Εισαγωγή στη Γεωφυσική

Το προηγούμενο βιβλίο Γεωφυσικής, που διδάχθηκε σε φοιτητές του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και άλλων Πανεπιστημίων της Ελλάδας, είχε δημοσιευθεί το 1991 από τον δεύτερο συγγραφέα του παρόντος βιβλίου. Όμως, από τότε έχει πραγματοποιηθεί σημαντική πρόοδος πάνω σχεδόν σε όλα τα γνωστικά αντικείμενα της Γεωφυσικής. Νέες πληροφορίες έχουν εμπλουτίσει την υπάρχουσα γεωφυσική γνώση κατά την τελευταία εικοσαετία σε θέματα δομής, σύστασης και φυσικών μεταβολών του εσωτερικού της Γης, που αποτελούν τα βασικά θέματα τα οποία πραγματεύεται το παρόν σύγγραμμα. Η ανάπτυξη αυτή αφορά όχι μόνο τον εμπλουτισμό της γνώσης σε σχέση με κλασσικά γεωφυσικά αντικείμενα αλλά και την παραγωγή γνώσης σε νέα γεωφυσικά θέματα. Για παράδειγμα, η κλασσική γεωφυσική αντίληψη για τα γεωδυναμικά φαινόμενα που παρατηρούνται στην επιφάνεια της Γης (σεισμικότητα, ηφαιστειότητα, μετάθεση ηπείρων, κλπ) ήταν ότι αυτά οφείλονται σε αίτια που βρίσκονται κυρίως στο σύστημα λιθόσφαιρας – ασθενόσφαιρας, μέχρι και τον πάνω μανδύα (περίπου μέχρι το βάθος των 700 km), ενώ σήμερα είναι γνωστό ότι τέτοια αίτια βρίσκονται μέχρι το όριο μανδύα – πυρήνα (βάθος περίπου 2900 km). Διαπιστώθηκε μάλιστα ότι στα αίτια αυτά, που έχουν την πηγή τους σε τόσο μεγάλα βάθη μέσα στη Γη, οφείλεται η διάσπαση των λιθοσφαιρικών πλακών και η μετάθεση των σημερινών ηπείρων. Υπήρξε, συνεπώς, ανάγκη συγγραφής ενός νέου βιβλίου, το οποίο να βασίζεται στο παλαιότερο βιβλίο, αλλά να περιλαμβάνει τις βασικές αρχές της σύγχρονης γεωφυσικής γνώσης που είναι δημοσιευμένη σε πρόσφατες εκδόσεις (διεθνή περιοδικά, πρακτικά συνεδρίων, διαδίκτυο, κλπ).
Πέραν από την παραπάνω αναγκαιότητα επικαιροποίησης του βιβλίου, κατά την προηγούμενη εικοσαετία το περιεχόμενο του βιβλίου Γεωφυσικής, αλλά και πρόσθετη ύλη, διδάχθηκε σε φοιτητές διαφόρων τμημάτων του Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και άλλων Πανεπιστημίων της χώρας και αποκτήθηκε σημαντική πρόσθετη εμπειρία σχετικά με τον τρόπο που η Γεωφυσική γνώση προσλαμβάνεται από τους φοιτητές των τριτοβάθμιων ακαδημαϊκών ιδρυμάτων. Επιπλέον, ανταλλάχθηκαν απόψεις για διάφορα γεωφυσικά θέματα με συναδέλφους γεωφυσικούς, οι οποίοι έχουν σχετική εκπαιδευτική και ερευνητική εμπειρία και λάβαμε σοβαρά υπόψη μας τις προτάσεις τους. Έτσι, το περιεχόμενο του παρόντος βιβλίου είναι αποτέλεσμα της κοινής προσπάθειας των δύο συγγραφέων του για την αναπαραγωγή της βασικής γεωφυσικής γνώσης που ισχύει σήμερα σε παγκόσμιο επίπεδο και την αξιοποίηση της σχετικής διδακτικής εμπειρίας.
