Địa vật lý

Địa vật lý là một ngành của khoa học Trái Đất nghiên cứu về các quá trình vật lý, tính chất vật lý của Trái Đất và môi trường xung quanh nó. Phạm trù địa vật lý đôi khi chỉ đề cập đến các ứng dụng của nó: hình dạng Trái đất, trường từ và trường trọng lực của quả đất, thành phần và cấu trúc bên trong của nó, các quá trình động lực học và biểu hiện trên bề mặt của chúng trong kiến tạo mảng, sự hình thành của magma, núi lửa và các thành tạo đá. Tuy nhiên, các tổ chức địa vật lý hiện đại sử dụng một định nghĩa rộng hơn bao gồm chu kỳ tuần hoàn của nước (xét đến cả băng và tuyết), các quá trình động lực của chất lỏng trong đại dương và khí quyển, điện tích và từ tính trong quyển ion, quyển từ của Trái đất, và các vấn đề khác thường liên quan đến Mặt trăng và các hành tinh khác.
Khảo sát địa vật lý nghiên cứu một loạt các hiện tượng tự nhiên, bao gồm cả hình dạng, sự vận động trong lòng Trái Đất, và các quá trình trong thạch quyển, thủy quyển và khí quyển.
Địa vật lý có hai hướng nghiên cứu là Vật lý Địa cầu nghiên cứu cơ bản về Trái Đất và môi trường xung quanh, và Địa vật lý Thăm dò. Địa vật lý thăm dò bao gồm việc ứng dụng lý thuyết địa vật lý và thiết bị vào mục đích tìm kiếm thăm dò tài nguyên hay khảo sát môi trường trong phạm vi lớp vỏ ngoài Trái Đất.
Bên cạnh đó, các phương pháp nghiên cứu của địa vật lý cũng được ứng dụng vào nghiên cứu các thiên thể trong vũ trụ.

Tổng quan

Theo truyền thống, Địa vật lý đôi khi được coi là một nhánh độc lập của các ngành khoa học tự nhiên, khác biệt với địa chất và vật lý đơn thuần, mặc dù có sự nhấn mạnh đến tính liên ngành. Liên đoàn Quốc tế về Trắc địa và Địa vật lý (IUGG) đại diện cho địa vật lý trong Hội đồng Khoa học Quốc tế (International Council for Science, ICSU) ở mức độ tương tự như sinh học, hóa học, vật lý và toán học. Nhiều trường đại học có khoa Địa vật lý riêng biệt, và có một hệ thống độc lập của hiệp hội địa vật lý, các ấn phẩm, và các hội nghị.
Địa vật lý được áp dụng cho các nhu cầu xã hội, chẳng hạn như tìm tài nguyên khoáng sản, bảo vệ môi trường và giảm nhẹ thiên tai. Dữ liệu Khảo sát địa vật lý được sử dụng để phân tích tiềm năng chứa dầu khí, khoáng sản, tìm nước ngầm, tìm di vật khảo cổ học, tìm vật chưa nổ (UXO), xác định độ dày của băng hà và đất, và đánh giá tính chất đất đá tại các vị trí xây dựng để xử lý môi trường và kỹ thuật xây dựng,...

Lịch sử

Địa vật lý được công nhận là một lĩnh vực khoa học riêng biệt từ thế kỷ 19, tuy vậy nguồn gốc của nó đã có từ thời cổ đại.
La bàn từ tính đầu tiên đã được chế từ đá nam châm (Lodestone), và sau đó la bàn từ tính đóng vai trò quan trọng trong hàng hải. Các dụng cụ quan sát địa chấn đầu tiên được chế từ năm 132 TCN ở Trung Hoa.
Isaac Newton áp dụng lý thuyết tương tác hấp dẫn của ông để giải thích về cơ chế thủy triều. Sau đó các công cụ được phát triển để đo hình dạng, mật độ và trọng trường Trái Đất, cũng như các thành phần trong vòng tuần hoàn nước.
Trong thế kỷ 20, các phương pháp địa vật lý đã được phát triển cho thăm dò thạch quyển và thủy quyển Trái Đất. Địa vật lý cũng đóng một vai trò thiết yếu trong sự phát triển của lý thuyết kiến tạo mảng.

