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...
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Геофизический журнал |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97847 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | 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| id |
irk-123456789-97847 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-978472016-04-05T03:02:28Z Заметки о геоэлектрике Рокитянский, И.И. 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. 2012 Article Заметки о геоэлектрике / И.И. Рокитянский // Геофизический журнал. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 235-244. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0203-3100 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97847 550.383 ru Геофизический журнал Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| 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. |
| format |
Article |
| author |
Рокитянский, И.И. |
| spellingShingle |
Рокитянский, И.И. Заметки о геоэлектрике Геофизический журнал |
| author_facet |
Рокитянский, И.И. |
| author_sort |
Рокитянский, И.И. |
| title |
Заметки о геоэлектрике |
| title_short |
Заметки о геоэлектрике |
| title_full |
Заметки о геоэлектрике |
| title_fullStr |
Заметки о геоэлектрике |
| title_full_unstemmed |
Заметки о геоэлектрике |
| title_sort |
заметки о геоэлектрике |
| publisher |
Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97847 |
| citation_txt |
Заметки о геоэлектрике / И.И. Рокитянский // Геофизический журнал. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 235-244. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| series |
Геофизический журнал |
| work_keys_str_mv |
AT rokitânskijii zametkiogeoélektrike |
| first_indexed |
2025-07-07T05:38:13Z |
| last_indexed |
2025-07-07T05:38:13Z |
| _version_ |
1836965373149184000 |
| 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.
|