ня. 1890 угор. фізик Р. Етвеш побудував гравітац. варіометр для вимірюва­н­ня зміни сили тяжі­н­ня у горизонтал. напрямку. Масове за­стосува­н­ня варіометрів і гравіметрів при­звело до того, що у порівняно короткий час значні області планети були вкриті високоточ. і детал. зйомками.

На­прикінці 19 ст. виникає і набуває значного роз­витку інструментал. сейсмологія — най­ефективніший метод ви­вче­н­ня глибин. будови Землі і процесів, що від­буваються в тектоно­сфері. Фундатором цієї галузі і загальнови­знаним лідером на поч. 20 ст. був Б. Голицин. Він створив і впровадив у практику декілька кон­струкцій електродинам. сейсмо­графів, за­пропонував спосіб ви­значе­н­ня епіцентру землетрусу за даними однієї станції, встановив 1916 на глиб. бл. 500 км границю різкої зміни фіз. властивостей надр. Цей шар, на­званий імʼям Голицина, вважається нижньою границею верх. мантії. Б. Голицин багато зробив і в галузі метеорології, сприяючи її пере­творен­ню в точну науку з міцним фіз.-мат. базисом.

1909 югослав. сейсмолог і метеоролог А. Мохоровичич встановив важливу границю в земних надрах між земною корою і мантією, пізніше на­званою його імʼям. 1926 нім. (згодом амер.) сейсмолог Б. Ґутенберґ довів існува­н­ня у верх. частині мантії Землі шару, де швидкість роз­по­всюдже­н­ня сейсміч. хвиль менша, ніж у шарах, що залягають вище і нижче. Разом з амер. геофізиком К. Ріхтером він роз­робив шкалу магнітуд землетрусів, тобто роз­поділу їх за енергією. Найбільші зруше­н­ня і здобутки у галузі сейсмології у 20 ст. повʼязані з іменами Г. Беньофа, К. Вадаті, Е. Віхерта, Г. Гамбурцева, Е. Саваренського, Ю. Різниченка та ін. Величез. вплив на подальший роз­виток Г. мали від­кри­т­тя 1896 природ. радіо­активності солей урану А. Бек­керелем і 1898 радіо­актив. елементів радію і полонію П. Кюрі і М. Склодовською-Кюрі. Ці від­кри­т­тя і ті, що сталися після, зумовили пере­гляд уявлень про енергетику земних надр, спричинили появу нових геофіз. методів пошуків корис. копалин і роз­членува­н­ня геол. роз­різів. Іще одне від­кри­т­тя П. Кюрі — незалежність від зовн. факторів швидкості зниже­н­ня радіо­активності радіо­актив. елементів — дало змогу йому за­пропонувати метод ви­значе­н­ня абсолют. віку гірських порід. Вче­н­ня про земний магнетизм після опублікува­н­ня праці нім. вченого К. Ґаус­са «Allgemeine Theorie des Erdmagnetismus» («Загальна теорія земного магнетизму», 1839) незабаром пере­творилось на точну науку. Першими наук. закладами для ви­вче­н­ня геомагнетизму були магнітні обсерваторії, створ. з ініціативи К. Ґаус­са та ін. нім. вченого А. фон Гумбольдта. Зуси­л­лями остан. системат. спо­стереже­н­ня магніт. схиле­н­ня були започатк. у Фрайберзі, С.-Петербурзі, Казані, Миколаєві та ін. містах. 1849 у С.-Петербурзі засн. Гол. фіз. обсерваторію, якій в метод. від­ношен­ні були під­порядк. всі магнітні обсерваторії Росії. На поч. 20 ст. їх було пʼять. Під час 2-го Між­нар. полярного року (1932–33) кількість магніт. обсерваторій різко зросла. Нове поповне­н­ня мережі магніт. обсерваторій від­булося під час Між­нар. геофіз. року (1957–58). То ж на тер. СРСР працювало 18 магніт. обсерваторій, зокрема й 3 в Україні (у с. Димер під Києвом, у Львові та в с. Степанівка побл. Одеси). Усього ж на той час у світі працювало більше як 160 магніт. обсерваторій. Нова епоха у ви­вчен­ні магніт. і гравітац. полів почалася, коли для геофіз. дослідж. стали використовуватись штучні супутники Землі.

