地球物理學

地球物理學

地球物理學 (geophysics) 是地球科學的主要學科之一,是通過定量的物理方法(如:地震彈性波、重力、地磁、地電、地熱和放射能等方法)研究地球以及尋找地球內部礦藏資源的一門綜合性學科,研究範圍包括地球的地殼、地幔、地核和大氣層。 地球物理學有諸多研究分支,包括:固體地球物理學,地球動力學,地震學,大地測量學,地熱學,地磁學 ,水文地理學,海洋學,氣象學,地核構造學,勘探地球物理學比較行星學,大地構造物理學和大地天文學;研究內容包括地球內部結構,震源理論,地震波傳播理論,大陸地殼大尺度的特征,諸如板塊俯沖帶和大洋中脊。傳統地球物理學主要指固體地球物理學,現代地球物理學的研究延伸到地球大氣層外部的現象(例如電離層電機效應〔ionospheric dynamo〕、極光放電〔auroral electrojets〕和磁層頂電流系統〔magnetopause current system〕),甚至延伸到其他行星及其衛星的物理性質。

  • 中文名稱
    地球物理學 
  • 研究內容分類
    套用地球物理、理論地球物理
  • 套用地球物理
    包括能源勘探、金屬與非金屬勘探等
  • 理論地球物理
    研究對地球本體認識的理論與方法
  • 公元132年
    東漢張衡設計製造了世界上最早的地震儀
  • 學科名人
    威歇特(EmilWiechert)是世界上第一位地球物理學教授

簡介

​地球物理學研究範疇

地球物理學的很多問題與天文學的相似,因為研究對象很少能直接觀察,結論應當說主要是根據物理測量的數學解釋而得出的。這包括地球重力場測量,在陸地和海上用重力測量儀,在空間則用人造衛星;還包括行星磁場的磁力測量;又包括地下地質構造的地震測量,這用地震或人工方法產生的彈性反射波和彈性折射波來進行(參閱seismic survey)。

用地球物理技術來進行的研究,證明在為支持板塊構造學(plate tectonics)理論提供證據方面是極其有用的。例如,地震學資料表明,世界地震帶標示出了組成地球外殼的巨大剛性板塊的邊界,而古地磁學研究的發現,又使得追索地質歷史時期大陸的漂移成為可能。

培養目標

本專業培養具備堅實的數理基礎和較系統的地球物理學基本理論、基本知識和基本技能,受到基礎研究和套用基礎研究的基本訓練,具有較好的科學素養及初步教學、研究能力,能在科研機構、高等學校或相關的技術和行政部門從事科研、教學、技術開發和管理工作的高級專門人才。

培養要求

本專業學生主要學習地球物理學方面的基本理論和基本知識,受到基礎研究和套用基礎研究方面的科學思維和科學實驗訓練,掌握地球深部構造、地震預測、地球物理工程、能源及礦產資源勘察等研究與開發的基本技能。

專業特色

地球物理學是一門介于物理學、地質學、大氣科學、海洋科學和天文學之間的邊緣學科。它的主要研究對象是人類生息的地球及其周圍空間。它用物理學的原理和方法,通過利用先進的電子和信息技術、航空航天技術和空間探測技術對各種地球物理場進行觀測,來探索地球內部及其周圍空間、近地太空的介質結構、物質組成、形成和演化,研究與其相關的各種自然現象及其變化規律。在此基礎上最佳化和改善人類生存和活動環境,防御及減輕地球與空間災害對人類的影響,為探測和開發國民經濟中急需的能源及資源提供新理論、新方法和新技術。地球物理學研究範疇

而空間物理則以太陽系特別是日地空間物理環境作為主要研究對象。地球物理學是一門套用性很強的基礎學科,它的研究成果不僅有助于增進人類地球及其空間環境的科學認識,而且支持著眾多的國民經濟建設中具有重要意義的產業部門或高科技領域,為太空時代的人類活動提供了必要的基礎。今天,地球物理學已成為地球科學中最具活力的學科之一,其研究成果將對21世紀人類的生存發展、太空環境的充分利用產生重要影響。

地球物理學系建立于1958年,在全國同類專業中歷史最悠久。40多年來,本系培養了大批從事固體地球物理學、套用地球物理、空間物理學、航空航天等方面的科學家、工程技術人才和管理人才,為我國科學事業的發展作出了巨大貢獻。固體地球物理學、空間物理學是碩士和博士培養基

