Заметки о геоэлектрике

На відміну від практичної цільової науки — електророзвідки, геоелектрику розглядають як науку фундаментальну, яка ставить своїм завданням чесне максимально достовірне вивчення об’єктивної реальності — Землі. Оскільки спостереження електромагнітних полів можливі тільки на/над поверхнею Землі в обмеже...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Геофизический журнал
Date:	2012
Main Author:	Рокитянский, И.И.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2012
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97847
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Заметки о геоэлектрике / И.И. Рокитянский // Геофизический журнал. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 235-244. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859609596928196608
author	Рокитянский, И.И.
author_facet	Рокитянский, И.И.
citation_txt	Заметки о геоэлектрике / И.И. Рокитянский // Геофизический журнал. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 235-244. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Геофизический журнал
description	На відміну від практичної цільової науки — електророзвідки, геоелектрику розглядають як науку фундаментальну, яка ставить своїм завданням чесне максимально достовірне вивчення об’єктивної реальності — Землі. Оскільки спостереження електромагнітних полів можливі тільки на/над поверхнею Землі в обмеженій кількості пунктів з обмеженою точністю, висновки геоелектрики завжди неоднозначні. Надання лише єдиного розв’язку, особливо отриманого із застосуванням регуляризації, може призводити до помилкових висновків і сприйматися як підтасовування фактів, тобто дискредитувати як авторів, так і всю науку геоелектрику. У світлі викладеного багато результатів інверсії (особливо 2D) слід розглядати не як змістовний доведений геологічний результат, а як одне з можливих перетворень функцій відгуку. Unlike practical science — electrical prospecting, geoelectrics is regarded as a fundamental science, which sets the task of an honest, reliable study of the objective reality — the Earth. Since observation of electromagnetic fields is possible only on/above the Earth in a limited number of sites with limited accuracy, the conclusions of geoelectrics are always ambiguous. Providing only a single solution, especially resulting from the use of regularization, can lead to false conclusions, and regarded as a manipulation of facts, that discredits both the authors and the whole science of geoelectrics. So, many products of inversion (especially 2D) should be regarded not as a well proven geological result but as one of possible transformation of response functions В отличие от практической, целевой науки - электроразведки, геоэлектрика рассматривается как наука фундаментальная, т. е. ставящая своей задачей честное максимально достоверное изучение объективной реальности - Земли. Поскольку наблюдения электромагнитных полей возможны только на/над поверхностью Земли в ограниченном количестве пунктов с ограниченной точностью, выводы геоэлектрики всегда неоднозначны. Предоставление только единственного решения, особенно полученного с применением регуляризации, может приводить к ложным выводам и рассматриваться как подтасовка фактов, т.е. дискредитировать как авторов, так и всю науку геоэлектрику. В свете изложенного многие результаты инверсии (особенно 2D) следует рассматривать не как содержательный доказанный геологический результат, а как одно из возможных преобразований функций отклика.
first_indexed	2025-11-28T10:43:05Z
format	Article
fulltext	ЗАМЕТКИ О ГЕОЭЛЕКТРИКЕ Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 235 Введение. Геофизика твердой Земли — это раздел естествознания, изучающий физиче- ские поля и свойства в твердых оболочках планеты. Геофизика является основным ис- точником информации о строении глубоких слоев Земли и процессах в них, причем важно отметить, что информация получается дистан- ционно, следствием чего является неопреде- ленность, неоднозначность ее выводов и не- возможность прямой проверки этих выводов практикой (напомним, что самая глубокая шах- та, в которую спускался человек, не превышает 3 км, самая глубокая скважина, в которую опу- скался геофизический прибор, не превышает 13 км). Признание неоднозначности результа- тов геофизики и других наук, основанных на наблюдениях и экспериментах, является важ- ным методологическим аспектом. По цели исследования в геофизике можно выделить фундаментальное направление (бу- дем называть его «физика Земли» и «геоэлек- трика» — ее часть) и прикладное — геофизиче- ская разведка (и электроразведка — ее часть). Цель физики Земли — исследование Земли как объективной реальности, получение достовер- ных новых знаний о ее структуре, составе и происходящих процессах. Цель геофизической УДК 550.383 Заметки о геоэлектрике © И. И. Рокитянский, 2012 Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина Поступила 30 апреля 2012 г. Представлено членом редколлегии В. Н. Шуманом На відміну від практичної цільової науки — електророзвідки, геоелектрику розглядають як науку фундаментальну, яка ставить своїм завданням чесне максимально достовірне вивчення об’єктивної реальності — Землі. Оскільки спостереження електромагнітних полів можливі тільки на/над поверхнею Землі в обмеженій кількості пунктів з обмеженою точністю, висновки геоелектрики завжди неоднозначні. Надання лише єдиного розв’язку, особливо отриманого із застосуванням регуляризації, може призводити до помилкових висновків і сприйматися як підтасовування фактів, тобто дискредитувати як авторів, так і всю науку геоелектрику. У світлі викладеного багато результатів інверсії (особливо 2D) слід розглядати не як змістовний доведений геологічний результат, а як одне з можливих перетворень функцій відгуку. Unlike practical science — electrical prospecting, geoelectrics is regarded as a fundamental science, which sets the task of an honest, reliable study of the objective reality — the Earth. Since observation of electromagnetic fields is possible only on/above the Earth in a limited number of sites with limited accuracy, the conclusions of geoelectrics are always ambiguous. Providing only a single solution, especially