Το περιεχόμενο ενός πανεπιστημιακού συγγράμματος καθορίζεται συχνά από τις ανάγκες και το επιστημονικό υπόβαθρο των αναγνωστών του. Τα βιβλία Γεωφυσικής μπορούν να χρησιμοποιηθούν από δύο κατηγορίες αναγνωστών: Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει αυτούς που έχουν γεωλογικό επιστημονικό υπόβαθρο και είναι κατά κύριο λόγο φοιτητές των Τμημάτων Γεωλογίας, Γεωπεριβάλλοντος, Ορυκτών Πόρων κλπ. αλλά και επιστήμονες ή επαγγελματίες γεωλόγους, οι οποίοι ενδιαφέρονται για τον τρόπο με τον οποίο η Γεωφυσική συνεισφέρει στην επίλυση θεμελιωδών γεωλογικών προβλημάτων. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει αυτούς που έχουν κυρίως μαθηματικό υπόβαθρο (μαθηματικοί, φυσικοί, μηχανικοί, κλπ) και ενδιαφέρονται για θέματα Γεωφυσικής. Η βασική γνώση που δίνεται στα κεφάλαια του παρόντος βιβλίου έχει ως στόχο την ανάδειξη της γεωφυσικής-γεωλογικής σημασίας των σχετικών θεμάτων και παρουσιάζεται με τρόπο που μπορεί να προσεγγιστεί και από τις δύο κατηγορίες αναγνωστών. Παράλληλα, στο κείμενο παρέχονται οι βασικές μαθηματικές σχέσεις που είναι χρήσιμες για υπολογισμούς πρακτικής σημασίας και απαραίτητες για τη λύση των ασκήσεων Α_ κατηγορίας. Ορισμένες από τις ασκήσεις Β΄ κατηγορίας αφορούν αποδείξεις των πιο βασικών από τις σχέσεις που παρουσιάζονται στο κείμενο, ενώ οι υπόλοιπες αναφέρονται σε γεωφυσικά προβλήματα υψηλότερου επιπέδου δυσκολίας. Στο τέλος του βιβλίου παρέχονται, σε ξεχωριστό κεφάλαιο, αναλυτικές πληροφορίες και σχήματα για τη διαδικασία λύσης των ασκήσεων.
Αν και η σεισμική δραστηριότητα είναι ένα από τα σημαντικότερα γεωδυναμικά φαινόμενα στη Γη, τα καθαρά τεχνικά σεισμολογικά θέματα δεν εξετάζονται στο παρόν βιβλίο, γιατί παραδοσιακά παρουσιάζονται σε ειδικά βιβλία Σεισμολογίας, όπως το πρόσφατα δημοσιευμένο βιβλίο Σεισμολογίας (Παπαζάχος, Β., Καρακαϊσης, Γ. και Χατζηδημητρίου, Π., 2005). Είναι όμως γνωστό ότι οι σεισμολογικές τεχνικές είναι ιστορικά οι πιο σημαντικές, αλλά και πρακτικά από τις πιο αποτελεσματικές μεθόδους για τη λύση γεωφυσικών προβλημάτων που αφορούν το εσωτερικό της Γης. Για το λόγο αυτό σεισμολογικές μέθοδοι αναπτύσσονται και χρησιμοποιούνται στο παρόν βιβλίο για τη λύση διαφόρων γεωφυσικών προβλημάτων (κεφάλαια 2, 3, 8, 9). Για τους ίδιους λόγους δέν