Від серед. 20 ст. набула роз­витку нова галузь Г. — палеомагнітологія. Принципову можливість від­новле­н­ня стародавніх напрямків магніт. силових ліній М. Мел­лоні та І. Фольгхерайтер виявили ще в серед. 19 ст. Перший ви­вчав природну залишкову намагніченість лав Етни (Італія, 1853), другий — стародав. рим. кераміки (1899). Але знадобилося 100 р., щоб принципова можливість пере­творилась на реальну в результаті роз­робки до­статньо точних радіолог. методів ви­значе­н­ня віку виверже­н­ня гірських порід і детал. дослідж. магніт. властивостей порід усіх типів, зокрема осадових. Внаслідок палеомагніт. обстеже­н­ня багатьох тисяч зразків порід з геол. роз­різів усіх континентів було встановлено, що магнітне поле Землі за­знавало інверсій, тобто його Пн. і Пд. полюси мінялись місцями; магнітні полюси неодноразово в геол. історії пере­міщувались по поверх­ні Землі на великі від­стані. Палеомагнітні дослідж. знаходять своє за­стосува­н­ня в роз­вʼязан­ні задач геохронології, палеогео­графії, структур. геології, археології тощо. Палеомагнітологія — це таке від­галуже­н­ня Г., яке робить цю науку історичною.

Властивість історичності притаман­на і такому порівняно новому напряму Г., як тектонофізика. Перші спроби моделюва­н­ня складчастих структур і встановле­н­ня механізмів їх утворе­н­ня було зроблено Х. Кеделем (1858), А. Фавром (1878), А. Дорбе (1879). Складки і роз­риви моделював Е. Рейер (1892, 1894). Проте ці та ін. подібні екс­перименти, що ставилися аж до 40-х рр. 20 ст., були занадто недосконалими, щоб пере­конливо показати роль того чи ін. тектоніч. механізму. Тільки після зʼясува­н­ня дійс. геол. властивостей гірських порід та врахува­н­ня в екс­периментах умов подібності результати тектонофіз. екс­периментів набули евристич. характеру. Поряд з тектонофіз. моделюва­н­ням у 50-і рр. роз­горталися і польові дослідж., а також зʼявилися праці з матем. моделюва­н­ня. Коло початків сучас. тектонофізики стояли рос. вчені В. Бєлоусов і М. Гзовський, швед. дослідник Х. Рамберґ.

Велике значе­н­ня для ро­зумі­н­ня процесів, що від­буваються в атмо­сфері, мало від­кри­т­тя 1893 (внаслідок запуску в Парижі кулі-зонду на вис. бл. 16 км) шару, де температура повітря не зменшується з висотою. 1902 цей шар було на­звано страто­сферою. В цьому ж році амер. інж. А. Кен­нелі і англ. фізик О. Гевісайд незалежно один від одного висловили припуще­н­ня про існува­н­ня електро­провід. шару (іоно­сфери) на вис. від 100 до 300 км, від якого від­биваються радіохвилі, чим і пояснюється можливість їх реєстрації за межами прямої видимості.

Сучас. стан метеорології був започатк. працями таких дослідників, як О. Воєйков і Б. Мультановський. О. Воєйков уперше за­стосував метод балансів при ви­вчен­ні геогр. явищ, а також вказав на необхідність ви­вче­н­ня високих шарів атмо­сфери для аналізу процесів у призем. її шарах. Б. Мультановський роз­робив під­валини синоптич. методу довго­строк. про­гнозів. Динамічна метеорологія, основи якої були закладені в серед. 19 ст. нім. вченим і філософом Г. фон Гельмгольцем, набрала сучас. ви­гляду після дослідж. О. Фрідмана, М. Кочина, І. Кібеля. Праці Г. фон Гельмгольца започаткували також теорію мор. хвиль. У роз­витку фізики моря видатна роль належить В. Шулейкіну. Він роз­робив оригінал. теорії роз­по­всюдже­н­ня світла в морі, теплової взаємодії материків, океанів і атмо­сфери, теорію вітрових хвиль; вина­йшов низку приладів для ви­вче­н­ня фізики моря; заснував (1948) Морський гідрофізичний ін­ститут НАНУ.