地球物理學研究範疇

地,並設有博士後流動站。師資力量雄厚,老中青相結合,現有教授8人(其中院士2人,長江學者特聘教授2人,博士生導師8名),副教授11名,高級工程師和高級實驗師5名,教學與科研成果突出,在學術界享有很高聲譽。本系與國內外許多著名大學和研究機構有著密切的聯系及良好的合作關系,參與及主持了多項國際、國內重大科學項目。培養的大學部生要具有堅實的數理基礎、熟練掌握電腦技術、網路技術、電子技術和較高的外語水準,了解並掌握現代地球物理或空間物理及技術的基礎知識。主要基礎課程包括:高等數學、數學物理方法、普通物理、理論物理、電腦理論及套用等,此外還可以選修人文科學的課程。大學四年級時,學生可分別在固體地球物理學和空間物理學兩個學科方向上選修一定的課程,進行畢業論文的工作。

本系畢業生70%以上考取國內外研究生外,其餘主要志願到科研機構(如中科院、航天部門),高等院校,能源與資源、災害預測預報、通訊等部門,國家機關,及電腦行業從事科研、教學、工程技術與業務管理工作。

關系

地球物理學就是以地球為對象的一門套用物理學。這門學科自20世紀之初就已自成體系。到了20世紀六十年代以後,發展極為迅速。它包含許多分支學科,涉及海、陸、空三界,是天文、物理、化學、地質學之間的一門邊緣科學。作為一個天體來研究地球,地球物理學和天體物理學是分不開的;研究地球本身的結構和發展時,地球物理學又和地質學有很密切的聯系。但地球物理學所探討的範圍遠不止此,它還包括研究地面形狀的大地測量學,研究海洋運動的海洋物理學,研究低空的氣象學和大氣物理學,研究高空以至行星際空間物理學,研究地球本體的固體地球物理學(或叫做地體學),還有一些較小的分支,如火山學、冰川學、大地構造物理學等等。這些學科中,有的又各有獨立的分支。人造衛星出現後,地球物理現象的觀測擴展到了行星際空間。行星物理學是地球物理學的一引伸,但它所要解決的問題,離地球越來越遠了。

地球物理學,如果狹義的理解,指的就是固體地球物理學。這一般又可分為兩大方面:研究大尺度現象和一般原理的叫做普通地球物理學,利用由此發展出來的方法來勘探有用礦床和石油的,叫做勘探地球物理學(或物理探礦學)。套用于工程地質勘探、工程檢測的發展為工程地球物理學,套用于環境探測和監測及環境保護而形成的環境地球物理學。地球物理學形成了獨立的分支學科:地震學、重力學、地電學、地磁學,還有正在發展可能形成地熱學。

分類

整體而言,地球物理學是利用物理方法研究地球或其他行星的科學,主要研究地球的各種物理性質,包括地球內部及表面的組成及各種自然作用與變化規律。其領域又可區分以下的類別:

地震學(Seismology):

研究地震、地震波及其在地球的內部傳播等與地震有關的科學。地震學是用來研究地球內部結構的一門重要科學。

地震學

重力學(Gravity):

研究關于地球重力的科學,研究範圍包括地球上的重力現象、重力分布、重力場及其他相關性質的研究。

地磁學(Geomagnetism):

研究地球和大氣圈之磁性的科學,主要研究有磁性的現象、來源、磁場等方面。

地電學(Geoelectricity):

研究地球電場的科學,藉以推導地球內部介質的物性、組成和分布狀態。

地熱學(Geothermometry):

研究地球熱的科學,包括地球的溫度、內部的熱流、地表溫度分布的現象及地球熱能的來源等。

地球物理探勘學(GeophysicalProspecting):

此為地球物理技術的運用,包括地震、地電、重力和地熱等方面,可利用在石油、金屬與非金屬礦床、地下水資源及工程基址等的探勘及探測上。

研究內容

地球物理學用物理學的原理和方法,對地球的各種物理場分布及其變化進行觀測,探索地球本體及近地空間的介質結構、物質組成、形成和演化,研究與其相關的各種自然現象及其變化規律。在此基礎上為探測地球內部結構與構造、尋找能源、資源和環境監測提供理論、方法和技術,為災害預報提供重要依據。已故著名地球物理學家趙九章先生是這樣形容地球物理學的——“上窮碧落下黃泉、兩處茫茫都不見”。