resulting from the use of regularization, can lead to false conclusions, and regarded as a manipulation of facts, that discredits both the authors and the whole science of geoelectrics. So, many products of inversion (especially 2D) should be regarded not as a well proven geological result but as one of possible transformation of response functions. разведки — поиск и разведка полезных иско- паемых и энергетических ресурсов, которые — тоже объективная реальность. Но разведку могут не интересовать многие детали строе- ния земной коры, а свои результаты она мо- жет выдавать в самом упрощенном виде: есть месторождение или его нет. Такое исследова- ние принято называть целевым. Характерной особенностью целевого исследования является требование определенности, единственности решения, которое является руководством к практическому действию. Рассмотрим при- мер. Производству к определенному сроку требуется полезное ископаемое. Выделяются деньги, допустим А грн на разведку. Достовер- ный метод — только прямое вскрытие с помо- щью шурфов, шахт, скважин. Эффективность прямых вскрытий на неизученной территории пусть будет N%. Если выполнить геофизиче- скую разведку, эффективность должна повы- ситься. Геофизикам выделяется часть средств. Они должны выбрать оптимальную методику, провести наблюдения, обработать их, проин- терпретировать и к заданному сроку совер- шенно конкретно показать места, где следует проводить прямые вскрытия. Выделенных средств и времени всегда не И. И. РОКИТЯНСКИЙ 236 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 хватает для обстоятельного исследования тер- ритории. Приходится решать поставленную задачу при остром недостатке информации. Однако единственное решение должно быть получено и представлено в срок. Подобная си- туация встречается во многих системах управ- ления, которые на основе текущей, обычно недостаточной по объему и точности инфор- мации и априорных данных, должны выдать единственное решение: курс корабля, цель ракеты, потребность региона в товарах и мно- гое другое. Для математического обоснования решения в подобных исследованиях важное значение имеет теория решения некоррект- ных задач, в частности теория регуляризации, развитая А. Н. Тихоновым [1943] и его учени- ками. Регуляризация заменяет некорректно поставленную задачу корректной и решение последней трактуется как приближенное ре- шение первой исходной задачи. Такой подход дает единственное решение, необходимое для практических приложений. Физика Земли не ставит перед собой кон- кретных практических целей, кроме наиболее полного и точного исследования реального объекта — Земли. В этом она выступает как фундаментальная наука, которая только на определенных этапах развития дает не всег- да предсказуемые практические результаты. Учитывая постоянное несоответствие между желанием исследователя знать и сказать об объекте исследования как можно больше и недостатком адекватной информации о нем, представляется важным заострить внимание на неоднозначности выводов при исследова- нии Земли и обратной задачи. Обратная задача геофизики есть задача извлечения информа- ции об интересующем нас объекте — Земле — из экспериментальных данных. Для формиро- вания методологии решения обратной задачи геофизики основополагающее значение имеют следующие общие положения: 1) реальный объект всегда неисчерпаем по своей сложности, поэтому его точное описа- ние невозможно никаким конечномерным вектором. Формально можно сказать, что точное описание реального объекта требует бесконечномерных векторов, определяемых в абстрактном бесконечномерном простран- стве параметров; 2) в любую заданную эпоху объем геофи- зической информации конечен, т. е. данные наблюдений могут быть описаны вектором с конечной размерностью; 3) параметризацию, а именно переход от реального объекта к его конечномерным мо- делям, можно выполнить бесконечным числом способов, т. е. число возможных моделей бес- конечно. Эти положения можно сформулировать в виде теоремы о неоднозначности обратной за- дачи [Backus, Gilbert, 1967]: множество моде- лей реального объекта, которые после решения прямой задачи моделирования дают точные значения данных наблюдения для любого их конечного количества, либо пусто, либо бес- конечно. Поскольку реальные наблюдения всегда ха- рактеризуются конечной погрешностью, это еще более расширяет множество допустимых решений обратной задачи. Методы глубинной геоэлектрики, изло- женные с уклоном исторического обзора их развития на Украине (более обширный обзор представлен в работе [Жданов, 2011]). Гео- электромагнитные методы — одни из наибо- лее перспективных в изучении земных глубин. Изучаемым параметром является электропро- водность σ. Рассмотрим только методы, исполь- зующие естественные электромагнитные поля, возбуждающиеся в магнитосфере и ионосфере Земли под воздействием непрерывно изменяю- щегося корпускулярного и электромагнитного излучения Солнца. Методы, использующие ис- кусственные поля, освещены в обстоятельном обзоре [Жамалетдинов, 2011]. Глубинные геоэлектромагнитные исследо- вания включают три основных метода: магни- товариационное зондирование (МВЗ), магни- тотеллурическое зондирование (МТЗ) и маг- нитовариационное профилирование (МВП). Манитовариационное зондирование. В 1883 г. Лэмб опубликовал теорию электромаг- нитной индукции в проводящей сфере, в 1889 г. Шустер разделил поле суточных геомагнитных вариаций на части внешнего (первичное поле) и внутреннего (вторичное индуцированное поле) происхождении, а по их соотношению установил, что недра Земли являются хоро- шим проводником. В первой половине ХХ века Чепмен, Прайс, Бенькова показали, что элек- тропроводность увеличивается с глубиной. В третьей четверти ХХ века прогресс МВЗ был связан, во-первых, с улучшением данных на- блюдения, начиная с Международного геофи- зического года — МГГ (1957—1958), во-вторых, с представлением данных в виде импеданса, что позволило применить хорошо развитую теорию частотного зондирования (Экхард, Сривастава, Бердичевский, Ваньян, Файнберг, ЗАМЕТКИ О ГЕОЭЛЕКТРИКЕ Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 237 Бэнкс, Рокитянский, Шмукер1). За последние 20 лет прогресс МВЗ определялся переходом на цифровую регистрацию на