εξετάζονται στο παρόν βιβλίο ειδικές εφαρμογές της Γεωφυσικής στην επίλυση προβλημάτων επιφανειακής γεωλογίας, εντοπισμού κοιτασμάτων και γεωτεχνικών-γεωπεριβαλλοντικών προβλημάτων, οι οποίες επίσης εξετάζονται παραδοσιακά από ειδικά βιβλία Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής. Όμως στο παρόν βιβλίο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές πολλών γεωφυσικών μεθόδων (σεισμικές, βαρυτικές, μαγνητικές, ραδιομετρικές, κλπ.) και τα γενικά χαρακτηριστικά των κύριων δυναμικών πεδίων της Γης (βαρυτικό και μαγνητικό), που αποτελούν τη γνώση πάνω στην οποία θεμελιώνονται οι κυριότερες τεχνικές της Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής.
Το βιβλίο αυτό αποτελείται από εννέα κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο είναι εισαγωγικό και παρέχει γενικές πληροφορίες για τη Γεωφυσική, τη Γη και τη σχέση της με το ηλιακό σύστημα. Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά τη δομή και σύσταση του εσωτερικού της Γης ενώ το τρίτο κεφάλαιο περιλαμβάνει τη Γεωδυναμική. Το τέταρτο έχει ως αντικείμενο τη θερμότητα του εσωτερικού της Γης και το πέμπτο τη φυσική ραδιενέργεια και τον τρόπο που αυτή χρησιμοποιείται από τις μεθόδους ραδιοχρονολόγησης. Τα δύο βασικά δυναμικά πεδία της Γης, το πεδίο βαρύτητας και το μαγνητικό πεδίο, παρουσιάζονται στο έκτο και έβδομο κεφαλαίο, αντίστοιχα. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές σεισμικές μέθοδοι μελέτης της δομής του εσωτερικού της Γης, που είναι από τις κυριότερες γεωφυσικές μεθόδους που εφαρμόζονται για το σκοπό αυτό. Τέλος, στο ένατο κεφάλαιο αναπτύσσονται διάφορα σημαντικά θέματα γεωφυσικών τεχνικών και εφαρμογής ειδικών γεωφυσικών μεθόδων.
Το βιβλίο εκδίδεται με βασικό στόχο να χρησιμοποιηθεί ως διδακτικό σύγγραμμα πανεπιστημιακού επιπέδου, καλύπτοντας την ύλη που διδάσκεται σε προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και άλλων Πανεπιστημίων της χώρας. Έγινε, όμως, προσπάθεια ώστε το περιεχόμενό του να περιλαμβάνει και θέματα ευρύτερου θεωρητικού και πρακτικού ενδιαφέροντος, ώστε να είναι αξιοποιήσιμο και από επιστήμονες που ασχολούνται επαγγελματικά με γενικότερα γεωφυσικά θέματα (γεωφυσικοί, γεωλόγοι, γεωδαίτες, μηχανικοί, κλπ.). Στο τέλος κάθε κεφαλαίου περιλαμβάνονται αναφορές πρόσφατων δημοσιεύσεων σε διεθνή περιοδικά και βιβλία, ώστε να διευκολύνονται οι αναγνώστες που ενδιαφέρονται για ειδικότερη μελέτη γεωφυσικών θεμάτων.