地球物理學的研究內容整體上可以分為套用和理論地球物理兩大類。套用地球物理(又稱勘探地球物理)的研究範圍比較廣泛,主要包括能源勘探、金屬與非金屬勘探、環境與工程探測等。勘探地球物理學利用地球物理學發展起來的方法進行找礦、找油、工程和環境監測以及構造研究等,方法手段包括地震勘探、電法勘探、重力勘探、磁法勘探、地球物理測井和放射性勘探等,通過先進的地球物理測量儀器,測量來自地下的地球物理場信息,對測得的信息進行分析、處理、反演、解釋,進而推測地下的結構構造和礦產分布。勘探地球物理學是石油、金屬與非金屬礦床、地下水資源及大型工程基址等的勘察及探測的主要學科。

地球物理學

理論地球物理研究對地球本體認識的理論與方法。如:地球起源、內部圈層結構、地球年齡、地球自轉與形狀等,具體包括地震學、地磁學、地電學、地熱學和重力學等。理論地球物理學通過地震波場和電磁波場探測發現了位于上地幔的軟流層,為活動論的新的地球觀提供了惟一站得住腳的理論依據;通過全球大地熱流量的測量圈定了熱的洋脊和冷的消減帶,結合古地磁研究結果和大洋中脊的條帶狀磁異常特征,為海底擴張和大陸飄移學說提供了令人信服的佐證;通過全球地震活動性和震源空間分布特征、全球重力、地磁和地熱測量,為板塊邊界的劃分提供了準確的依據;綜合各種全球性的地球物理觀測結果,對地球熱狀態、岩石圈熱結構和流變性質提供了新的認識,為一直懸而未決的板塊運動驅動機製問題的解決提供了新的依據。

地球物理學是以地球為研究對象的現代套用物理學,這門學科從20世紀初就自成體系。到了20世紀60年代發展極為迅速,地球物理學包含許多分之學科,涉及陸、海、空三域,是天文、物理、數學、化學和地質學之間的一門邊緣學科。隨著時代的發展,地球物理學的多學科交叉現象越來越明顯,數學、物理、電腦科學、天文學等眾多學科的發展大大促進了地球物理學的發展。在地球物理學天地裏,既可以從事地磁場起源、地震發生機理這樣的極負挑戰性的研究,可以從事油氣勘探、礦產勘探這樣的關系到國家經濟建設的套用性研究工作,也可以從事大氣物理等交叉學科的研究工作。通過地球物理學專業培養出來的學生要掌握系統的數學物理基礎理論和基本知識,有較強的電腦套用能力和較高的外語水準,具有扎實的地球物理專業知識和基本的實驗技能,受過從事基礎研究或套用研究的初步訓練,具有較強的知識更新能力。

套用

1.從事地質類專業勘查,以科研工作為主要方向,通過各種地球物理方法從事地質研究。包括復雜地質條件下大型岩體工程穩定性分析的理論與方法;地震正反演及地震資料處理中的熱點問題研究;重大工程建設和城市發展中的環境工程地質問題;災害環境下重大工程安全性問題的基礎研究;滑坡形成機理與預測預報等。可以到地質調查局、海洋局等相關單位就職或科研院所,大專院校做相關的研究,教學工作。

2、預測自然災害,利用各種數位地震台網和台站觀測資料為基礎,結合重力、形變等地球物理觀測手段,通過震源運動學與動力學、近斷層地面運動和重力變化場等方面的研究,為地震發生機理研究與地震預測提供理論指導。開展工程與城市防震減災基礎理論和套用技術研究;開展地震區劃理論研究,編製地震區劃圖;開展強震觀測、震害調查場地勘測與工程結構測試與分析;開展城市災害預警和減災技術、地震緊急救援技術與方法研究。

3.從事工程探測類,通過地球物理方法,探測工程、建築進行水文工程地質、城市環境與建築基礎以及地下管線鋪設情況的勘查等,通過工程地質、淺層地球物理與岩土力學的理論、實驗研究和工程實踐及其信息綜合集成,認識地球表層物質、結構、狀態及其在自然和工程作用下變形破壞機理與過程,評價工程岩土體的穩定性及其環境效應,尋求相應的工程技術與處理措施,保證重大工程的安全構築與運行,實施工程建設與環境保護、改善相互協調。