геомагнитных обсерваториях, использованием спутниковых данных и усилением компьютерных возмож- ностей для обработки данных и решения слож- ных задач по учету неоднородностей распре- деления электропроводности (Шульц, Олсен, Кувшинов, Семенов и др.). На Украине в конце 1960-х годов были со- браны и проанализированы доступные ре- зультаты временного и пространственного гармонического анализа трех компонент гео- магнитных вариаций на мировой сети обсер- ваторий и собственных полевых наблюдений. В результате этого анализа и численного мо- делирования были обоснованы возможности метода МВЗ [Рокитянский, 1968], построена кривая глобального МВЗ в диапазоне перио- дов от 6 ч до 11 лет впервые с оценкой неопре- деленности, которая оказалась значительно меньше неопределенности глубинных МТЗ в отдельных пунктах, что позволило выдвинуть концепцию привязки данных МТЗ к данным МВЗ [Рокитянский, 1970, 1971а]. Амплитудная и фазовая кривые МВЗ были использованы для определения наиболее вероятного распреде- ления электропроводности σ(z) в интервале глубин 400—1000 км с оценкой неопределен- ности. Предполагая оливиновый состав верх- ней мантии и используя данные лабораторных измерений зависимости электропроводности природных оливинов от давления и темпера- туры, по полученной зависимости σ(z) были построены наиболее вероятная и максималь- ная геотермы (z). Наибольшее значение име- ет максимальная геотерма, показывающая, что истинное (z) с вероятностью 0,9 лежит ниже нее [Рокитянский 1970, 1971б]. Оказалось, что большинство рассчитанных ранее геотерм ле- жит значительно выше полученной максималь- ной кривой и, следовательно, противоречат данным МВЗ. Хорошее соответствие получи- лось с результатами расчетов Тозера, который учел конвективный механизм теплопереноса в верхней мантии. Таким образом, выполненное глобальное МВЗ с оценкой неопределенности и его геотермическая интерпретация позволи- ли сделать фундаментальный вывод об опреде- ляющей роли конвективного теплопереноса в верхней мантии. Данные МВЗ используются также для опре- 1 Ссылки на указанных авторов см. в работе [Роки- тянский, 1981]. деления нормального разреза верхней мантии, причем нормальные разрезы могут быть раз- личными для океана и суши, для стабильных платформ и активных тектонических регио- нов (Ваньян, Шмукер, Семенов). Особенно тщательная обработка геомагнитных данных выполнена последним автором. Семенов выде- ляет характерный перегиб кривой на периодах порядка 106 — 107с, который интерпретирует как некоторое уменьшение проводимости с увеличением глубины в интервале 700 — 1000 км. Это очень интересный геофизический ре- зультат, но его достоверность нуждается в под- тверждении путем привлечения дополнитель- ных наблюдений и анализа всех возможных погрешностей. Магнитовариационное профилирование. Сущность метода состоит в наблюдении ло- кальных аномалий в поведении геомагнитных вариаций и их интерпретации в терминах аномального (отличного от 1D нормального) распределения электропроводности внутри Земли. Частным случаем МВП можно считать исследование берегового эффекта, когда ано- мальное поведение геомагнитных вариаций возникает благодаря контрасту проводимо- стей суши и моря. Береговой эффект наблю- дался на нескольких обсерваториях в период МГГ: Сенько и Мансуровым на Антарктиче- ской обсерватории Мирный, Паркинсоном в Австралии, автором на обсерватории Алушта в Крыму. Рокитянским [Рокитянский, 1963] было дано физическое истолкование берего- вого эффекта и на его основании предложена гипотеза, объясняющая массовые отходы пе- лагических рыб от побережий во время геомаг- нитных бурь. Это явление давно было замечено рыбаками и биологами на Баренцовом и других полярных морях, но не имело объяснения. Аномальное поведение геомагнитных ва- риаций на суше было обнаружено в Германии, Японии, Полярной Канаде еще в 1950-е годы. Возбуждение аномальных полей объясняли ин- дукцией в локальном проводнике, индукция во вмещающей среде не учитывалась. При таком подходе аномальные поля не могут быть боль- ше нормальных, что, однако, наблюдалось на некоторых аномалиях и рассматривалось как парадокс. Автор столкнулся с аномальным по- ведением геомагнитных вариаций на Украин- ском щите в 1966 г. при проведении полевых работ по популярной тогда методике МВЗ в отдельных пунктах. Обнаруженная на щите Кировоградская аномалия для своего объяснения и интерпре- И. И. РОКИТЯНСКИЙ 238 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 тации требовала развития новых подходов, т. е. создания нового метода — МВП. На это были направлены основные усилия лаборатории электромагнитных исследований Института геофизики НАН Украины (Рокитянский, Шу- ман, Кулик, Логвинов, Тонковид и др.). Путем расчетов и моделирования было показано, что в реальной геологической среде даже сравни- тельно небольшой проводимостью вмещающих пород пренебрегать нельзя. В ней планетарно- региональным магнитосферно-ионосферным источником индуцируются региональные токи и доминирующая роль в формировании ано- мального тока в локальном хорошо проводя- щем теле принадлежит процессу кондуктив- ного перетекания тока из вмещающей среды, а локальная индукция в большинстве реальных геоэлектрических ситуаций второстепенна. На этой основе была построена теория и методика количественной интерпретации данных МВП [Рокитянский, Шуман, 1970, 1971; Рокитянский 1972, 1975], основные положения которых мож- но сформулировать в виде следующих пунктов: 1) аномальное поле геомагнитных вариаций есть сумма полей кондуктивного и индукци- онного типов. Над локальными неоднородно- стями практически всегда преобладает поле кондуктивного типа. Оно пропорционально импедансу нормального разреза, функции, описывающей степень заполнения тела ано- мальными токами, и затуханию во вмещающей среде (последним часто можно пренебречь). Три названные величины зависят от периода вариаций, и их произведение определяет ча- стотную характеристику аномального поля; 2) необходимый для интерпретации МВП нормальный импеданс определяется по сово- купным данным глобального МВЗ и обобщен- ным данным МТЗ; 3) амплитудная частотная характеристика аномального поля имеет всегда, по крайней мере, один максимум на периоде T0, фаза в окрестности T0 