Περιεχόμενα

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή
1. Αντικείμενο της Γεωφυσικής
2. Σημασία της Γεωφυσικής
3. Τρόποι Έρευνας στη Γεωφυσική
4. Σύντομη Ιστορία της Γεωφυσικής
5. Η Γη, το Ηλιακό Σύστημα και το Σύμπαν
   Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 2: Δομή και Σύσταση του Εσωτερικού της Γης
1. Εισαγωγή
2. Μεταβολή των Ταχυτήτων των Σεισμικών Κυμάτων Χώρου με το Βάθος και Βασικές Ενότητες του Εσωτερικού της Γης
3. Πυκνότητα του Εσωτερικού της Γης
4. Πίεση στο Εσωτερικό της Γης
5. Τιμές των Ελαστικών Σταθερών στο Εσωτερικό της Γης
6. Μεταβολή της Ανελαστικότητας και του Ιξώδους στο Εσωτερικό της Γης
7. Η Σύσταση του Εσωτερικού της Γης
8. Ανισοτροπία στο Εσωτερικό της Γης
9. Τρισδιάστατη Δομή του Εσωτερικού της Γης
10. Δομή Βάθους στο Χώρο του Αιγαίου
    Βιβλιογραφία
    Ασκήσεις

Κεφάλαιο 3: Δομή και Σύσταση του Εσωτερικού της Γης
1. Εισαγωγή
2. Τα Τρία Παγκόσμια Συστήματα Διάρρηξης
3. Η Μετάθεση των Ηπείρων
4. Η Θεωρία των Λιθοσφαιρικών Πλακών
5. Ιδιότητες των Ορίων των Λιθοσφαιρικών Πλακών και η Σχέση τους με το Σύστημα των Θερμών Κηλίδων
6. Σχετικές Κινήσεις των Λιθοσφαιρικών Πλακών
7. Δυνάμεις που Ασκούνται στις Κινούμενες Λιθοσφαιρικές Πλάκες
8. Απόλυτες Κινήσεις των Λιθοσφαιρικών Πλακών
9. Ορογένεση και Λιθοσφαιρικές Πλάκες
10. Τα Αίτια Κίνησης των Λιθοσφαιρικών Πλακών
11. Ενεργός Τεκτονική του Ελληνικού Χώρου
    Βιβλιογραφία
    Ασκήσεις

Κεφάλαιο 4: Θερμότητα του Εσωτερικού της Γης
1. Εισαγωγή
2. Η Ροή Θερμότητας από το Εσωτερικό της Γης
3. Πηγές Θερμότητας στο Εσωτερικό της Γης
4. Η Θερμοκρασία στο Εσωτερικό της Γης
5. Η Εξίσωση της Θερμικής Αγωγιμότητας και οι Εφαρμογές της
6. Διάδοση Θερμότητας με Μεταφορά στο Εσωτερικό της Γης
   Βιβλιογραφία
   Ασκήσεις

Κεφάλαιο 5: Φυσική Ραδιενέργεια και Μέθοδοι Ραδιοχρονολόγησης
1. Εισαγωγή
2. Νόμος των Ραδιενεργών Διασπάσεων
3. Αρχή των Μεθόδων Ραδιοχρονολόγησης
4. Μέθοδοι Ραδιοχρονολόγησης
5. Η Ηλικία της Γης και η Γεωλογική Κλίμακα Χρόνου
   Βιβλιογραφία
   Ασκήσεις

Κεφάλαιο 6: Το Πεδίο Βαρύτητας, οι Παλίρροιες και οι Γεωφυσικής Σημασίας Κινήσεις της Γης
1. Εισαγωγή
2. Η Ένταση και το Δυναμικό του Πεδίου Βαρύτητας της Γης
3. Ισοδυναμικές Επιφάνειες
4. Το Εξωτερικό Πεδίο Βαρύτητας της Γης
5. Η Εξίσωση του Σφαιροειδούς και του Ελλειψοειδούς της Γης
6. Προσδιορισμός του Πεδίου Βαρύτητας με Επίλυση της Σχέσης του Laplace
7. Μετρήσεις του Πεδίου Βαρύτητας της Γης
8. Το Γεωειδές και η Σχέση του με το Ελλειψοειδές της Γης
9. Μεταβολές και Διορθώσεις της Έντασης της Βαρύτητας της Γης
10. Ισοστασία
11. Ισοστατικό Αποτέλεσμα
12. Ισοστατική Ανωμαλία
13. Ο Αληθινός Μηχανισμός Βαρυτικής Αντιστάθμισης
14. Κατανομή των Ανωμαλιών Βαρύτητας στην Επιφάνεια της Γης και Ερμηνεία τους
15. Παλίρροιες της Γης
16. Γεωφυσικής Σημασίας Κινήσεις της Γης
    Βιβλιογραφία
    Ασκήσεις