Гідрологія суші як система наук. знань сформувалась багато в чому завдяки працям В. Глушкова, який ви­вчав наноси рік, мав великий доробок в галузі гідролог. аналізу, вина­йшов декілька гідролог. приладів.

Ви­вче­н­ня навколозем. косміч. простору, перш за все таких його параметрів, як магнітне поле, космічні промені, зокрема соняч. вітер, почалось у 2-й пол. 20 ст. завдяки запускам геофіз. ракет-зондів і штуч. супутників Землі. Перші 3 рад. штучні супутники були запущені, зокрема, для дослідж. за про­грамою Між­нар. геофіз. року. Сотні на­ступ. супутників серії «Космос» (1962–67), «Електрон» (1964), «Протон» (1965–66) також виконували значною мірою геофіз. про­грами з ви­вче­н­ня радіац. поясів, первин. косміч. променів, соняч. вітру тощо.

На зх.-укр. землях геофіз. дослідж. започатк. на­прикінці 19 ст. у Геол. ін­ститутах Австр. АН (Ві­день) та Польс. АН (Краків). У Львові на приват. основі було організоване Товариство природників ім. М. Коперника. Серед його чл. був ві­домий укр. природо­знавець, проф. Нац. університету «Львівська політехніка» і Львів. університету Ю. Медведський. Товариство видавало природничий ж. «Космос», в якому були по­дані ві­домості про сильний місц. землетрус 1875 з епіцентром біля м. Великі Мости (нині Сокал. р-ну Львів. обл.).

Першу сейсмічну станцію в Карпат. регіоні організовано 1899 Сейсмолог. комісією Австро-Угор. АН у Львові на базі Астрономо-метеорол. обсерваторії Нац. університету «Львівська політехніка». Другу станцію створ. 1908 на базі Чернів. університету, третю — 1934 в Ужгороді на базі міської гімназії. У Пд. і Сх. Україні перші сейсмічні станції організов. у Миколаєві 1901 та в м. Макіївка (нині Донец. обл.) 1911. Тоді ж були започатк. геомагнітні зйомки тер. України для цілей мор. навігації, маркшейдер. справи та пошуків корис. копалин. У період 1922–31 виконано магнітну зйомку акваторій Чорного і Азов. м., а в період 1930–34 проведено Ген. магнітну зйомку, за даними якої побудовано магнітну карту.

1926 з ініціативи ві­домого астронома і геофізика О. Орлова засн. Полтавську гравіметричну обсерваторію Ін­ституту геофізики ім. С. Суб­ботіна НАНУ (ПГО), яка стала першим в Україні наук. закладом астрономо-геофіз. напряму. 1926–38 працівниками ПГО із за­стосува­н­ням маятник. приладів ви­значено при­скоре­н­ня сили тяжі­н­ня в 465 пунктах. Ця робота склала основу для створе­н­ня гравіметр. карти України П. Нечипоренко (1935). В той же час в ПГО було закладено фундам. гравіметр. пункт, що має звʼязок з м. Потсдам (Німеч­чина) та опорними пунктами колиш. СРСР. 1934 створ. Геофіз. обсерваторія Ін­ституту геол. наук, яка згодом була реорганізована у одноймен. від­діл. 1936 до складу АН уві­йшла ПГО, а 1939 — сейсмічні станції у Львові та Ужгороді. Від 1939 в ПГО проводяться неперервні астроном. спо­стереже­н­ня за змінами широти Полтави. 1939– 41 в Укр. від­діл. Держ. союз. геофіз. тресту були роз­горнуті гравіметр. роботи — виконано більше як 2 тис. спо­стережень. Виконували ці роботи С. Суб­ботін, І. Балабушевич та ін.

Новий етап роз­витку геофіз. науки в Україні починається від 1945. З ініціативи академік В. Сельського у Львів. філії АН УРСР створ. від­діл геофізики, а у Львів. університеті — каф. геофізики. Згодом подібні каф., на яких готували геофізиків за фахом «геофізичні методи пошуків і роз­відки родовищ корис. копалин», створ. в Київ. університеті і Львів. політех. ін­ституті.

