О различных аспектах геофизических исследований рассказывает директор Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука, профессор, д. т. н. И. Ельцов.
Геофизика - это «глаза» и «уши» геологов, она позволяет смотреть сквозь землю, сквозь разные препятствия, и делается это посредством полей, свойственных Земле.
Их 6 - гравитационное, электрическое, магнитное, поле упругих колебаний, тепловое, радиоактивное - и с их помощью ученые конструируют методы исследований, - рассказывает И. Ельцов Науке Сибири.
Есть инструменты, которые еще не освоены геофизиками: например, космические лучи или сверхбыстрые частицы нейтрино.
И те, и другие, пронизывающие наш «дом» насквозь, несут информацию о глубинах планеты.
В принципе, специалисты неоднократно подступались к тому, чтобы на их основе создать абсолютно новые геофизические методы.
И это были бы революционные методы!
Чтобы продвинуться на этом непростом пути, недавно в состав Института нефтегазовой геологии и геофизики была переведена обсерватория солнечно-земной физики.
В этой станции, способной изучать космические лучи, проводить ионосферные, магнитные исследования, заложен большой научный потенциал, и это такое ядро, которое в будущем станет новыми методами нашей науки.
В шутке: «Что такое «геофизика, может, это просто физика с буквы "Г"?» заложена некая доля правды.
Ведь это те же самые фундаментальные законы, никаких новых специально для исследователей Земли не придумали.
Ничего специфического нет, но разница заключается в том, что физики работают с рафинированными веществами, например, с металлами, жидкостями, плазмой, для которых и закономерности выглядят достаточно рафинировано.
Геофизики же изучают горную породу, это гетерогенная многофазная система, где есть скелет и флюид.
Причем у последнего могут быть разные фазы - например, водо-газо-нефтяная смесь.
Соответственно описание таких объектов получается бесконечно сложным.
Если говорить, допустим, о металле в смысле электропроводности, нужно знать 2-3 параметра, в случае горной породы необходимо учесть характеристики разных минералов скелета и фаз флюида.
Конечно, описания становятся очень непростыми.
Чтобы, как завещал монах по фамилии Оккам (принцип Бритва Оккама - выделение 1 проблемы из множества), не множить сущности без необходимости, геофизики нашли выход в виде так называемого модельного подхода.
У объекта исследования вычленяются самые главные черты и характеристики, и описывается он как можно меньшим числом значимых модельных параметров.
Мы абстрагируемся от всего второстепенного и описываем главное.
Это тоже, по сути, новый тренд.
Мощь современной геофизики заключается в возможности реализовать модельный подход во все более и более сложных объектах и тем самым создать более реалистичные модели.
«Внутренности» Земли для разных задач необходимо увидеть и на малых, и на больших глубинах.
Создать единый метод на все случаи жизни нельзя.
Это неконструктивно, как использовать экскаватор, лопаты и кисточки в археологии.
От задачи исходит детальность!
В геофизике принято говорить о разрешающей способности методов.
Есть, например, магнито-теллурическое зондирование, которые позволяют заглянуть внутрь Земли на глубины в 100ни км, есть микросейсмические исследования - они работают в радиусе 10ков и 100 метров.
Соответственно, если у специалиста есть задача выделить нефтяной пласт или картировать рудное тело, определить их геометрию и физические свойства, то геофизик начинает с анализа возможностей того или иного метода, который, в свою очередь, лежит на основе возможностей геофизического поля.
Нужно понять: какие инструменты необходимо использовать, чтобы выполнить задуманное, насколько это удастся в той или иной системе наблюдений.
Тем не менее, в основании всей пирамиды лежат энергетические характеристики.
Например, микросейсмическое событие позволяет нам на короткое время «зажечь свечку» и посмотреть, что находится в ближайших окрестностях.
А крупное землетрясение, если продолжать аналогию, - мощный прожектор, который освещает огромное пространство и позволяет судить о внутренних оболочках Земли или крупных блоках ее коры».
Общее правило геофизики - нужна такая система наблюдений, чтобы при имеющемся наборе конструктивных параметров обеспечить высокую чувствительность к характеристикам целевых объектов.
Это современная постановка, доминирующая в нашей науке, называемая статистической теорией интерпретации.
Отсюда рукой подать до еще одной особенности геофизических измерений - как ни крути, но это некий набор случайных событий, процессов и величин, которые носят вероятностный характер.
То есть геофизическая задача в любом случае решается с некой долей вероятности.
Показатели, снимаемые учеными, обладают всеми атрибутами статистики: имеют матожидание, дисперсию и так далее.
Соответственно, при итоговой оценке геометрии объекта это выливается в неопределенность, то же самое касается и физических свойств - электропроводности, плотности, намагниченности.