Các hiện tượng vật lý

Địa vật lý đề cao tính liên ngành, đóng góp vào mọi lĩnh vực của vật lý và các khoa học Trái Đất. Để cung cấp một ý tưởng rõ ràng hơn về những gì cấu thành địa vật lý, phần này mô tả hiện tượng được nghiên cứu trong vật lý và cách chúng liên quan đến Trái Đất và môi trường xung quanh của nó.

Điện

Hiện tượng điện được thấy đầu tiên là sét trong mưa giông. Trái Đất là thể rắn, khí quyển bao quanh bị bắn phá bởi các bức xạ vũ trụ nên có điện tích dương. Nó tạo ra một điện trường gần mặt đất, trung bình là 120 V/m, và dòng điện khoảng 1800 A chạy trong mạch toàn cầu. Các dòng này thể hiện bởi sét bên dưới những đám mây.
Trong đất đá thì các quá trình điện hóa tạo ra điện thế thiên nhiên. Ngoài ra, nếu phát nguồn điện nhân tạo phát vào đất đá, thì tính chất điện khác nhau của các đất đá khác nhau sẽ cho ra phản ứng khác nhau. Nghiên cứu các quá trình này là cơ sở cho một loạt các phương pháp thăm dò điện, để nghiên cứu thạch quyển và thủy quyển với nhiều chủ đích.

Điện từ

Sóng điện từ xảy ra trong tầng điện ly, từ quyển và ở lõi ngoài Trái Đất. Đồng ca bình minh (Dawn chorus) được cho là gây ra bởi các điện tử năng lượng cao bị mắc kẹt trong vành đai bức xạ Van Allen. Ngoài ra sét đánh trong khí quyển, các nguồn phát sóng tần thấp (300 Hz – 10 kHz) từ các lò plasma trong tầng điện ly, trong từ quyển,... tạo ra sóng điện từ kiểu “tiếng huýt gió”. Sóng điện từ cũng có thể được tạo ra bởi động đất (xem Seismo-electromagnetics).Các cảm ứng điện từ trong thạch quyển và thủy quyển, gọi là dòng tellur, có nguồn gốc từ nhiễu động trong tầng điện ly, nhiễu từ trường, hoặc do chuyển động của các khối nước. 
Tại lõi ngoài Trái Đất, dòng điện trong sắt lỏng có độ dẫn điện tạo ra từ trường bằng cảm ứng điện từ theo thuyết geodynamo. Sóng Alfvén là sóng từ thủy động lực trong từ quyển hoặc lõi Trái Đất. Trong lõi, chúng có thể có hiệu ứng rất nhỏ để quan sát được trong từ trường Trái Đất, nhưng sóng chậm như sóng từ Rossby (Magnetic Rossby waves) có thể là một trong các nguồn gốc của sự biến đổi từ trường Trái Đất theo thời gian.
Phương pháp điện từ được sử dụng trong khảo sát địa vật lý bao gồm Thăm dò điện từ Tellur (Magnetotellurics) và điện từ miền thời gian (Transient Electromagnetics, TDEM).

Phóng xạ

Phân rã phóng xạ cấp khoảng 80% của nội nhiệt Trái Đất, tạo năng lượng cho geodynamo và kiến tạo mảng. Các nguồn cấp nhiệt chính có các đồng vị Kali K⁴⁰, Urani U²³⁸, U²³⁵ và Thori Th²³².
Nguyên tố phóng xạ được sử dụng trong định tuổi bằng đồng vị phóng xạ, là phương pháp chính để thiết lập khoảng thời gian tuyệt đối trong Địa thời học.
Đo phóng xạ, gồm đo gamma tổng và đo phổ gamma, đo khí Radon, sẽ xác định phân bố của các đồng vị phóng xạ gần bề mặt Trái Đất, phục vụ cho lập bản đồ thạch học, tìm quặng phóng xạ, xác định mức độ hoạt động của đứt gãy, xác định ô nhiễm phóng xạ của môi trường tự nhiên.