4.用以勘查石油與天然氣和煤田地質構造,尋找金屬與非金屬礦產,可以到涉及到煤田、油田、礦井性質的國有大中型企業做相關技術性工作。中國石化,中國石油,中國海洋石油等大型國企都有大量的地球物理學專業人才。

5.做相應的地球物理軟體程式設計,地球物理儀器開發等工作,廣泛套用于環保、城市給排水、地質、冶金、衛生防疫、商檢、農業、漁業及教育科研等多個領域,這是在國內較為緊缺的行業。

6.其他工程套用。提供區域地質;礦產地質;工程地質勘查;地球物理勘查;水文鑿井;城市地下管線勘測及系統建設;路、橋、基樁質量無損檢測;地質災害評估與治理;地形測量、工程測量;通路測漏;地理信息系統建設;專題地圖製作;農業地質;旅遊地質;非開挖管線鋪設;岩礦測試;礦產品開發等服務。總之,地球物理專業主要致力于開展戰略性、綜合性、先導性的套用基礎創新研究,以解決國家在進行水電、礦山、油氣勘探、鐵路、交通、國防等部門工程建設中所提出的各種工程地質力學、地表結構、勘探地震資料處理難題。隨著國民經濟的快速發展,隨著市場需求的不斷成長,地球物理專業有著越來越廣闊的發展空間!

歷史發展

地球物理學學科中的地震學和地磁學兩個領域有著悠久的歷史,在這兩個方面我國均為先驅。我國古書籍中就記載有早至公元前20世紀關于極光的現象。東漢張衡在公元132年設計製造了世界上最早的地震儀——候風地動儀。我國約于10世紀就已將指南針用于航海。唐僧一行(683——727)、宋沈括(1031-1095)均對有關地球物理問題作過研究。地球物理學也是早期經典物理學的重要研究內容。牛頓由研究地球和月球的運動而發現了萬有引力,由此產生了重力學;牛頓以後的許多數學家和物理學家都曾對地球物理學的研究作出過重要貢獻,為地球物理學的形成和發展奠定了基礎。

地球物理學的發展與科學本身的發展條件和人類生存需要密切相關。在18、19世紀時地球物理學的一系列問題是物理學中引人註目的領域。20世紀20年代開始利用地震波走時理論研究地球內部的分層結構取得突破性進展。30年代興起的地球物理勘探(特別是地震勘探),對資源的開發和利用起到了關鍵作用。40年代,特別是第二次世界大戰以後發展起來的地殼與上地慢的地震探測極大地深化了人類對岩石層(圈)的認識。50年代開始的地震預測研究受到世界各國的關註。另外,人類在本世紀初探測到了電離層,隨後實現了無線電通信。50年代末人造衛星發射成功,發現了輻射帶、太陽風和磁層頂,空間物理學迅速發展為一門獨立學科,為人類航天活動提供環境認識的保證。

50年代的國際地球物理年,艦年代的上地慢計畫,70年代的地球動力學計畫、國際磁層計畫,幼年代、切年代的國際岩石層(圈)計畫、地圈一生物圈計畫、全球電離層和熱層計畫、國際日地物理計畫,使地球物理學研究取得了新的進展。板塊構造學說的提出和新地球觀的形成,日地空間各層次能量耦合作用的發現,改變了一系列傳統觀念。

近代正在發展的岩石層(圈)地震層析成象,全球與區域的三維結構,復雜地質構造中地震波理論,地震震源的動力學破裂理論,地球內部介質的不均勻性和非線性特征,熱動力機製與演化,環境地球物理,地震災害預測,流體在岩石層(圈)介質中的作用,日地系統整體變化和地球空間環境預報,反演理論與方法等方面的研究,以及大型快速電子電腦、航空、海洋和空間探測技術的套用,將進一步提高地球物理的研究水準,深化人類對地球物理問題的認識。

