固体地球物理学学科分类总结

作者: 胜负55开 | 来源:发表于2019-05-15 12:04 被阅读0次

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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，穿透性越强，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，绕射性越强，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！所以物理学和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！是波！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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