Концепция геофизических исследований

Вне зависимости от того  изучаются ли глобальные неоднородности и строение Земли или решаются поисково-разведочные задачи, геофизические исследования концептуально выполняются по единой схеме, суть которой в следующем. Геофизическими объектами являются тела, обладающие физическими свойствами, отличными от подобных свойств вмещающей среды (будем называть такие тела физико-геологическими). Физико-геологические тела создают физические поля либо на основании закона всемирного тяготения (поле силы тяжести), либо в силу сложных внутриземных физических процессов (магнитное поле Земли в целом как диполя), либо в результате воздействия каких-либо естественных или искусственных внешних источников, полей. Например, геологические тела, обладающие магнитной восприимчивостью, под воздействием магнитного поля Земли намагничиваются и создают свои магнитные поля. Сейсмические волны, возбужденные землетрясениями или искусственными взрывами, распространяясь в неоднородных по упругим свойствам физико-геологических средах, обусловливают  отклик этих сред в виде отраженных, преломленных и других типов волн. Естественные электромагнитные волны, падая на земную поверхность и проникая в верхние слои Земли, возбуждают в электропроводящих слоях земной коры и верхней мантии индуцированный ток, оказывая влияние на характер вариаций электромагнитного поля и т. п.

Физические поля физико-геологических тел независимо от способа  их возникновения измеряются с помощью специальной аппаратуры и систем наблюдения как на земной поверхности, так и в воздушном пространстве, на спутниках Земли, в морских глубинах и  скважинах. Наблюденные поля несут в себе информацию о местоположении, форме и физических свойствах реальных физико-геологических тел. Извлечь эту информацию из наблюденных полей – главная задача геофизики. Решение этой задачи осуществляется следующим образом. Геофизики располагают теорией поля, дающей характеристику полей, обусловленных идеализированными возмущающими телами, в виде соответствующих аналитических выражений, уравнений «поле – тело». При этом теоретические соотношения получают как для объемных трехмерных тел (трехмерная задача), так и для плоских двухмерных тел, когда тело сильно вытянуто по одной из осей (теоретически до бесконечности). Теория рассматривает решение прямой и обратной задач. Прямая – используя аналитическое соотношение «поле – тело», по заданным параметрам возмущающего тела определяется поле. Обратная – по заданному полю отыскиваются параметры возмущающего тела, т. е. в это случае уравнение «поле – тело» решается относительно параметров тела. Теория постоянно развивается математиками и геофизиками, в особенности в поисках новых решений обратной задачи для сложных по форме и неоднородных по физическим свойствам возмущающих тел. Выражаясь современной терминологией, можно сказать, что в настоящее время геофизика располагает насыщенным банком методов решения прямых и обратных геофизических задач, в том числе с помощью компьютерных технологий.

Постулируется, что наблюденное поле, обусловленное тем или иным возмущающим физико-геологическим телом, при определенных условиях равно теоретическому полю для соответствующего класса идеализированных тел. Подставляя в уравнение «поле–тело» вместо теоретического поля наблюденное поле, ищут решение такого уравнения относительно параметров реального возмущающего физико-геологического тела. Иначе говоря, для выбранного класса идеализированных тел, близких в той или иной степени по некоторым характеристикам к «реальному» телу, решается обратная задача, в уравнениях которой вместо теоретического поля подставляется наблюденное.

Поскольку выбор класса идеализированных тел – процесс сложный и нередко неоднозначный, результат решения обратной задачи, как правило, контролируется решением прямой задачи: по найденным параметрам «реального» тела вычисляется теоретическое поле, которое сопоставляется с наблюденным. Этот процесс называют количественной интерпретацией.

На основе решения таким образом обратной задачи геофизики получают физическую информацию     о «реальном» возмущающем теле, т. е. физическую модель физико-геологического тела. Далее физическая модель анализируется совместно с геологическими данными, на основании чего строится уже геологическая модель изучаемого объекта. Этот процесс называют геологической интерпретацией геофизических полей.

Решения обратной задачи непосредственно по аналитическим соотношениям «поле – тело» оказываются относительно простыми и надежными в основном для однородных тел правильной формы. Если же физико-геологическим телам свойственно неоднородное распределение физических характеристик и они имеют сложную геометрическую форму, то такого рода решения обладают неоднозначностью и значительной трудоемкостью. Поэтому среди геофизиков получил распространение так называемый метод  подбора, сущность которого заключается в следующем. Анализируя структуру наблюденного поля, используя геологические данные, материалы изучения физических свойств в лабораторных условиях, а также решения обратной задачи для тел простейшей формы, строится начальная модель «реального» объекта. По этой модели решается прямая задача, в результате которой вычисляется теоретическое поле в первом приближении. Это поле сравнивается с наблюденным и, в случае существенных расхождений, начальная модель корректируется. От новой модели вновь рассчитывается теоретическое поле, которое сопоставляется с наблюденным полем и т.д. Процесс корректировки параметров модели и решения прямой задачи заканчивается тогда, когда расчетное и наблюденное поля будут «достаточно» близки между собой («достаточность» определяется целью исследований).

