«Эврика» 1980. ПРИРАСТАТЬ БУДЕТ СИБИРЬЮ

 

 

Геофизические и сейсмические методы исследования глубин Земли. Институт геологии и геофизики

 

 

 

Непросто и небезоблачно продвигалась математика в сферу наук о Земле. У ряда наших геологов до сих пор сохранились остатки недоверия — правомочна ли математика вторгаться в их владения? Они любят в связи с этим напоминать слова Эйнштейна о том, что «математика — единственный способ провести самого себя за нос». Но тем не менее, по свидетельству академика А. А. Трофимука, главы Института геологии и геофизики СО АН СССР, применение математики и вычислительных средств, содружество с Институтом математики и Вычислительным центром помогли геологам выработать более строгий язык для выражения своих понятий, создать более эффективные системы классификации естественных объектов.

 

Совместно с Институтом математики нашим геологам удалось создать систему логико- математических методов комплексной обработки больших массивов геологической информации по многим десяткам геолого-геохимических параметров.

 

Эти методы позволяют выявить важность каждого из признаков о.бъекта и оценить меру сходства изучаемого объекта с уже известными. На этой основе можно с помощью ЭВМ определить перспективность тех или иных площадей на наличие в них полезных ископаемых. Эти методы успешно испробованы в задачах прогноза месторождений железа, никеля, золота, нефти и газа. Например, была «вычислена» возможность нахождения на территории Сибири так называемых древних золотоносных конгломератов, — и они действительно были обнаружены на Алдане и на Енисейском кряже.

 

Или другой пример: в одном из районов Сибири сейсморазведка выявила около 70 локальных поднятий слоев породы — своеобразных куполов, в которых можно ожидать скоплений нефти или газа (но их там может и не быть, просто такие структуры более благоприятны Аля их накопления). Математический метод «опознал» среди этих 70 куполов около 20, которые были отнесены к высокоперспективным. На двух из них пробурены скважины, и обе дали газ!

 

Одна из труднейших проблем, стоящих перед геологической наукой, — проникновение в глубокие недра Земли.

 

В самом деле, человек уже научился строить космические корабли, ступил на Луку, с помощью космических станций мы получаем информацию с Венеры и Марса. Но оказалось, что легче полететь в космос, чем проникнуть в глубину нашей собственной планеты.

 

Глубинные воды, глубинные полезные ископаемые — это неисчерпаемые ресурсы. А мы имеем о них самое в буквальном смысле слова поверхностное представление. Мы хорошо знаем земную кору лишь с поверхности, на глубину не более 7—9 километров. Основываясь на этих скупых и во многом гипотетических данных можно, однако, представить себе поистине грандиозные возможности расширения используемых нами ресурсов полезных ископаемых за счет глубинных очагов их формирования. А там, где магма подходит близко к поверхности — на Курило-Камчатской гряде, в Японии, в Кордильерах, — и сейчас уже можно использовать внутренний жар земли. Отапливается же вся Исландия теплом гейзеров!

 

Мы постепенно улучшаем технику глубинной проходки. Но с каждой сотней метров пути в земные недра трудности возрастают непомерно. С повышением температуры, с удлинением ствола скручиваются тонкие ниточки труб, выходят из строя обычные буры. Человеку пока не удается пробиться на глубину большую чем 7— 9 километров. Нужны новые идеи, новые подходы! Мы их ищем.

 

Один из главных путей исследования Земли на больших глубинах — геофизические методы. Подобно тому как врач, не имеющий возможности заглянуть внутрь организма своего пациента (исключая случаи хирургических вмешательств), простукивает и прослушивает его, так и ученые — геологи и геофизики — «простукивают и прослушивают» нашу планету.

 

Сейсмические методы являются основным средством изучения внутреннего строения Земли на глубинах, недоступных прямым геологическим наблюдениям. Именно благодаря этим методам были открыты основные черты строения нашей планеты, наличие в ней различающихся по своим свойствам зон: ядра, астеносферы, мантии и земной коры. Дело в том, что сейсмические волны, легко распространяясь в толще Земли, сильно взаимодействуют с неоднородностями среды, отражаясь и преломляясь, и по характеру колебаний, вернувшихся на земную поверхность, можно судить о строении среды, через которую они прошли.

 

Здесь без математики уже не обойтись.

 

Для объяснения полученных данных необходимо решение двух типов математических задач — прямой и обратной. В прямой задаче известен источник колебаний и строение среды, определяются режимы колебаний при прохождении через среду. Обратная задача самая главная: по известному источнику и измеренным вернувшимся колебаниям определить параметры среды, то есть строения земных слоев.

 

До появления электронных вычислительных машин были решены только задачи простейшего типа. ЭВМ многократно увеличили возможности интерпретации сейсмологических наблюдений. Но одновременно возросли и математические трудности. Ведь теперь приходится иметь дело с гигантской системой уравнений, да еще часто с переменными коэффициентами, с неопределенными членами, с параметрами, которые прихотливо меняют свое значение.

 

Здесь возникают новые типы математических задач — так называемые некорректные задачи математической физики, в которых параметры соответствующих уравнений не могут быть определены достаточно точно, а даже небольшие вариации их могут привести к самым нелепым ответам. Такая некорректность всегда претила математике и была ей противопоказана. Теперь она, увы, необходима.

 

Это и породило новое направление математического анализа — теорию некорректных задач, которое за последние годы получило широкое развитие и нашло многочисленные приложения, в частности, в геофизической разведке.

 

Подобные проблемы носят ярко выраженный фундаментальный характер, и сибирские ученые уже существенно продвинулись в этом направлении: ими успешно разрабатывается теория прямых и обратных задач, созданы численные методы для их решения, выполнены расчеты для различных регионов Сибири и Дальнего Востока. Например, удалось построить модель осадочных слоев Вилюйской синеклизы даже с учетом зон мерзлоты. А это важный шаг к определению перспектив поисков здесь полезных ископаемых.

 

Или еще один интересный пример.

 

Сотрудники Новосибирского вычислительного центра вместе с учеными московского Института физики Земли АН СССР и Института вулканологии Дальневосточного научного центра по данным сейсмических станций построили трехмерную модель строения земной мантии под Камчатским полуостровом до глубин порядка 200 километров. Оказалось, что основная масса землетрясений сосредоточена в определенном, относительно тонком слое мантии, который наклонен к поверхности Земли и уходит под Азиатский континент.

 

Наконец, разработка численных методов интерпретации материалов сейсмических наблюдений позволила получить новые данные о структуре горизонтальных не- однородностей верхней мантии и об асимметрии земного ядра.

 

Конечно, этими примерами не исчерпывается вторжение математики в другие науки. Можно было бы еще рассказать о том, как удалось смоделировать математически образование металлических волн на контакте двух металлов, соединенных с помощью взрыва. Или о предсказании с помощью ЭВМ хода паводков в речных руслах и катастрофических волн, образующихся при разрушении плотин. Или о многих других задачах, где использование математики привело к получению результатов мирового класса. (О привлечении методов различных наук, в том числе математики, к изучению явлений, происходящих при взрыве, еще будет рассказано в главе «Парадоксы взрыва».)

 

 

К содержанию книги: О создании Сибирского отделения Академии наук

 

 Смотрите также:

  

системе организации науки...  Научные общества и академии наук   академической науки  Российская академия наук РАН   Институт Академии наук   

 

Российская Академия наук. Издательская деятельность...    академик АМН СССР...

был создан новый научный медико-биологический центр—Сибирский филиал Академии наук - Сибирское отделение АН СССР