Разумеется, практикующим нефтяникам или геологам такая ситуация не очень нравится. Однако, это правда и жестокая реальность.
Впрочем, решение проблемы все-таки есть.
Бритва Оккама, судя по всему, один из любимых инструментов геофизиков: самый распространенный способ повысить точность -комплексирование геофизических методов.
Мы заставляем работать разные физики, и тогда области эквивалентности становятся не такими обширными.
Я в своей докторской диссертации предлагал следующий подход: геофизические измерения в скважинах проверяются на состоятельность в полях теории гидродинамики и теории 2-фазной фильтрации.
Когда 2 физики сталкиваются, то «отшелушиваются» все решения, которые не соответствуют какой-то из них.
Это оказалось очень продуктивным, сейчас я развиваю направление, когда учитываются и геомеханические процессы в окрестностях скважины.
Решения становятся более однозначными и достоверными.
Конечно, они уже лучше воспринимаются заказчиками.
Раз уже была упомянута глубина, возникает вопрос: а как глубоко внутрь Земли могут заглянуть геофизики?
Конечно, хочется исследовать ядро нашей планеты, хочется понимать устройство внутренних оболочек, крупных блоков земной коры.
Но возможности провести прямые измерения очень ограничены.
Рекорд глубинности бурения составляет всего порядка 12,5 км, это очень немного, особенно по сравнению с радиусом Земли.
Тем не менее, мы вообще знаем о том, что где-то внутри нее есть ядро исключительно благодаря геофизическим исследованиям.
Нет прямых способов - но есть косвенные!
Например, по данным поверхностных и скважинных наблюдений, а также по поведению электрического и магнитного поля можно понять распределение температур, плотностей и понять общую структуру внутреннего устройства нашей планеты и особенности ее строения на разных участках.
Одним из основных инструментов, которые позволяют в глобальном масштабе исследовать земной шар как тело является сейсмология.
Сейсмические колебания, вызванные крупными землетрясениями, распространяются в масштабах всей Земли, соответственно, есть особенности поведения продольных и поперечных волн в разных средах.
Это и есть основание, чтобы судить о том, в каком состоянии находится земная кора, верхняя и нижняя мантия и ядро, которое мы считаем жидким.
Кроме того, современная геофизика дает нам возможность посмотреть на земной шар как на мощное электродинамо - механизм, создающий магнитное поле.
Кстати, оно оказалось даже более жизненно важной «субстанцией», чем гравитационное.
Если говорить о далеких полетах в космос, то человечеству удалось создать искусственную гравитацию, однако этого нельзя сказать о рукотворном магнитном поле, также необходимом для существования человека.
Глобальная геофизика, та ее часть, которая занимается проблемами масштабов всей Земли (по-другому называют ее физикой Земли), как раз занимается поведением, закономерностями распространения, становления, в том числе, и магнитного поля.
Оно устроено так, что его полюса не совпадают с географическими и - одна из самых больших для меня странностей природы! - способны путешествовать и двигаться со скоростями в километры и сотни километров в год.
Есть много свидетельств того, что магнитные полюса меняются местами - это так называемые экскурсы магнитного поля в историческом геологическом времени.
С ними можно связать некоторые экологические события, катастрофы, появление и вымирание отдельных видов живых существ.
Причем такие события были довольно частыми в истории Земли, которую люди сумели изучить.
Исходя из реконструкций остаточной намагниченности - ее наши ученые измеряют на образцах коренных пород в различных регионах, в последнее время часто в арктических - построены палеореконструкции.
Это позволяет восстановить расположение океанов и континентов в то самое историческое время и является одним из существенных доказательств того, что шельфы арктических морей являются продолжением нашего евразийского континента.
Именно такие геофизические исследования, которые ИНГГ СО РАН на протяжении последних 10 лет проводил в довольно сложных полярных экспедициях, позволили внести очень весомый вклад в заявку РФ в ООН на предмет претензий на шельфы северных морей.
Такие работы продолжаются, это уже не геология, а геополитика,
Но это связано с магнитным полем Земли, и возможности его изучения еще не исчерпаны».
Помимо Земли в сферу интересов геофизиков попали и другие планеты.
Ближайшее небесное тело, где были проведены исследования - Луна.
Теоретики давно предполагали, что сухие по своей природе породы нашего спутника, не содержащие флюидов, в поле упругих колебаний будут себя вести не так, как земные, что и подтвердилось.
Очень слабые сейсмические воздействия на поверхность Луны порождают довольно долго не затухающие волны, которые позволили людям сделать представление об упругих свойствах ночного светила.
То, что у Луны нет магнитного поля, установил еще 1й спутник, который был запущен туда на орбиту.