изменяет знак; 4) при известных нормальном импедансе и затухании во вмещающей среде частотная характеристика аномального поля над двумер- ным телом определяется его интегральной про- дольной проводимостью G; 5) над вытянутыми трехмерными (3D) про- водниками T0 смещается в сторону коротких периодов при уменьшении длины тела; 6) по форме профильной кривой аномально- го поля практически можно определить только максимально возможную глубину залегания проводящего тела; 7) аномальные поля (и профильные гра- фики, и частотные амплитудно-фазовые ха- рактеристики) от поверхностных и глубоко залегающих тел могут быть практически оди- наковы, поэтому методом МВП нельзя опре- делить истинную глубину аномалии, для этого необходимы методы зондирования. Развитая методика была применена для интерпретации Северо-Германско-Польской, Карпатской, Кировоградской и других из- вестных и вновь открываемых аномалий гео- магнитных вариаций в диапазоне периодов от нескольких минут до нескольких часов. В результате были определены количественные параметры всех известных тогда аномалий — местоположение, глубина, суммарная продоль- ная проводимость G) и предложено два подхо- да к классификации аномалий: по глубине с учетом возможной природы проводимости и по масштабу [Рокитянский, 1975]. Аномалии электропроводности могут быть обусловлены: 1) зонами частичного плавления — наибо- лее подвижными участками земной коры и верхней мантии, к которым приурочены ак- тивные тектонические движения, процессы регионального метаморфизма и образования полезных ископаемых; 2) грабенообразными структурами осадоч- ного чехла, которые во многих случаях содер- жат месторождения нефти и газа; 3) крупными скоплениями электронопро- водящих пород, в первую очередь графитсо- держащих; 4) крупными зонами глубинных разломов. Все указанные объекты представляют перво- степенный интерес для построения физико- химических моделей земной коры и верхней мантии, для тектонических выводов, а также для прогнозирования месторождений полез- ных ископаемых. Магнитотеллурическое зондирование. Ме- тод МТЗ был предложен А. Н. Тихоновым [Ти- хонов, 1950] и Л. Каньяром [Gagniard, 1953]. В их модели распределение электропроводности предполагается одномерным, т. е. зависящим только от глубины (горизонтально-слоистая модель). В последующие годы была выполнена обработка синхронных наблюдений электри- ческого и магнитного полей, записанных на обсерваториях, и построены кривые глубин- ного МТЗ, которые дали существенно раз- личающиеся результаты: глубина до хорошо проводящего основания верхней мантии из- менялась от 50 до 2000 км. В 1962 г. автором была опубликована кривая МТЗ для обсерва- ЗАМЕТКИ О ГЕОЭЛЕКТРИКЕ Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 239 тории Борок. На длинных периодах кривая рас- щеплялась на две ветви и возникала дилемма, какую ветвь или их комбинацию использовать для интерпретации? Изучение многих наблю- денных кривых МТЗ и их теоретический ана- лиз привели к выводу, что значительная часть кривых глубинного МТЗ смещена по уровню близлежащими неоднородностями. Смещение это на достаточно длинных периодах становит- ся постоянным и потому было названо стати- ческим. В 1968 г. автор доложил этот результат на Всесоюзной конференции в Новосибирске, где он подвергся резкой критике ведущих специалистов МТЗ. В работах [Рокитянский, 1970; 1971а] была описана физическая сущ- ность формирования статических искажений и предложены способы их распознавания и минимизации. В частности, предложена при- вязка длиннопериодных ветвей кривых МТЗ к данным глобального МВЗ. На западе первые работы по статическим искажениям появились в 1975 г. и в последующие годы борьба с при- поверхностными искажениями стала одной из центральных проблем магнитотеллурики. В работах [Рокитянский, 1975; 1981] были рассмотрены все доступные кривые глубинно- го МТЗ и выполнена их привязка к данным гло- бального МВЗ. По совокупности исправленных кривых были построены нормальные разрезы и определены соответствующие нормальные импедансы. Последние необходимы как апри- орная информация при количественной интер- претации данных МВП по методике, описанной в предыдущем разделе. Этапы геоэлектрического исследования. Измеряемыми величинами являются компо- ненты естественных электрического и магнит- ного полей, представляемые в виде дискретных временных рядов, содержащих богатый набор вариаций с различными периодами (различ- ной временной частотой). Чтобы исключить из дальнейшего рассмотрения изменяющиеся параметры источников ЕМ поля, проводится обработка временных рядов с целью получе- ния функций отклика (ФО или RF-response functions) (реальной Земли на поступивший сигнал в виде конкретного (пусть многоднев- ного) временного ряда компонент ЕМ поля от реальных источноков). ФО зависят от частоты или периода (или времени при переходе к ге- оэлектрике импульсных переходных характе- ристик—transient geoelectrics). Основными ФО являются (тензор) импеданс(а), определяемый как отношение взаимно перпендикулярных горизонтальных компонент электрического и магнитного полей (по нему обычно вычисля- ются вспомогательные ФО, визуализирующие данные и облегчающие интерпретацию: кажу- щееся сопротивление или кажущаяся продоль- ная проводимость, эффективная глубина,…), МТЗ и магнитное отношение, определяемое как отношение вертикальной компоненты геомагнитных вариаций к горизонтальной для выделенной пространственной гармони- ки (МВЗ), типпер и магнитный тензор (МВП). Каждая ФО вводится в рамках некоторой идеа- лизированной модели поля и строения Земли. Например, импеданс соответствует модели Ти- хонова—Каньяра (плоская волна) или является спектральным, т. е. определяется по одной про- странственной гармонике поля. Практически эти условия никогда точно не выполняются (более строгий подход к обработке и истол- кованию ЕМ данных развивает В. Н. Шуман [Шуман, 2010; Шуман, Савин, 2011], однако этот подход требует более сложной системы сложных наблюдений и преодоления стерео- типов), поэтому импеданс и другие функции отклика всегда определяются с некоторой по- грешностью. Поскольку отклонения реального источника от идеализированной модели часто носят не случайный, а систематический харак- тер, оценка