地球物理學是一門套用性很強的基礎學科,它的研究成果有助于增進人類對所生息的地球及其周圍空間環境的科學認識,而且支持著眾多的國民經濟建設中具有重要意義的產業部門或高科技領域。例如,勘探和開發利用石油與天然氣、地熱資源、金屬與非金屬礦藏,預測與預防(或防治)諸如地震、火山、滑坡及岩爆等自然災害,保護與監測地球生態環境,保障目地空間環境中航天飛行安全等。今天,地球物理學已成為地球科學中最具活力的學科之一,並且與地質科學有密切聯系,其研究成果將對21世紀人類的生存發展產生重要影響。

當代地球物理學面臨嚴峻的挑戰,如自然災害、能源需求急增、資源短缺、環境惡化、人口成長對土地的壓力等均直接威脅著人類的生存與進步,空間開發國際競爭則直接關系到國家安全和利益。地球物理學家必須投入研究和解決一系列嚴峻的挑戰性問題,為確保人類社會的可持續發展作出貢獻。

地球物理學包括固體地球物理學和空間物理學兩個二級學科。

第一位教授

在閱讀地球物理經典論文的同時,對照著追蹤撰寫這些經典論文的作者生平,包括他們的童年時代,以及他們的前後學術家譜,有時候也是一件非常有趣並值得深思的事情。

大多數人都對地震學家裏克特(CharlesFrancisRichter)耳熟能詳,主要是因為他那著名的裏氏地震震級的標定方法。裏克特是幸運的,能夠正好趕上地震學日新月異快速發展的大好時代。他學術出身于傳統的經典物理學,博士畢業之前,便能夠得到諾貝爾獎得主——密立根的賞識,進入到蒸蒸日上的後來挪至加州理工學院的地震學實驗室工作,並因此能夠“傍上”當時地震學界的超級大腕——地震學家古登堡(BenoGutenberg);反過來,因為古登堡與裏克特等人的開創性工作,加州理工學院的地震學實驗室,也包括加州理工學院本身,因此而變得更加地有名。

關于古登堡,我曾經在“紀念人類發現地殼100周年”一文中介紹了他的代表性工作,是他發現了地球內部的地幔地核介面——我們今天稱之為古登堡介面,並且準確地通過地震學的方法確定了這個介面的深度,他的這項非凡的工作發表于1914年。到了1930年,也就是裏克特獲得他的物理學博士學位的兩年後,古登堡因為他的猶太裔身份,被迫從當時的自然科學中心德國,轉道美國任加州理工學院地震學實驗室的教授,從而開始了他與裏克特兩人之間長時間的親密合作。

完全可以說,如果沒有古登堡的大力提攜與高風亮節,那麽今天關于地震震級標定的名稱,或許就有可能變成了古氏震級,基本沒有裏克特與裏氏震級什麽事了,甚至裏克特是否能夠成為加州理工學院的教授,都可能是一個未知數。當然,這樣的歷史不會發生,也不可能發生。

因為古登堡同樣遇到了一位很好的學術領路人——地球物理學家威歇特(EmilWiechert)!凡學過“地震學原理”課程者都知道,地震波在地球內部傳播,它的傳播速度如何確定?有兩個非常經典的辦法可以求解,一個是古登堡提出的拐點方法,另一個便是威歇特等人提出的積分方法。換句話說,我們今天關于地震學的大部分工作,都是建立在威歇特與古登堡師徒二人的工作基礎之上的。

進一步追蹤可以發現,其實古登堡之所以偉大,一定程度上與威歇特的慧眼識才及其後的大力提拔是分不開的。事實上,稱威歇特為一位傑出的傳統物理學家一點都不意外,他曾經在世界上第一個成功地測量出了電子的質荷比,隻是在具體解釋的最後臨門一腳中,因為“臭腳”而致球偏出網不入正門。

威歇特隨後從一位傳統的物理學家,華麗轉身為世界上的第一位地球物理學家(1898年),他首先提出了可實證的地球分層模型,並提出來如何確定這些分層的計算方法,隨後逐漸地被他自己,與他的得力弟子古登堡等人一一確認與修改。

其實,在量子力學產生以前,傳統物理學中表征微觀尺度的原子分層模型,這在十九世紀末與二十世紀初那段時間的物理學家們看來,是一件再正常不過的事情。

與之對照,未來的地球物理學如何發展?現在看來,也同樣到了地球物理學家們認真思考的時候了。換句話說,關于地球物理,我們現在有可能走到了一個臨界點,類似于100年前的傳統物理學那樣的狀態——但隨後便有了量子物理學。

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