З метою обʼ­єд­на­н­ня зусиль різних організацій та роз­витку фундам. дослідж. у геофіз. галузі науки 1960 створ. Геофізики ін­ститут НАНУ (ІГФ) у Києві з філією у Львові. Очолив Ін­ститут С. Суб­ботін. Осн. про­блема, яку мав роз­робляти Ін­ститут, — ви­вче­н­ня глибин. будови земної кори методами Г. Мета дослідж. — роз­робка наук. під­валин ви­вче­н­ня глибин. процесів у оболонці Землі та в земній корі і про­гнозува­н­ня родовищ корис. копалин на великих глибинах. Були ви­значені й осн. напрямки робіт. В ІГФ обʼ­єд­нали свої зуси­л­ля провід­ні геофізики України: С. Суб­ботін, В. Сол­логуб, А. Чекунов, І. Балабушевич, В. Головцин, З. Крутиховська та ін. По­ступово ІГФ виріс у потужну наук. організацію, в якій роз­роблялись практично усі гілки фізики Землі, а на певних етапах — фізики іоно­сфери та навколозем. косміч. простору. 1964 до складу ІГФ у статусі філії включається ПГО. Разом з дослідниками Мор. гідрофіз. ін­ституту НАНУ, Астрономічної обсерваторії НАНУ Головної, геофізиками Київ. і Львів. університетів, Львів. політех. ін­ституту, Дні­проп. гірн. ін­ституту, Івано-Фр. ін­ституту нафти і газу, науковцями Гід­ро­метцентру, пред­ставниками галузевого Геологорозвідувального українського державного ін­ституту і виробничих геол.-геофіз. під­приємств Г. України була пред­ставлена усім спектром її дисциплін. Наук. результати укр. геофізиків зна­йшли між­нар. ви­зна­н­ня. Гол. наук. ви­да­н­ня Г., «Геофизический журнал», від 1993 набув статусу між­народного.

У 1960–80-і рр. Ін­ститутом геофізики, Київ., Дні­проп. та Зх.-Укр. геофіз. екс­педиціями тресту «Укргеофізрозвідка» була дослідж. будова земної кори осн. тектоніч. структур України. Ці результати, що за своєю детальністю не мають аналогів у світ. геофізиці, стали під­ґрунтям для тектон. ра­йонува­н­ня і про­гнозу покладів рудних та ін. корис. копалин і сут­тєво збагатили уявле­н­ня про структуру континентів в цілому. Проведено сейсмічне ра­йонува­н­ня тер. України (Л. Борисенко, О. Кендзера, Б. Пустовітенко, О. Сафронов, О. Харитонов, А. Чекунов та ін.) і детальне сейсмічне ра­йонува­н­ня деяких міст. На основі методу сейсміч. томо­графії побудовано тривимірну сейсмічну модель мантії пн.-зх. Євразії до глиб. 1000 км і виявлено принципові особливості її структури (В. Гейко, Т. Цвєткова).

Україна детальніше, ніж будь-яка інша країна з порівняною територією, ви­вчена також в геотерміч. (В. Гордієнко, О. Завгородня, Р. Кутас та ін.), геомагніт. і палеомагніт. (З. Крутиховська, І. Пашкевич, К. Тяпкін, Н. Михайлова, О. Русаков, О. Третяк та ін.), а також у тектонофіз. (О. Гінтов та ін.) аспектах. Побудовано обʼємні густин­ні моделі земної кори за даними гравіметрії (Т. Єгорова, С. Красовський, В. Старостенко та ін.) і магнітометрії (М. Орлюк, І. Пашкевич та ін.). Укр. геофізики одержали вагомі оригін. результати в заг.-теор. і заг.-метод. аспектах у галузях сейсмометрії (Т. Вербицький, В. Гейко, М. Гринь, В. Дядюра, Т. Ільченко, Є. Лос­совський, Ю. Стародуб, Ю. Тимошин, Ю. Тяпкін та ін.), гравіметрії (Є. Булах, Г. Голіздра, В. Козленко, В. Старостенко, А. Чорний та ін.), магнітометрії (В. Коваленко-Завойський, З. Крутиховська, К. Тяпкін, В. Максимчук, Л. Яременко та ін.), електрометрії (А. Гроза, С. Кулик, І. Логвинов, М. Рева, І. Рокитянський, Я. Сапужак, В. Шуман та ін.), геотермії (В. Гордієнко, О. Завгородня, Р. Кутас); тектонофізики (О. Гінтов, В. Гутерман, Я. Хазан та ін.); геодинаміки, зокрема сучас. геодинаміки (В. Кузнецова, Р. Кутас, В. Лялько, В. Сомов, О. Харитонов та ін.); ядер. геофізики (І. Козачок, В. Кулик); ви­вче­н­ня провісників землетрусів (О. Ісіченко, М. Лазаренко, Г. Харечко та ін.); сонячно-місячно-земних звʼязків (В. Баленко, В. Булацен, В. Голубицький, П. Матвєєв); фіз. властивостей гірських порід (П. Буртний, В. Корчін, Т. Лебедєв, Г. Продайвода, Б. Савенко, М. Тол­стой, С. Шепель та ін.), моніторингу сейсмол. і екол. небезпеч. зон і обʼєктів (С. Мостовой та ін.).