ФО в большинстве случаев будет смещена, что не отражается в статистических оценках погрешностей, определяемых при об- работке. Особенно большим смещением [Ро- китянский, 1968] может характеризоваться ФО магнитное отношение Z/H в предположении, что наблюдаемое поле полностью описывается первой сферической гармоникой (однородное поле кольцевого тока — популярный источник для МВЗ по данным одной магнитной обсер- ватории). Допустим, функции отклика количествен- но определены с оптимальной неопределенно- стью в точке, или на профиле, или по площади и можно перейти к конечной цели исследова- ния — построению геоэлектрической модели, т. е. к нахождению распределения электропро- водности недр Земли в районе выполненных наблюдений. В математической постановке это называют решением обратной задачи или инверсией. Как было отмечено во введении, обратная задача всегда некорректна (теоре- ма Бакуса—Гильберта) и количество моделей, удовлетворяющих полученным данным, всегда бесконечно. Математическая инверсия может давать весьма странные результаты. Например, даже при одномерной инверсии могут полу- чаться чередования слоев с очень высокой и И. И. РОКИТЯНСКИЙ 240 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 очень низкой электропроводностью, оптималь- но удовлетворяющие данным наблюдения, хотя и невозможные с точки зрения физики и геологии. Очевидно, «способности» мате- матической инверсии следует лимитировать (регуляризировать), т. е. ввести ограничения на возможные вариации электропроводности, надежно следующие из физико-геологических (априорных) данных. Такое ограничение мож- но назвать «слабой» регуляризацией обрат- ной задачи. Кроме того, если ФО (допустим, импеданс, заданный в некотором диапазоне периодов) описывается N числами, не следует искать геоэлектрическую модель, описывае- мую числами, если M>N — обратная задача не доопределена. Если принять M=N, то матема- тически можно получить точное единственное решение, но это совершенно невероятный слу- чай, чтобы входные данные точно попали в об- ласть определения заданного класса искомых моделей (и удовлетворяли бесконечному ряду неравенств Вайдельта [Weidelt, 1972]). Обычно ищут «гладкие» модели с M<<N. При этом вход- ные параметры ФО вводятся с погрешностью их вычисления, т. е. статистического опреде- ления при обработке (статистическая оценка, не учитывающая возможных систематических погрешностей). Если облако входных парамет- ров ФО (с учетом введенных погрешностей) включает область определения параметров при решении прямой задачи для искомого класса моделей, то решение принимается и погреш- ность определения каждого параметра найден- ной модели может быть оценена по матрице чувствительности. Если некоторый параметр модели mi мало чувствителен к небольшим изменениям входных данных nk (0<k<N), то он определяется надежно и его можно принять за инвариант рассматриваемой задачи. При- мерами надежно определяемых параметров при 1D зондировании является суммарная продольная проводимость S хорошо проводя- щего слоя и глубина его верхней кромки, при 2D МВП — избыточная суммарная продоль- ная проводимость G аномального проводника и максимальная оценка его глубины/ширины. При этом сама удельная проводимость опре- деляется в широких пределах неоднозначно даже в выбранном классе моделей и неодно- значность увеличивается при переходе к более сложным моделям. Чтобы сделать возможным решение обрат- ной задачи, необходимо выполнить параме- тризацию разреза, т. е. перейти от бесконеч- номерного вектора σ(x,y,z) к конечномерному σ=( 1, 2,...,xN). Параметризация не формализу- ется, а выбирается исследователем на основе его опыта, интуиции и априорных данных и может быть выбрана бесконечным числом способов. Далее вступают в действие хорошо развитые и формализованные методы инвер- сии, которые могут в автоматическом режиме найти оптимальное единственное решение, наилучшим образом соответствующие данным наблюдения. Возможно также применение ме- тода регуляризации, которое может сместить полученное решение благодаря учету априор- ных данных. Все эти решения находятся в рам- ках выбранной параметризации, за пределами которой может остаться бесконечное множе- ство решений, удовлетворяющих данным на- блюдения, в том числе наилучшее приближе- ние к истинному σ(x,y,z). Поэтому нахождение единственного решения не может быть конеч- ной целью фундаментальной науки. Как же описать бесконечное множество возможных решений? Целесообразно ввести концепцию фундаментальных моделей (ФМ), понимая под фундаментальной моделью мно- жество конкретных моделей Земли, которые при решении прямой задачи дают множество числовых значений функций отклика, различа- ющихся между собой не больше, чем погреш- ность их определения в результате наблюдений и обработки. Составление каталога фундамен- тальных моделей — процесс очень трудоемкий, но будучи однажды выполнен, каталог может быть использован для автоматизированного решения обратной задачи, например путем использования метода нейросетей. Роль измерений состоит в наложении огра- ничений на множество всевозможных моделей. Пусть измерениям соответствует мно- жество ( ) геоэлектрических моделей. При увеличении числа измерений на 1 мно- жество допустимых моделей сократится до ( 1) (M), оставаясь всегда бесконечным. Возникает вопрос, дает ли получение одного решения обратной задачи приращение знаний о строении Земли? Ответ должен быть отрица- тельным, поскольку знание — это «проверен- ный практикой результат познания действи- тельности, верное ее отражение в сознании человека. Знание противоположно незнанию, т. е. отсутствию проверенной информации о чем-либо» (БСЭ, изд. 3, т. 9, с. 555). А поскольку наука — это «сфера человеческой деятельно- сти, функцией которой является выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности» (там же, т. 17, ЗАМЕТКИ О ГЕОЭЛЕКТРИКЕ Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 241 с. 323), то поиск одной модели строения Земли в условиях широкой неоднозначности обрат- ной задачи следует признать ненаучным под- ходом, ибо «научная деятельность правомерно называется таковой лишь постольку, поскольку она дает приращение нового знания» (там же). Поскольку описание бесконечного числа моде- лей затруднительно, под знанием в геофизике (кроме самих измеренных физических полей и параметров) следует понимать инварианты свойств всех моделей Земли, удовлетворяющих данным наблюдений. Поиск таких инвариан- тов можно считать главной задачей интерпре- тации геофизических данных, хотя и инвари- анты ищут обычно в некоторых частных клас- сах моделей, например в классе 1D моделей. Между тем, представление одной модели, выбранной случайно или для «подтвержде- ния» некоторой гипотезы, стало широко рас- пространенной практикой в литературе и дис- сертациях, особенно по геологическим наукам. В физике подобные работы рассматриваются как фальсификация, с которой научное сооб- щество обязано бороться, чтобы поддерживать высокий стандарт данной науки, поддерживать доверие общества ко всем ее выводам и тем самым оправдывать хорошее финансирование науки из бюджета. Безответственность выводов некоторых ра- бот поддерживается тенденцией «засекретить» исходные материалы наблюдений. Общеприня- то, что засекречивание работ, выполняемых по государственному бюджету, проводится только в целях обеспечения безопасности. Геофизиче- ские наблюдения даже в СССР были открыты для международного сотрудничества (МГГ- МГСС 1957—1959). В США проводятся широ- комасштабные наблюдения электромагнитных полей, и полученные данные размещают в Ин- тернете для всеобщего использования. В физике общепринято тщательно опи- сывать условия проведения экспериментов и данные наблюдений так, чтобы любой мог воспроизвести подобные условия, повторить наблюдения и убедиться в правильности по- лученных результатов. Без такого тщательного описания и анализа всех возможных погреш- ностей экспериментальные работы не при- нимаются к опубликованию в солидных жур- налах. В СССР в Министерстве геологии дей- ствовали жесткие инструкции по проведению полевых работ методом МТЗ. Они включали систематическую эталонировку аппаратуры, повторные контрольные наблюдения на 5 % по- левых пунктов, и если результаты контрольных измерений отличались от исходных более чем на допустимую погрешность, работа на всех пунктах браковалась со всеми вытекающи- ми последствиями. Университеты и учебные институты подтягивались к такому уровню, поскольку требования к наблюдениям были включены в учебные программы. А в Акаде- мии наук СССР каждый действовал как хотел (и это одна из причин падения ее престижа). Рассмотрим кратко результаты дискус- сии по этическим вопросам науки в журна- ле «Physics Today». В июне 1999 г., Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) объявила об открытии элементов 116 и 118 (Physics To- day, август 1999, с. 17). На открытие и изуче- ние элементов 110—112 ушли годы упорной работы на лучших ускорителях мира. Самый тяжелый элемент 114 был открыт в 1998 г. на ускорителе в Дубне. Россия и большинство теоретиков предсказывало, что для открытия еще более тяжелых элементов еще не создан достаточно мощный ускоритель. Поэтому пу- бликация LBNL привлекла всеобщее внимание и развернулись попытки включиться в иссле- дование свойств новых элементов. Однако в лабораториях Германии, Японии и Франции ничего не получалось, даже в LBNL не могли повторить свой результат. После долгого вну- треннего расследования руководство LBNL в июле 2001 г. направило в редакцию «Physics Today» опровержение своего открытия. Пер- вый и основной автор открытия Виктор Нинов был обвинен в фальсификации, он обвинения отрицал и требовал независимого расследо- вания. В 1999 г. он один располагал програм- мой обработки данных наблюдения, был при- знанным научным лидером и все доверяли его выводам. Остальные соавторы и сотрудники LBNL не смогли обнаружить в файлах первич- ных записей сигналов, свидетельствовавших об открытии. К 2001 г. этот файл исчез (Нинов был отправлен в полугодовой отпуск и затем уволен) и последующие несколько авторитет- ных комиссий не могли сделать иного вывода, кроме фальсификации. Другое «открытие века» произошло в не менее известной Bell Labs. Lucent Technolo- gies (BLLT), где группа ученых разработала тонкопленочную технику изготовления орга- нических материалов с феноменальными свой- ствами, включающими сверхпроводимость, свойства лазера и др. Победные сообщения об открытии появились в четырех выпусках «Physics Today» (май и сентябрь 2000, январь и октябрь 2001) и многих других научных жур- И. И. РОКИТЯНСКИЙ 242 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 налах. Основным изготовителем материалов и их кропотливого исследования был Др. Шен. Остальные соавторы, включая директора BLLT, в работе по существу не участвовали. Исследователи изготовленных Шеном мате- риалов не смогли выявить их замечательных свойств. Начали работать комиссии по про- верке, укомплектованные авторитетнейшими учеными. Шен не предъявил ни первичный файл данных (стерт из-за недостатка памяти в его старом компьютере), ни одного работающе- го прибора, исследовавшего свойства нового материала (пострадали при измерениях или транспортировке, выброшены), ни работаю- щей установки, изготавливающей материал. Комиссии установили, что из 24 новых опу- бликованных результатов в 25 публикациях 16 являются фальсификациями. Шен признал, что допустил много ошибок, но отрицал пред- намеренную фальсификацию и настаивал, что наблюдал описанные явления. Особое внимание комиссий и последовав- ших дискуссий о научной этике было уделено ответственности соавторов и рецензентов на- учных журналов. Соавторы подписались под «сделанными ими» крупными открытиями, не потрудившись ни проверить их вместе с основ- ным исполнителем, ни вникнуть в их суть. Это, конечно, недопустимый факт. Что касается ре- цензентов, они не обязаны подозревать любую работу в возможной фальсификации, но долж- ны следить, чтобы экспериментальная работа или работа, основанная на эксперименте, со- держали достаточно измеренных первичных данных и подробное описание аппаратуры и условий эксперимента — достаточное, чтобы любой интересующийся и сомневающийся мог воспроизвести эксперимент. Я убежден, что эти требования, общепринятые в физике, уместны и необходимы и в геофизике, если геофизическое сообщество и геофизические организации заботятся о сохранении и подня- тии стандарта своих исследований. После