Непилотируемые полеты очень сильно ограничивают возможности привычных нам геофизических исследований, которые предполагают развертывание систем наблюдений, часто контактных.
Наверное, это далекое будущее, и все, что мы можем сегодня делать - это вести косвенные исследования, возможные и с поверхности нашей планеты, и с тех спутников и аппаратов, которые мы запускаем.
Что же дает геофизика помимо фундаментальных знаний о Земле?
Разумеется, в 1ю очередь на ум приходит очевидная вещь: раз специалисты изучают земную кору, континентальную и океаническую, а также горные системы - прикладным приложением является поиск полезных ископаемых и разведка месторождений.
В ИНГГ СО РАН особенное внимание уделяется осадочным бассейнам, перспективным на предмет наличия в них углеводородов.
Кроме того, с помощью геофизики можно искать такою жизненно важное полезное ископаемое, как вода - например, жители ряда регионов Южной Африки, где используются разработки института, поспорили бы с тем, что нефть важнее живительной влаги.
Кроме того, геофизика изучает не только макро-, но и микроструктуры - этот раздел науки называется петрофизикой и имеет дело с материалами, вынутыми из скважин, с образцами, взятыми из самых разных образований, например, вулканогенных.
Здесь мы имеем дело с материалом, определяющим строение скелета горной породы и с флюидами, которыми эта горная порода насыщена.
Чем больше мы уменьшаем масштаб, тем сложнее ведут себя геофизические поля, взаимодействуя с этим микрообъектами, и тем интереснее становятся так называемые многофизичные или кроссдисциплинарные эффекты.
Допустим, воздействуя на горную породу, насыщенную электролитом, с помощью сейсмических колебаний, мы видим существенное изменение в электрофизических характеристиках.
По сути, это уже близко к материаловедению.
Еще одно приложение геофизики - помощь археологам.
Используя ряд методов, можно более-менее точно сказать: «Копать здесь!».
Специалисты ИНГГ и Института археологии и этнографии СО РАН уже долгое время работают рука об руку.
Кроме того, очень много работ, которые выполняют геофизики всего мира, направлены на решение фундаментальных проблем человечества: изучение вулканов, землетрясений, гравитации, геотермального поля Земли.
Эти современные вызовы являются приоритетными для развития цивилизации.
В их числе - исследование поведения захороненных в земной коре и расположенных на дне мирового океана огромных запасов газовых гидратов.
Конечно, это огромный энергетический ресурс, но в то же время - и источник колоссальной опасности.
Геофизические методы оказались очень эффективным инструментом для изучения состояния этого вещества.
Зоны стабильности газогидратов в 1ю очередь определяются геотермическим методом.
Правда, иногда таких наблюдений на территории их распространения просто непростительно мало - единичные пункты и скважины.
К примеру, на всем побережье моря Лаптевых всего несколько скважин, в которых ведется мониторинг температуры, оценивается тепловой поток - называемые станции геотемпературного мониторинга.
Они относятся к зоне ответственности ИНГГ, научно-исследовательской станции на острове Самойловский.
Конечно, мы бы с удовольствием расположили их и в других точках!
Этим списком польза от геофизики не исчерпывается.
Сегодня должна идти речь о крупной программе фундаментальных исследований.
Сейчас таких программ нет, наука, по сути, разобрана по другим областям: океанографии, ресурсным нефтегазовым направлениям, вулканологии, сейсмологии и так далее.
Я думаю, что геофизика способна сформировать собственное мощное научное течение.
Если говорить о перспективах, то завтрашний день геофизики будет определяться упомянутой многофизичностью, переходом к более реалистичным моделям, увеличением подробности описания строения, состояния и поведения вещества при взаимодействии с геофизическими полями.
Монометоды уже не одно 10-летие сменяются общими платформами теоретических и аппаратурных решений для комбинации геофизических полей.
То, что сегодня происходит - объединение усилий экспериментаторов, теоретиков и вычислителей.
Этот триумвират сегодня определяет современное лицо геофизики, и там, где есть союз хороших специалистов, мы имеем прорывы в геофизических направлениях.
Надо отметить, такое содружество не всегда бывает успешным, очень много теорий, которые не подтверждены экспериментом, но тем не менее продолжают развиваться.
И обратная ситуация - достаточно экспериментов, не объясненных теорией, и не построены модели, которые можно было бы рассчитывать.
В итоге получается: лебедь, рак и щука тянут каждый в свою сторону и плохо слушают друг друга.
Я думаю, глядя на успешные союзы, сегодня нужно строить продуктивные стратегии, чтобы все члены команды двигались в одном направлении.
Именно с этим я связываю ближайший прогресс в развитии геофизики.