Певні досягне­н­ня мають укр. дослідники й у справі конструюва­н­ня геофіз. приладів і установок: сейсміч. станцій, свердловин. магнітометрів, апаратури для накопиче­н­ня й обробки геофіз. інформації тощо (С. Вербицький, Ю. Гречін, В. Гуцалюк, Ю. Михайлік, Є. Струк та ін.).

1996 Велика Британія пере­дала Україні антарктичну дослідну станцію «Фарадей», якій було на­дане нове імʼя «Академік Вернадський». Геофіз. дослідж. на станції є пріоритет. і виконуються в напрямках: процеси у верх. атмо­сфері, речовин. склад і петрофіз. властивості осн. магматич. комплексів Антарктиди (В. Бахмутов, Г. Міліневський, М. Орлова, С. Шепель).

Літ.: Берри А. Краткая история астрономии. Москва, 1904; Гутенберг Б., Рихтер К. Сейсмичность Земли. Москва, 1948; Саваренский Е. Ф., Кирнос Д. П. Элементы сейсмологии и сейсмометрии. Москва, 1955; Тихомиров В. В., Хаин В. Е. Краткий очерк истории геологии. Москва, 1956; Глушков В. Г. Во­просы теории и методы гидрологических ис­следований. Москва, 1961; Магницкий В. А. Внутрен­нее строение и физика Земли. Москва, 1965; Успехи СССР в ис­следовании космического пространс­тва. Москва, 1968; Русаков О. М. Магнитное поле Земли в мезозое. К., 1969; Физика магнито­сферы / Пер. с англ. Москва, 1972; Яновский Б. М. Земной магнетизм. Ленин­град, 1972; Гзовский М. В. Основы тектонофизики. Москва, 1975; Лящук Д. Академік Володимир Олександрович Сельський — основоположник української геофізики // Праці НТШ. Т. 1. Геологія, геофізика, хемія, біо­хемія, матеріало­знавство, механіка матеріалів. Л., 1977; Хриган А. Х. Физика атмо­сферы. Т. 1–2. Ленин­град, 1978; Старостенко В. И. Устойчивые числен­ные методы в задачах гравиметрии. К., 1978; Суб­ботин С. И. Из­бран­ные труды. К., 1979; Жарков В. Н., Трубицын В. П. Физика планетных недр. Москва, 1980; Бурьянов В. Б., Гордиенко В. В., Кулик С. Н., Логвинов И. М. Комплексное геофизическое изучение тектоно­сферы континентов. К., 1983; Гусев А. М. Курс общей геофизики. Основы океанологии. Москва, 1983; Третяк А. Н. Естествен­ная остаточная намагничен­ность и про­блема палеомагнитной стратификации осадочных толщ. К., 1983; Беляев В. И. Моделирование морских систем. К., 1987; Гутерман В. Г. Механизмы тектогенеза. К., 1987; Гинтов О. Б., Исай В. М. Тектонофизические ис­следования разломов консолидирован­ной коры. К., 1988; Лито­сфера Центральной и Восточной Европы. Обобщение результатов ис­следований. К., 1993.

В. І. Старостенко, В. Г. Гутерман

Завантажити статтю