описанных случаев в Американском физическом обществе (АФО) прошла широкая дискуссия по вопросам научной этики и при- нято новое руководство «минимальных стан- дартов этического поведения ученых»(Physics Today, January 2003, P. 21): результаты исследований должны быть записаны и сохранены в форме, ко- торая позволяет их просмотр и анализ. Данные должны быть немедленно до- ступными для сотрудников и заинтере- сованных ученых. Фальсификация или выборочное представление части данных с целью введения в заблуждение является «вопиющим отклонением от ожидаемых норм»; публикации и авторская практика. Авторство «должно быть ограничено теми лицами, кто внес значительный вклад в концепцию, конструирование, исполне- ние или интерпретацию исследования». Индивидуумам, кто помогал в исследова- нии, следует высказать благодарность, но не включать как авторов. Плагиат являет- ся недопустимым; экспертная оценка (рецензирование) является существенным компонентом научного процесса. Хотя эта оценка мо- жет быть трудной и занимающей время, ученые обязаны участвовать в этом про- цессе. Рецензенты не должны учитывать личностные взаимоотношения (соперни- чества или сотрудничества) с любым из авторов. Новая информация о данных или идеях, получаемая при рецензировании, должна до опубликования оставаться кон- фиденциальной и не использоваться ре- цензентом для получения конкурентной выгоды; конфликт интересов. Признавая, что профессиональная активность физиков часто имеет потенциал для конфликта ин- тересов и согласие объективно и эффек- тивно не может быть достигнуто, актив- ность должна быть прекращена. Следует признать, что честная ошибка является составной частью научной деятельности. Ошибаться — не значит совершать неэти- ческий поступок при условии, что ошибка быстро признана и исправлена после ее обнаружения. Заключение. Рассмотрим общепринятую в геоэлектрике последовательность действий при проведении исследований. Этап планиро- вания работ (постановка задач, геологическая и геофизическая изученность, выбор методики наблюдений…) рассматривать не будем. 1. В результате наблюдений получены дис- кретные (интервал опроса Δt) временные ряды компонент электромагнитного поля в пунктах, обычно расположенных на некотором профиле или площади. Эти записи называют первичны- ми входными данными ПД (rough data). 2. Обработка ПД ФО имеет целью осво- бодиться от всего, что связано со свойствами источника поля в ПД, и получить ФО, завися- щие только от искомых свойств Земли, причем ЗАМЕТКИ О ГЕОЭЛЕКТРИКЕ Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 243 в виде, удобном для определения этих свойств {σ( , ,z)}. Обработка — задача далеко не три- виальная, она неизбежно включает модельные представления как об источнике поля, так и об изучаемой среде, и от адекватности выбранных моделей зависит очень многое. Для локальных и умеренно региональных исследований широко используется модель Тихонова—Каньяра (Т— К) с источником в виде плоской вертикально падающей ЕМ волны. Для МТЗ основной функ- цией отклика является импеданс, удобными его заменителями или производными от него мо- гут быть адмитанс, кажущееся сопротивление, кажущаяся продольная проводимость, кажу- щаяся глубина и др. «Кажущиеся» параметры введены на основе некоторой модели электро- проводности Земли, обычно однородной. Это относится также к импедансу и адмитансу. Отклонение реальной Земли от однородного строения приводит к изменению их частот- ной зависимости в одномерном случае σ(z) и к тензорному виду при горизонтально неодно- родном распределении электропроводности. Временные ряды, как правило, зашумлены различными помехами и наложениями источ- ника, не удовлетворяющими условию частот- ного зондирования, при котором только и при- менима модель Т—К. Современная обработка включает многооконный анализ различных участков записи с учетом коэффициентов ко- герентности между компонентами. В резуль- тате получаем численные значения компонент тензора ФО со статистической оценкой не- определенности результата и все это на некото- рой последовательности периодов (частот) для пунктов наблюдения, допустим на некотором профиле =0. Некоторые помехи или особен- ности источника могут быть не распознаны су- ществующими методами анализа и тем самым внести вклад в систематическую погрешность. Полученный массив чисел образует ФО на данном участке земной поверхности и хочет- ся получить из него достоверные сведения о распределении проводимости земных недр в регионе. Общепринятый метод — двумерная (2D) инверсия функций отклика, полученных вдоль профиля с принятием направления про- филя в качестве поперечной поляризации. Во многих случаях такое принятие совершенно не соответствует реальной структуре. Тогда инверсия по разным компонентам функции отклика (например, ρ и ρ ) может давать су- щественно разные геоэлектрические разрезы. Тем не менее такие разрезы строятся, яркими красками выделяются проводящие и непрово- дящие структуры и делаются конкретные гео- логические и геодинамические выводы. Автор считает, что инверсия — это ни что иное, как еще одно из возможных преобразований в под- множестве функций отклика. Оно может быть удачным (реальная структура квазидвумерная и профиль примерно перпендикулярен к ней), что должно обнаруживаться по согласованно- сти результатов инверсии по всем компонен- там ФО. В противном случае инверсия уводит в сторону от подмножества моделей реальной среды, совместимых с данными наблюдения- ми. Строго говоря, предание такой инверсии геологической значимости можно квалифици- ровать как фальсификацию. Но пока это ши- роко распространенная практика. Ее можно еще квалифицировать как «честную ошибку», которую, однако, следует признать, исправить и в дальнейшем не повторять. Список литературы Жамалетдинов А. А. Теория и методика глубинных электромагнитных зондирований с мощными контролируемыми источниками // Матер. 5-й Всерос. школы-семинара им. М. Н. Бердичевско- го и Л. Л. Ваньяна по электромагнитным зондиро- ваниям Земли — ЭМЗ-2011. — Санкт-Петербург: Изд-во СПб ун-та, 2011. — С. 21—51. Жданов М. С. Сто лет электромагнитной геофизики: заметки о прошлом и дорога в будущее // Матер. 5-й Всерос. школы-семинара им. М. Н. Берди- чевского и Л. Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли — ЭМЗ-2011. — Санкт- Петербург: Изд-во СПб ун-та, 2011. — С. 52—85. Рокитянский И. И. Береговой эффект в вариациях электромагнитного поля Земли // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. — 1963. — № 12. — С. 1814—1822. Рокитянский И. И. Геофизические методы магни- товариационного зондирования и профилирова- ния. — Киев: Наук. думка, 1972. — 226 с. Рокитянский И. И. Глубинные магнитотеллуриче- ские зондирования при наличии искажений от горизонтальных неоднородностей // Геофиз. сб. АН УССР. — 1971 а. — № 43. — С. 71—77. Рокитянский И. И. Индукционное зондирование Земли. — Киев: Наук. думка, 1981. — 296 с. Рокитянский И. И. Исследование аномалий электро- проводности методом магнитовариационного И. И. РОКИТЯНСКИЙ 244 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 профилирования. — Киев: Наук. думка, 1975. — 296 с. Рокитянский И. И. Исследование глубинной элек- тропроводности // Геофиз. сб. АН УССР. — 1970. — № 38. — С. 102—106. Рокитянский И. И. Некоторые оценки электропро- водности и температуры верхней мантии по маг- нитовариационным данным // Докл. АН СССР. — 1971 б. — 198, № 2. — С. 337—340. Рокитянский И. И. О возможностях метода магни- товариационного зондирования // Геомагнетизм и аэрономия. — 1968. — 8, № 4. — С. 755—759. Рокитянский И. И., Шуман В. Н. Магнитовариацион- ное профилирование // Изв. АН СССР. Физика Земли. — 1970. — № 10. — С. 39—47. Рокитянский И. И., Шуман В. Н. Обратная задача магнитовариационного профилирования // Изв. АН СССР. Физика Земли. — 1971. — № 8. — С. 63—69. Тихонов А. Н. Об устойчивости обратных задач // Докл. АН СССР. — 1943 — 39. — С. 195—198. Тихонов А. Н. Об определении электрических харак- теристик глубоких слоев земной коры // Докл. АН СССР. — 1950. — 73. — С. 295—297. Шуман В. Н. Магнитотеллурический импеданс: фун- даментальные модели и возможные их обобще- ния // Геоф. журн. — 2010. — 32, № 3. — С. 18—28. Шуман В. Н., Савин М. Г. Математические модели геоэлектрики. — Киев: Наук. думка, 2011. — 240 с. Backus G. E., Gilbert J. F. Numerical applications of a for- malism for geophysical inverse problem // Geophys. J. Roy. Astronom. Soc. — 1967. — 13. — Р. 247—276. Cagniard L. Basic theory of the magneto-telluric method of geophysical prospecting // Geophysics. — 1953. — 18. — P. 605—635. Weidelt P. The inverse problem of geomagnetic induc- tions // Z. Geophysic. — 1972. — 38. — P. 257—289.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-97847
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0203-3100
language	Russian
last_indexed	2025-11-28T10:43:05Z
publishDate	2012
publisher	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
record_format	dspace
spelling	Рокитянский, И.И. 2016-04-04T06:08:47Z 2016-04-04T06:08:47Z 2012 Заметки о геоэлектрике / И.И. Рокитянский // Геофизический журнал. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 235-244. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0203-3100 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97847 550.383 На відміну від практичної цільової науки — електророзвідки, геоелектрику розглядають як науку фундаментальну, яка ставить своїм завданням чесне максимально достовірне вивчення об’єктивної реальності — Землі. Оскільки спостереження електромагнітних полів можливі тільки на/над поверхнею Землі в обмеженій кількості пунктів з обмеженою точністю, висновки геоелектрики завжди неоднозначні. Надання лише єдиного розв’язку, особливо отриманого із застосуванням регуляризації, може призводити до помилкових висновків і сприйматися як підтасовування фактів, тобто дискредитувати як авторів, так і всю науку геоелектрику. У світлі викладеного багато результатів інверсії (особливо 2D) слід розглядати не як змістовний доведений геологічний результат, а як одне з можливих перетворень функцій відгуку. Unlike practical science — electrical prospecting, geoelectrics is regarded as a fundamental science, which sets the task of an honest, reliable study of the objective reality — the Earth. Since observation of electromagnetic fields is possible only on/above the Earth in a limited number of sites with limited accuracy, the conclusions of geoelectrics are always ambiguous. Providing only a single solution, especially resulting from the use of regularization, can lead to false conclusions, and regarded as a manipulation of facts, that discredits both the authors and the whole science of geoelectrics. So, many products of inversion (especially 2D) should be regarded not as a well proven geological result but as one of possible transformation of response functions В отличие от практической, целевой науки - электроразведки, геоэлектрика рассматривается как наука фундаментальная, т. е. ставящая своей задачей честное максимально достоверное изучение объективной реальности - Земли. Поскольку наблюдения электромагнитных полей возможны только на/над поверхностью Земли в ограниченном количестве пунктов с ограниченной точностью, выводы геоэлектрики всегда неоднозначны. Предоставление только единственного решения, особенно полученного с применением регуляризации, может приводить к ложным выводам и рассматриваться как подтасовка фактов, т.е. дискредитировать как авторов, так и всю науку геоэлектрику. В свете изложенного многие результаты инверсии (особенно 2D) следует рассматривать не как содержательный доказанный геологический результат, а как одно из возможных преобразований функций отклика. ru Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України Геофизический журнал Заметки о геоэлектрике Нотатки про геоелектрику Notes on geoelectrics Article published earlier
spellingShingle	Заметки о геоэлектрике Рокитянский, И.И.
title	Заметки о геоэлектрике
title_alt	Нотатки про геоелектрику Notes on geoelectrics
title_full	Заметки о геоэлектрике
title_fullStr	Заметки о геоэлектрике
title_full_unstemmed	Заметки о геоэлектрике
title_short	Заметки о геоэлектрике
title_sort	заметки о геоэлектрике
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97847
work_keys_str_mv	AT rokitânskiiii zametkiogeoélektrike AT rokitânskiiii notatkiprogeoelektriku AT rokitânskiiii notesongeoelectrics

Заметки о геоэлектрике

Institution

Similar Items