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海床年代。定年资讯大部分来自于磁异常

地球物理学(英语:Geophysics)是透过定量物理方法研究地球自然科学学科。通常使用地震波重力电磁地热放射能等方法。狭义的地球物理学专指地质学上的应用,包括地球的形状; 重力场和磁场; 内部结构和组成; 动力学和板块构造; 岩浆的产生; 火山活动和岩石形成等[1]。不过现代地球物理学组织使用更广泛的定义,包括了冰和水在内的水循环; 海洋和大气的流体动力学; 电离层磁层中的电磁特性与日地关系; 以及月球和其他行星相关的类似问题[1][2][3]

虽然地球物理学在19世纪才被认为是一门独立的学科,但起源可以追溯到古代。最早人类开始以天然磁石制作成指南针。公元132年张衡建立了第一台检验地震的仪器。艾萨克·牛顿将他的力学理论应用于潮汐岁差,并开发了仪器来测量地球的形状、密度和重力场,以及水循环的流程。 20世纪以来,发展出使用远距离探测固体地球和海洋的地球物理学方法,地球物理学对于板块构造理论的发展影响相当大。

地球物理学有许多对于社会需求的应用,如矿产资源自然灾害预防和环境保护[2] 。地球物理勘测数据则用于分析潜藏的油气和矿脉; 地下水层定位;寻找考古遗迹;确定冰川土壤的厚度;评估环境复育英语environmental remediation的场址等等。

发展历史

地震学家约翰·米尔恩英语John Milne构想的古代中国候风地动仪外形。

地球物理学在19世纪才出现,由自然地理学地质学天文学气象学物理学的角度出发[4][5]。然而自古以来,人类已经对地磁地震等许多地球物理现象进行了探讨。

古代

公元前240年,昔兰尼埃拉托斯特尼推断地球是圆的,并使用三角学夏至太阳在埃及两地的角度测量出地球的周长。他也设计出经度纬度系统[6]。公元132年,发明家张衡发明了世界上最早的验震器[7],或许是关于地震最早的研究。欧洲在1571年后,才由欧特费尔英语Jean de Hautefeuille提出地震仪的设计,但并没有建成[8]

世界上最早记载关于使用天然磁石制成的指南针,出现在北宋沈括梦溪笔谈》。欧洲第一个关于指南针的纪录则是在1190年[9]

现代科学的开始

威廉·吉尔伯特1600年出版的《论磁石》标志着现代科学的开始。提出一系列精细的磁力实验报告后,吉尔伯特推测,指南针指向北,是因为地球本身就有磁性[10]。1687年,艾萨克·牛顿发表了《自然哲学的数学原理》,不仅为古典力学引力奠定了基础,也解释各种地球物理现象,如潮汐岁差[11]詹姆斯·福布斯于1844年建造了第一台地震仪,能够持续地记录地震活动[8]

方法

大地测量

地球物理测量是在特定时间、地点,精确测量位置、大地形变以及重力,属于大地测量学领域。大地测量学与地球物理学是两个各自独立,但彼此关系密切的领域,许多科学组织,如美国地球物理联盟(AGU)、加拿大地球物理联盟(AGU)和国际大地测量学与地球物理学联合会(IUGG)都同时包含这两者[12] 。要获得地表绝对位置最普遍的方式是透过全球定位系统(GPS),由4个以上的人造卫星资讯并参考1980年国际地球原子参数英语Geodetic Reference System 1980(GRS80)计算得到3维位置。另外也有大地天文学英语Geodetic astronomy方法,结合天文坐标和局部重力向量来获得大地坐标。此方法只提供两个坐标位置,比GPS的使用更为困难。但它可以用于测量地球的运动,如章动钱德勒摆动。两点或多点的相对位置可以使用甚长基线干涉测量决定[12][13][14]

重力测量因为需要相关的地表测量做为参考座标,也属于大地测量的一部分。对于陆地的重力测量可以使用地面或直升机上的重力仪英语Gravimeter。从1960年代开始,地球重力场可以通过分析人造卫星的运动来推算。海平面也可以通过使用卫星上的雷达高度计来测量,有助于建立更准确的大地水准面[12]。2002年,美国国家航空航天局发射了重力回复及气候实验卫星(GRACE),以一对双卫星通过GPS和微波测距系统测量两颗卫星之间的距离,来获得精确度的地球重力场变化。 GRACE检测到的重力变化包括由洋流变化引起的重力变化; 径流和地下水耗尽; 融化的冰盖冰川[15]