Thủy động lực học

Chuyển động chất lỏng xảy ra trong từ quyển, khí quyển, đại dương, quyển manti và lõi Trái Đất. Ngay cả trong lớp phủ rắn mặc dù có một độ nhớt rất lớn, vẫn có sự chảy giống như một chất lỏng nếu xem xét trong khoảng thời gian dài (xem Địa động lực).
Địa vật lý Thủy động lực học là một công cụ chính trong vật lý hải dương học và khí tượng học. Sự quay của Trái Đất có ảnh hưởng sâu sắc đến thủy động lực học của Trái Đất, thường là do hiệu ứng Coriolis. Trong bầu không khí nó làm phát sinh chuỗi dòng xoáy quy mô lớn như sóng Rossby (Rossby waves) và xác định các mô hình lưu thông cơ bản của các cơn bão. Trong đại dương nó định hướng các lưu thông xoáy quy mô lớn như sóng Kelvin (Kelvin wave) và xoắn ốc Ekman (Ekman spirals) ở bề mặt đại dương.
Trong lõi Trái Đất, sự lưu thông xoáy của sắt nóng chảy được cấu trúc bởi các cột Taylor (Taylor column).
Sóng và những hiện tượng khác trong từ quyển có thể được mô phỏng bằng Từ thủy động lực học.

Kích thước và hình dạng của Trái Đất

Ở dạng khái quát cao nhất, thì coi Trái Đất có dạng hình cầu.
Sự quay quanh trục dẫn đến lực ly tâm, làm nó phình ra về phía xích đạo. Vì vậy nó được khái quát có hình dạng của một ellipsoid có bề mặt là xấp xỉ của Geoid trên đại dương. Nó được gọi là Ellipsoid quy chiếu (Reference ellipsoid), là nền tảng trong môn Trắc địa để lập ra hệ tọa độ địa lý gồm vĩ độ (latitude), kinh độ (longitude), cao độ (elevation), lập ra khung chiếu (Projection) cho thành lập Bản đồ địa hình trên Trái Đất. Tuy nhiên các quốc gia chọn cách xấp xỉ với Geoid và chọn điểm mốc kinh tuyến gốc khác nhau, nên hiện có nhiều Hệ tọa độ địa lý.
Trong số đó hệ WGS84 (World Geodetic System 1984) có xuất phát từ Hoa Kỳ và được gọi là Hệ thống trắc địa thế giới, đang là cơ sở của Hệ thống định vị toàn cầu GPS, được dùng phổ biến nhất. Hệ WGS84 sử dụng mô hình geoid EGM96 (Earth Gravitational Model 1996) hiệu đính năm 2004, với bán kính tại xích đạo a = 6378137 m và tại địa cực b = 6356752.3142 m, độ dẹt f = 1/298.257223563.
Các chi tiết hình dạng Trái Đất thì bị ảnh hưởng bởi sự phân bố của các lục địa và bồn đại dương, và trong chừng mực nào bởi sự di động của các mảng kiến tạo.
Hình dạng Trái Đất đầy đủ nhất, là bề mặt vật lý gồm đất liền và vùng nước, tức địa hình với độ cao so với bề mặt của ellipsoid quy chiếu, và biểu diễn trên Bản đồ địa hình. Trên bản đồ các vùng nước được biều diễn bằng mực nước trung bình, ví dụ mặt Biển Chết là -429 m, mặt hồ Ba Bể ở Việt Nam là +145 m, tuy nhiên các vùng phủ băng vĩnh cửu thường bị bỏ trống.

Nghiên cứu trong vũ trụ

Thăm dò trong không gian cho phép quan sát ở các vùng phổ khác nhau của sóng điện từ và ánh sáng kể cả vùng không nhìn thấy, cũng như sự thay đổi trọng trường và từ trường. Đo sự thay đổi trọng trường và từ trường bằng tàu vũ trụ trên quỹ đạo cho phép xác định các chi tiết tinh tế của trường ở hành tinh được quan sát. Ví dụ, trong năm 1970, các nhiễu động trọng trường trên biển của Mặt trăng (Lunar maria) đã được đo lường thông qua tàu vũ trụ mặt trăng, dẫn đến việc phát hiện sự tập trung mật độ (mascons), bên dưới các bồn trũng Imbrium, Crisium, Nectaris và Humorum.