Κεφάλαιο 7: Το Μαγνητικό Πεδίο της Γης
1. Εισαγωγή
2. Θεμελιώδη Μαγνητικά Μεγέθη
3. Στοιχεία του Μαγνητικού Πεδίου της Γης
4. Γεωγραφική Μεταβολή του Μαγνητικού Πεδίου της Γης
5. Μαγνητικό Πεδίο Διπόλου και Ομοιόμορφα Μαγνητισμένης Σφαίρας
6. Το Κύριο Μαγνητικό Πεδίο της Γης
7. Κανονικό και μη Κανονικό Μαγνητικό Πεδίο της Γης
8. Τα Αίτια του Κυρίου Μαγνητικού Πεδίου της Γης
9. Θεωρία της Αυτοδιεγειρόμενης Ηλεκτρικής Γεννήτριας
10. Χρονικές Μεταβολές του Κύριου Μαγνητικού Πεδίου
11. Παροδικές Μεταβολές του Μαγνητικού Πεδίου της Γης
12. Τελλουρικά Ρεύματα
13. Μεταβολή της Ηλεκτρικής Αγωγιμότητας στο Εσωτερικό της Γης
14. Παλαιομαγνητισμός
    Βιβλιογραφία
    Ασκήσεις

Κεφάλαιο 8: Σεισμικές Μέθοδοι Καθορισμού της Δομής του Εσωτερικού της Γης
1. Εισαγωγή
2. Γενικά Στοιχεία για τη Διάδοση των Σεισμικών Κυμάτων στη Γη
3. Αξιοποίηση των Χρόνων Διαδρομής των Κυμάτων Χώρου για τον Προσδιορισμό των Ταχυτήτων στο Εσωτερικό τη Γης
4. Κανονική Μεταβολή της Ταχύτητας με το Βάθος για Σφαιρική Γη
5. Καθορισμός της Ταχύτητας σε Συνάρτηση με το Βάθος
6. Καθορισμός της Δομής του Φλοιού από τους Χρόνους Διαδρομής των Κυμάτων Χώρου
7. Μέθοδος των Πλατών
8. Καθορισμός της Δομής με τη Μέθοδο των Επιφανειακών Κυμάτων
9. Καθορισμός της Δομής με τη Χρήση των Ελεύθερων Ταλαντώσεων της Γης
10. Αντιστροφή Σεισμικών Δεδομένων για τον Προσδιορισμό της Δομής της Γης
11. Σεισμική Τομογραφία και Τρισδιάστατη Δομής της Γης
    Βιβλιογραφία
    Ασκήσεις

Κεφάλαιο 9: Εφαρμογές Γεωφυσικών Μεθόδων
1. Εισαγωγή
2. Καθορισμός της Ενεργού Παραμόρφωσης του Φλοιού
3. Χρήση Παλαιομαγνητικών Δεδομένων για τον Υπολογισμό της Κίνησης Λιθοσφαιρικών Πλακών
4. Σχέσεις Ελαστικών Σταθερών, Ταχύτητας Κυμάτων, Πυκνότητας και Πίεσης στο Εσωτερικό της Γης
5. Η Ροπή Αδράνειας και η Δομή Πυκνότητας της Γης
6. Μεθοδολογία Καθορισμού της Χημικής Σύστασης του Εσωτερικού της Γης με Γεωφυσικά Στοιχεία
7. Εφαρμογή της Μεθόδου Herglotz – Wiechert για τον Καθορισμό της Δομής Ταχύτητας της Σελήνης
8. Καθορισμός της Δομής της Γης με τη Μέθοδο της Σκέδασης των Κυμάτων Rayleigh
9. Η Συνάρτηση Σφάλματος erf(x) και το Θερμικό Μοντέλο Ημιχώρου της Ωκεάνιας Λιθόσφαιρας
10. Το Σύστημα Σφαιρικών Συντεταγμένων και το Σχήμα της Γης
11. Σφαιρικές Αρμονικές Συναρτήσεις
    Βιβλιογραφία

Λύσεις των Ασκήσεων

Ευρετήριο Όρων