人造卫星和太空探测器

太空中的人造卫星除了使用可见光,也可以使用其他电磁频谱进行观测。地球物理学和太空物理学研究每个行星独特的重力场磁场。测量航天器在轨道上经历的加速度变化,可以绘制行星重力场的细节。例如在1970年代,透过月球轨道测量月海上方的重力场扰动,发现在了在雨海澄海危海神酒海湿海盆地下方,存在有质量异常集中的质量瘤[16]

地球物理学分支

地球物理学包括许多分支。固体地球物理学同样是使用多种传统物理学方法,但研究目的不同。主要是研究地球内部结构及其起源、演化并预测其发展。例如预报天然地震即是固体地球物理学的重要研究课题之一。勘测地球物理学是使用地震、重力、磁、电和电磁等的方法来寻找石油天然气矿石等等具有经济开发价值的物体[17]

参见

注解

  1. ^ 1.0 1.1 Sheriff 1991
  2. ^ 2.0 2.1 IUGG 2011
  3. ^ AGU 2011
  4. ^ Hardy & Goodman 2005
  5. ^ Schröder, W. History of geophysics. Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica. 2010, 45 (2): 253–261. doi:10.1556/AGeod.45.2010.2.9.
  6. ^ Eratosthenes 2010
  7. ^ Temple 2006,第177–181页
  8. ^ 8.0 8.1 Dewey & Byerly 1969
  9. ^ Temple 2006,第162–166页
  10. ^ Merrill,McElhinny & McFadden(1996)
  11. ^ Newton 1999 Section 3
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 National Research Council (U.S.). Committee on Geodesy 1985
  13. ^ Defense Mapping Agency 1984
  14. ^ Torge 2001
  15. ^ CSR 2011
  16. ^ Muller & Sjogren 1968
  17. ^ 什麼是「地球物理」(GEOPHYSICS)?. 台湾的活动断层. 经济部中央地质调查所. [2017-09-10]. (原始内容存档于2017-09-10) (中文(台湾)).

参考文献

  • American Geophysical Union. Our Science. About AGU. 2011 [September 2011]. (原始内容存档于2013-03-18).
  • About IUGG. 2011 [September 2011]. (原始内容存档于2017-07-02).
  • Dewey, James; Byerly, Perry. The Early History of Seismometry (to 1900). Bulletin of the Seismological Society of America. 1969, 59 (1): 183–227 [2017-07-15]. (原始内容存档于2011-11-23).
  • GRACE: Gravity Recovery and Climate Experiment. University of Texas at Austin Center for Space Research. 2011 [September 2011]. (原始内容存档于2009-12-01).
  • Defense Mapping Agency. Geodesy for the Layman (Technical report). National Geospatial-Intelligence Agency. 1984 [1959] [September 2011]. TR 80-003. (原始内容存档于2017-03-11).
  • Eratosthenes. Eratosthenes' "Geography". Fragments collected and translated, with commentary and additional material by Duane W. Roller. Princeton University Press. 2010. ISBN 978-0-691-14267-8.
  • Hardy, Shaun J.; Goodman, Roy E. Web resources in the history of geophysics. American Geophysical Union. 2005 [September 2011]. (原始内容存档于2013-04-27).
  • Merrill, Ronald T.; McElhinny, Michael W.; McFadden, Phillip L. The Magnetic Field of the Earth: Paleomagnetism, the Core, and the Deep Mantle. International Geophysics Series 63. Academic Press. 1998. ISBN 978-0124912458.
  • Muller, Paul; Sjogren, William. Mascons: lunar mass concentrations. Science. 1968, 161 (3842): 680–684. Bibcode:1968Sci...161..680M. PMID 17801458. doi:10.1126/science.161.3842.680.
  • National Research Council (U.S.). Committee on Geodesy. Geodesy: a look to the future (pdf). National Academies. 1985 [2017-07-15]. (原始内容存档 (PDF)于2017-04-29).
  • Newton, Isaac. The Principia, Mathematical principles of natural philosophy. A new translation by I Bernard Cohen and Anne Whitman, preceded by "A Guide to Newton's Principia" by I Bernard Cohen. University of California Press. 1999. ISBN 978-0-520-08816-0.
  • Sheriff, Robert E. Geophysics. Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics 3rd. Society of Exploration. 1991. ISBN 978-1-56080-018-7.
  • Temple, Robert. The Genius of China. Andre Deutsch. 2006. ISBN 0-671-62028-2.
  • Torge, W. Geodesy 3rd. Walter de Gruyter. 2001. ISBN 0-89925-680-5.

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