Существует  и другое корреляционно-эвристическое направление геологической интерпретации: наблюденные геофизические поля количественно или визуально-качественно сопоставляются с известными геологическими данными; выявляются и описываются геолого-геофизические закономерности, т. е. получают частную теорию связи «поле  – тело». Затем эта геолого-геофизическая теория применяется для оценки по наблюденным полям параметров соответствующих геологических объектов и  явлений, т. е. осуществляется прогноз. Как видим, в отличие от физического теоретического подхода, основанного на известной физической теории поля с априорными законами, решения которого требуют дополнительной геологической информации, в корреляционно-эвристическом подходе законы связи «поле – тело» устанавливаются по известным геологическим данным, и результат отыскивается непосредственно в геологических параметрах и терминах.

При интерпретации следует иметь в виду, что наблюденные  поля отражают суммарное возмущающее воздействие многих физико-геологических тел. Обратные же теоретические задачи разработаны, как правило, для отдельно взятых, локализованных тел  или групп тел. В связи с этим практическое применение методов решения обратных задач требует выделения из наблюденного суммарного поля той его составляющей, которая обусловлена искомым возмущающим телом. Это обстоятельство создало важную геофизическую задачу – разделение наблюденного поля, выделение из него полезных, в некотором геолого-геофизическом смысле, полей. Например, из наблюденного гравитационного поля необходимо выделить поле, связанное с рельефом кристаллического фундамента.

Из изложенного следует, что для понимания и усвоения того или иного геофизического метода изучения внутреннего строения Земли его описание должно содержать следующие разделы:

1. Физические и геологические условия возникновения поля.

2. Системы наблюдений и измеряемые характеристики поля.

3. Интерпретация поля (Теория поля. Методы решения прямых и обратных задач. Методы и примеры геологической интерпретации поля).

4. Методы выделения из наблюденного поля полей конкретной геологической природы.

Рассмотрим еще один аспект геофизических исследований. Геологические тела обладают, как правило, несколькими физическими свойствами. Следовательно, при соответствующей системе наблюдений от одного и того же геологического тела можно получить несколько различных физических полей. Возникает вопрос: как интерпретировать комплекс геофизических полей? Здесь наметились два основных  направления. Первое направление  – физико-теоретическое, суть которого состоит в получении и последующем анализе через прямые и обратные задачи системы аналитических соотношений, связывающих (при определенных условиях, наложенных на физические свойства) различные по природе физические поля. Примером является широко известное функциональное соотношение гравитационного и магнитного полей для однородного по плотности и намагниченности возмущающего тела произвольной формы.

Второе направление – корреляционно-эвристическое, когда связь между несколькими наблюденными полями устанавливается на основе взаимоотношений известных геологических факторов, создающих эти поля. Оно реализуется путем применения теории корреляционного анализа.

И в заключение –  некоторые общие понятия в геофизике. Геологи и геофизики часто употребляют термин «геофизическая аномалия», «аномальное поле» или применительно к конкретному полю – «аномалия силы тяжести» (гравитационная аномалия), «магнитная аномалия», «электрическая аномалия» и т. д.

В общем случае геофизическая аномалия – это отклонение наблюденного геофизического поля (гравитационного, магнитного, электрического и др.) от нормального поля Земли или от некоего расчетного поля, обусловленного возмущающим влиянием глубокозалегающих физико-геологических объектов (отклонение от нормы и  закономерности). Если это отклонение выражено только числом в некоей точке наблюдения, то говорят об аномальном значении (значении аномалии). Если же рассматривают поведение разностного поля на некотором участке (площади, профиля), то его называют аномалией или аномальным полем.

С точки зрения понятия «значение аномалии» в геофизике вычисляют гравитационные аномалии Буге, Фая (в свободном воздухе), изостатические аномалии, электрические, магнитные и др. Аномалии в значении «аномального поля» рассматривают в зависимости от физико-геологической природы возмущающих объектов,  формы аномального поля (мозаичные, линейные, полосовые и др.),  размеров и глубинности возмущающих факторов (локальные и региональные).

Гравитационная, магнитная, электрическая и др. аномалии  обусловлены формой возмущающего физико-геологического тела, глубиной его залегания и соответственно его плотностью,  намагниченностью, удельным электрическим сопротивлением, отличными от вмещающих пород.

Различают региональные и локальные аномалии. Локальная аномалия – аномальное геофизическое поле, развитое на небольших площадях, часто обусловленное неглубокозалегающими геологическими объектами. Региональная аномалия – аномальное геофизическое поле, распространенное  на больших площадях. Аномалии характеризуют различие геологической  среды по физическим свойствам,  поэтому понятию «аномалия» в каждой конкретной геологической ситуации придается большое значение.