Сегодня - 12.12.2017

Наука былого и грядущего

30 мая 2017

Без сомнения, было бы очень странно, если живя в доме мы не изучили бы его от подвала до потолка. У нашего общего дома — Земли — «потолок» практически бесконечен, и свой вклад в знания о нем вносят множество специалистов разных направлений. Исследование же «подвала» обусловлено возможностями удивительной науки, способной заглянуть внутрь планеты — геофизики.

В нашем экспертном материале о различных аспектах геофизических исследований рассказывает директор Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука, профессор, доктор технических наук Игорь Николаевич Ельцов. 
 
Игорь Ельцов в экспедиции на острове Кунашир
 
 — Вообще геофизика — это «глаза» и «уши» геологов, она позволяет смотреть сквозь землю, сквозь разные препятствия, и делается это посредством полей, свойственных Земле. Их шесть — гравитационное, электрическое, магнитное, поле упругих колебаний, тепловое, радиоактивное — и с их помощью ученые конструируют методы исследований, — комментирует Игорь Ельцов.
 
Однако 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!» — восклицает директор ИНГГ).  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», — говорит Игорь Ельцов.
 
Как отмечает специалист, 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, — объясняет Игорь Ельцов. — 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 два-три 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, 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, — резюмирует Игорь Ельцов. — 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. Однако вопрос, можно ли создать единый метод на все случаи жизни, Игорь Ельцов отметает как неконструктивный, сравнивая работу экскаватора, лопаты и кисточки археолога. «От задачи исходит детальность!» — говорит директор ИНГГ, отмечая, что в геофизике принято говорить о разрешающей способности методов. Есть, например, магнито-теллурическое зондирование, которые позволяет заглянуть внутрь Земли на глубины в сотни километров, есть микросейсмические исследования — они работают в радиусе десятков и сотен 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.  
 
Геофизические исследования на острове Самойловский
 
«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, — поясняет Игорь Ельцов. — А крупное землетрясение, если продолжать аналогию, — мощный прожектор, который освещает огромное пространство и позволяет судить о внутренних оболочках Земли или крупных блоках ее коры».  
 
Итак, еще раз: 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», — говорит Игорь Ельцов. 
 
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, как говорит Игорь Ельцов, 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, — рассказывает Игорь Ельцов. — Я в своей докторской диссертации предлагал следующий подход: геофизические измерения в скважинах проверяются на состоятельность в полях теории гидродинамики и теории двухфазной фильтрации. Когда две 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, — говорит Игорь Ельцов. — Но возможности провести прямые измерения очень ограничены. Рекорд глубинности бурения составляет всего порядка 12,5 километров, 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», — комментирует Игорь Ельцов. 
 
Ямальский кратер - один из объектов исследования ИНГГ СО РАН
 
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», — говорит Игорь Ельцов.
 
По словам директора ИНГГ, 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, — продолжает Игорь Ельцов. — Это позволяет восстановить расположение океанов и континентов в то самое историческое время и является одним из существенных доказательств того, что шельфы арктических морей есть продолжение нашего евразийского континента». Именно такие геофизические исследования, которые ИНГГ СО РАН на протяжении последних десяти лет проводил в довольно сложных полярных экспедициях, позволили внести очень весомый вклад в заявку России в ООН на предмет претензий на шельфы северных морей. «Такие работы продолжаются, это уже не геология, а геополитика, — шутит Игорь Ельцов, — но это связано с магнитным полем Земли, и возможности его изучения еще не исчерпаны».
 
Помимо Земли в сферу интересов геофизиков попали, конечно же, 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. «Ну, а что у Луны нет магнитного поля, установил еще первый спутник, который был запущен туда на орбиту», — отмечает Игорь Ельцов.  Он считает: 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», — комментирует директор ИНГГ.  
 
Что же дает геофизика помимо фундаментальных знаний о Земле? Разумеется, в первую 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 такое 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. 
 
Игорь Ельцов за работой
 
Также 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, — поясняет Игорь Ельцов. — 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», — подчеркивает Игорь Ельцов. В их числе — исследование поведения захороненных в земной коре и расположенных на дне мирового океана огромных запасов газогидратов. 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,— говорит Игорь Ельцов. — Зоны стабильности газогидратов в первую 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 — так 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. Игорь Ельцов считает, что 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», — уверен директор ИНГГ. 
 
Если говорить о перспективах, то завтрашний день геофизики, по мнению Игоря Ельцова, 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 десятилетие сменяются общими платформами теоретических и аппаратурных решений для комбинации геофизических полей, — комментирует директор ИНГГ. — 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, 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». 
 
Екатерина Пустолякова
 
Фото: предоставлены Алексеем Фаге (анонс, 2), предоставлены Игорем Ельцовым (1, 4), предоставлено Владимиром Потаповым (3)
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus