История становления сейсморазведки, современное состояние

Сейсморазведка – геофизический метод, появившийся еще в 19 в., и начавший играть большую роль в изучении глубоких недр Земли. 18 апреля 1889 г. в Потсдамской геофизической обсерватории сломались магнитометры. Когда стали устанавливать причину поломки, то выяснилось, что время ее совпадает со временем сильного землетрясения, произошедшего в Японии и зафиксированного всеми сейсмическими станциями. Поскольку это явление показывало, что сейсмические волны прошли значительную толщy земных недр, возникла идея использовать это явление для расшифровки внутреннего строения Земли. Особую роль в становлении данного направления сейсмологии сыграли исследования немецкого геофизика Э. Вихерта, русского физика Б. Б. Голицына. (1862-1916) и английского физика Дж. Милла (1836-1913). Дж. Милл создал теорию сейсмоприемников. Э. Вихерт разработал теорию прохождения сейсмических волн в реальных средах. Б.Б. Голицын, физик по образованию, много сделал в области создания теории сейсмометрии, изобрел сейсмограф оригинальной конструкции.

В первой четверти XX в. начали развиваться сейсмические методы разведки. В 1915 г. американский геофизик Л. Митроп запатентовал метод первых вступлений и провел успешные исследования соляных куполов и нитяных месторождений Калифорнии. В 1922 г. русский геофизик B.C. Воюцкий показал, что для разведочных целей можно использовать отраженные волны, уже в 30-е гг. метод отраженных волн был успешно опробован в Забайкалье Г.А. Гамбурцевым и Л.А. Рябинкиным (1910-1985). Для регионального изучения строения земной коры в начале 50-х гг. на базе корреляционного метода преломленных волн (КМПВ) Г.А. Гамбурцев разработал метод глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). Позже методами сейсморазведки было установлено наличие астеносферы.

С началом применения мощных компьютеров (конец XX-XXI вв.) появилась возможность резкого ускорения получения геофизической информации, ее регистрации, обработки и интерпретации с применением цифрового кодирования. В геофизике произошла, как теперь принято выражаться, цифровая революция, во много раз повысившая эффективность применения геофизических методов исследования земной коры и более глубоких недр. Наиболее впечатляющие результаты были достигнуты в сейсмологии и сейсмометрии. Созданная сеть сейсмических станций позволила выявить характер глобального распределения эпицентров землетрясений, наметить границы литосферных плит, установить кинематические характеристики подвижек земной коры и литосферы, провести сейсмотектоническое районирование и выявить принципиальные различия сейсмологических процессов для разных типов границ литосферных плит, с одной стороны, и внутриплитных областей — с другой. Сейсмическими методами отраженных волн было изучено строение земной коры в пределах покровноскладчатых сооружений и платформ, а методом преломленных волн были выявлены границы раздела внутри коры. Особенно информативным для выявления глубинной структуры оказался метод отраженных волн в области закритических отражений. Полученные результаты по Аппалачам, затем Альпам, Апеннинам и Уралу подтвердили наличие крупных горизонтальных перемещений по шарьяжам, достигающих сотен километров. Подобные перемещения установлены в древнейших толщах Балтийского и Канадского щитов.

Развитие глубинной сейсмики позволило установить расслоенность земной коры и литосферы, выявить различные геологические свойства глубинных участков земной коры континентов, определить аномальные мощности литосферы. Под осевыми зонами срединно-океанических хребтов литосфера ограничивается лишь верхней частью коры (3-5 км), под щитами древних платформ толщина литосферы достигает 200-400 км.

Новые перспективы познания глубинной структуры 3емли открылись с применением сейсмической томографии, данные которой позволили представить геодинамические процессы, проходящие в различных оболочках Земли до ядра включительно. Данные сейсмотомографии подтвердили идею о конвективных процессах в мантии, показали ее анизотропию не только по вертикали, но и по латерали. Оказалось, что тектонические события, определяющие лик Земли, представляют собой процессы самоорганизации вещества, энергетический компонент которых находится на разных глубинах, достигающих границы ядро-мантия, ранговый анализ иерархически соподчиненных геосфер позволил выявить их влияние на формирование различного класса тектонических структур во времени и пространстве. Эти данные существенно расширили наши представления о тектоносфере и дали возможность предложить новую глубинную модель Земли.

История сейсмологии.

Сейсмология — наука о распространении сейсмических волн в недрах Земли. Только с помощью сейсмологии удалось составить картину глубинного строения земного шара (кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро). Также сейсмология занимается землетрясениями, движениями платформ, мониторингом разработок рудных месторождений и пр.

Основная задача сейсмологии состоит в изучении внутреннего строения Земли. Поэтому очень важно знать, как отклонения от однородности влияют на распространение сейсмических волн. По существу все прямые данные о внутреннем строении Земли, имеющиеся в нашем распоряжении, получены из наблюдений за распространением упругих волн, возбуждаемых при землетрясениях.

Первые сейсмологические наблюдения восходят к глубокой древности. С 19 в. начал играть все большую роль в изучении глубоких недр Земли сейсмический метод. Сейсмические явления изучались геологами с самого начала как проявление мгновенных подвижек зем­ной коры, причем высказывались различные предположения об их причинах, изучались последствия. Физики конструировали приборы для регистрации этих подземных толчков.

Как самостоятельная наука сейсмология возникла во 2-й половине 19 в. (описательная сейсмология), с конца 19 в. в сейсмологии стали применяться приборные наблюдения. В России для развития сейсмологии в 1888 г. была создана сейсмическая комиссия Русского географического общества. Начало русский приборной сейсмологии связано с созданием в 1900 г. Постоянной центральной сейсмической комиссии Петербургской AH.

В последней трети 19 в. наука о землетрясениях оформилась в самостоятель­ную научную дисциплину — сейсмологию, которая ставила перед собой задачу определения потенциальной сейсмической опасности, т.е. сейсмического районирования. Появились термины «эпицентр», «гипоцентр»; стали издаваться каталоги землетрясений. Сейсмические волны стали использовать для расшифровки внутреннего строения Земли.

Особую роль в становлении сейсмологии сыграли исследования Э. Вихерта, Б. Б. Голицына и Дж. Милла. Дж. Милл создал теорию сейсмоприемников. В 1893 г. Э. Ребер-Павшиц установил в Страс­бурге первый современный стационарный сейсмограф. Э. Вихерт раз­работал теорию прохождения сейсмических волн в реальных средах и предложил двухслойную модель Земли — первую сей­смическую модель ее оболочечного строения.

Основополагающие работы в области сейсмологии в России были выполнены Б. Б. Голицыным, создавшим первый высокочувствительный сейсмограф (с гальванометрической регистрацией) и сеть сейсмологических наблюдений, подготовившим первый курс лекции по сейсмологии. Он также уделял большое внимание разработке глубинной модели Земли. Голи­цын выделил слой Земли на глубинах 400-1000 км с особыми сейсмическими свойствами, названный «слоем Голицына», переходным от верхней к нижней мантии. Т.о., в конце 19 - начале 20 в. были сформирова­ны теоретические основы сейсмологии и начата разработка моде­ли оболочечного строения Земли.

Выдающуюся роль сыграл также И. В. Мушкетов, заложивший основы сейсмотектоники. В CCCP большой вклад в развитие сейсмологии внесли советские ученые: П. М. Никифоров, разработавший сейсмограф для регистрации местных землетрясений, организовавший Сейсмологический институт в Ленинграде и сеть региональных сейсмических станций в CCCP; Г. А. Гамбурцев, предложивший метод глубинного сейсмического зондирования и начавший исследования по прогнозу землетрясений; Е. Ф. Саваренский, внесший вклад в реорганизацию сейсмической службы CCCP, изучение сейсмичности, внутреннего строения Земли, микросейсм и др.; Ю. В. Ризниченко, разработавший количественные методы изучения сейсмичности; С. В. Медведев, создавший основы инженерной сейсмологии и др.

За рубежом большой вклад в развитие сейсмологии внесли Э. Вихерт и Б. Гутенберг (Германия), Дж. Милн и Х. Джефрис (Великобритания), К. Буллен (Австралия), Ф. Омори, А. Имамура и К. Вадати (Япония), А. Мохоровичич (Югославия).

Сейсмологические исследования в CCCP ведутся в институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта, а также в Институтах сейсмологии, созданных в основном в 60-е гг.

Для координации деятельности учреждений создан межведомственный Совет по сейсмологии и сейсмостойкому строительству при Президиуме Академии Наук CCCP. В международном масштабе координацию по сейсмологии осуществляет Международная ассоциация сейсмологии и физики недр Земли при Международном союзе по геодезии и геофизики.

История палеонтологии.

Сведения об окаменелостях были известны уже античным философам-натуралистам (Ксенофан, Ксант, Геродот, Теофраст, Аристотель). В эпоху Возрождения, сменившую тысячелетний (5-15 вв.) период застоя, природа окаменелостей получила первую правильную интерпретацию — сперва у китайских натуралистов, а затем и у европейских (Леонардо да Винчи, Джироламо Фракасторо, Бернар Палисси, Агрикола и др.), хотя в большинстве случаев не хватало важнейшего для науки представления о том, что это остатки вымерших организмов. Вероятно, датский натуралист Н. Стено и английский Р. Гук были одними из первых, кто начал говорить о вымерших видах, а с середины 18 в., с развитием идей М. В. Ломоносова в России, Ж. Бюффона и Жиро-Сулави во Франции, Дж. Геттона в Великобритании и др., взгляды о постоянных изменениях в живой природе прошлого (теория развития) и значении актуалистического подхода к его познанию, хотя и стихийно, стали завоевывать все больше сторонников. Единство системы ископаемых и современных организмов признавал и К. Линней, но он также совершенно отвергал идею изменяемости видов. Решающим периодом для становления палеонтологии было начало 19 в., когда произошло взаимосвязанное возникновение палеонтологии и биостратиграфии, создавших основу для полноценного геологического карти­рования. До этого расчленение разрезов осадочных толщ производилось по литологическому составу, а ископаемые остатки организмов, обнаруживаемые в слоях изучались сами по себе, без привязки к конкретным слоям.

Решающую роль в определении относительного возраста слоев с использованием остатков организмов, заключенных в этих слоях сыграли работы В. Смита. Смит доказал закономерное распределение ископаемых остатков организмов в слоях земной коры и тем самым выявил возможность их распознавания палеонтологическим (биостратиграфическим) методом. Ж. Кювье и Ал. Броньяр провели исследования стратиграфического разреза Парижского бассейна и установили, что по ископаемым остаткам можно не только расчленить осадочные напластования по возрасту, но и восстановить физико-географическую обстановку их образования. В более молодых слоях встречаются ископаемые организмы, аналоги которых можно найти и в современном органическом мире. Древние слои содержат ископаемые остатки животных и растений, которые не встречаются среди ныне живущих и принадлежат к вымершим родам. Эти исследователи выделили среди ископаемых организмов пресноводную и мор­скую фауну и восстановили историю формирования Парижского бассейна. В отличие от В. Смита они не ограничивались в своих ис­следованиях изучением слоев и содержания в них определенных видов ископаемых остатков, т.е. не были, подобно Смиту, чис­тыми эмпириками; в основе их работ уже была заложена про­грессивная идея oб изменении органического мира в ходе эво­люции Земли, поэтому основной упор в своих изысканиях они делали на исследование самой ископаемой фауны и флоры. Ж. Кювье, которого считают основателем палеонтологии исравнительной анатомии позвоночных, понимал значение ископаемых для восстановления истории Земли.

Создателем первой теории эволюции был Ж. Б. Ламарк, явившийся по существу и основателем палеонтологии беспозвоночных. Однако он не мог противостоять авторитету Кювье; т.о., в 1-й половине 19 в. преобладающей была идея неизменяемости видов и последовательных резких смен в их существовании. Одновременно с накоплением огромного чисто описательного материала в Великобритании, Германии, Франции, Швеции, Италии, России эти общие идеи продолжали энергично развивать швейцарский геолог и палеонтолог Л. Агассис, английский геолог А. Седжвик и особенно французский палеонтолог А. Д’Орбиньи.

В 1840 г. А. д'Орбиньи, горячий сторонник Ж. Кювье, описал около 12000 ис­копаемых беспозвоночных, расположенных в хронологическом порядке, предложил понятие «ярус» и выделил 27 ярусов в разре­зе мезозоя. В 1841 г. Дж. Филлипс предложил разделить все извест­ные в то время системы на три группы — кайнозой, мезозой и палеозой.

Однако положительным результатом этих идей явились формирование стратиграфической палеонтологии и завершение разработки уже к началу 40-х гг. общей стратиграфической шкалы Земли. В России успехи палеонтологии до-дарвиновского периода связаны с именами Фишера фон-Вальдгейма, Э. И. Эйхвальда и др. Особое место занимают выдающиеся исследования по стратиграфии, палеонтологии и зоологии предшественника Ч. Дарвина — К. Ф. Рулье, совершенно чуждого идей Креационизма.

Палеонтология 60-х гг. 19 в., а затем 20 в. знаменует совершенно новый этап в развитии этой науки. Его начало отмечено появлением наиболее завершенной теории эволюции («Происхождение видов» Дарвина, 1859), оказавшей огромное влияние на все дальнейшее развитие естествознания. Идеи эволюционизма стали быстро распространяться и нашли в палеонтологии превосходную почву для своего дальнейшего развития, например в трудах английского естествоиспытателя Т. Гексли, австрийского геолога и палеонтолога М. Неймайра, американского палеонтолога Э. Копа. Но самое выдающееся место, несомненно, принадлежит В. О. Ковалевскому, которого с полным правом называют основателем современной эволюционной палеонтологии. Только после работ Ковалевского по палеонтологии позвоночных и Неймайра по палеонтологии беспозвоночных дарвинизм приобрел ту палеонтологически обоснованную базу, в которой еще продолжала нуждаться эволюционная теория. На основе теории эволюции сделаны важные палеонтологические обобщения последователями Ковалевского: бельгийским палеонтологом Л. Долло, американским — Г. Осборном, немецким — О. Абелем и др. В дальнейшем эволюционную палеозоологию в России, а затем в СССР развивали А. П. Карпинский, С. Н. Никитин, А. П. Павлов, Н. И. Андрусов, А. А. Борисяк, Н. Н. Яковлев, Ю. А. Орлов, Д. В. Обручев и др.

Фундаментальной сводкой результатов палеонтологических исследований 19 в. были труды К. Циттеля «Руководство» и «Основы палеонтологии». Наиболее значительным, полностью законченным современным справочным изданием по палеонтологии являются «Основы палеонтологии» (15 т., 1958—64) под редакцией Ю. А. Орлова. 24-томное издание по беспозвоночным начало публиковаться в США (с 1953) под редакцией Р. Мура и пока не завершено; переиздается с 1970 под редакцией К. Тейхерта.

История литологии.

Изучение осадочных пород в первой четверти 20 в. еще не носило систематического характера. Положение начало меняться в 30-е гг., когда петрография осадочных пород стала оформляться в самостоятельную дисциплину, к концу периода окончательно отделившись от петрографии магматической и метаморфической и превратившись в особую науку — литологию, когда в США появился капитальный трактат В. Твенхофела «Уче­ние об образовании осадков» (1925, 1932). Начавшееся с этого времени быстрое развитие литологии и седиментологии, несомненно, стимулировалось практическими запросами нефтегазовой и угольной геологии и геологии других осадочных полезных ископаемых.

Литология быстро превращалась из чисто описательной науки в учение о происхождении осадочных пород. Важным шагом на этом пути было появ­ление в 1940 г. «Петрографии осадочных пород» Л.В. Пустовалова. Стержневой идеей этого труда было представление о том, что разнообразие осадочных пород и особенности их простран­ственно-временного распределения обусловливаются двумя факторами: поверхностной механической и химической дифференциацией вещества и периодичностью тектонических процессов, вызывающих оживление или затухание сноса исходного материала осадков.

Эта теоретическая концепция Л.В. Пустовалова подверглась критике со стороны Н.М. Страхова, расценившего ее как умозрительную и даже «натурфилософскую». Сам Страхов вслед за своим учителем А.Д. Архангельским развивал в своих работах сравнительно-литологический, т.е., актуалистический подход, и в 1960-1962 гг. опубликовал ка­питальный труд по теории литогенеза, в котором, в отличие от Пу­стовалова, на первое место среди факторов, контролирующих осадкообразование, поставил климатическую обстановку, призна­вая одновременно некоторую роль тектонического режима. Соот­ветственно им были выделены четыре главных типа литогенеза: ледовый, гумидный, аридный и вулканический, причем лишь послед­ний считается тектонически обусловленным. Но Страхов еще не располагал сколько-нибудь пред­ставительным материалом по осадочному чехлу океанов. Анализ этого материала, включающего данные глубоководного бурения, результаты многочисленных морских экспедиций показали, что, по современным данным, осадочные породы помимо сведений о физико-географических условиях осадконакопления несут инфор­мацию об изменении координат, связанном с движением разреза по латерали. Стала очевидной связь осадконакопления с текто­никой.

По данным А.П. Лисицина, общепризнанного лидера это­го направления науки, оказалось, что господствующее ранее по­ложение о наличии в осадках океана сноса рек неверно. Более 90% терригенных осадков остается в приустьевых частях рек и на окраинах континентов - зоны лавинной седиментации. Были от­крыты высокотемпературные гидротермы, где интенсивно идет обмен веществом и энергией между морской водой и эндогенным базальтовым веществом. Объем подводного вулканизма на поря­док выше континентального, а количество поставляемого им эн­догенного материала превышает объем, поставляемый реками. Было доказано, что значительное количество элементов захваты­вается из воды и поставляется в донные осадки. Таким образом, литологам при изучении осадочных пород необходимо учитывать осадочное вещество всех внешних сфер Земли (атмосферы, гидросферы, биосферы, литосферы), поскольку оказалось, что вклад эоловых и ледовых компонентов равен вкладу терригенного Бе­гства рек. Биогенный материал по донным осадкам составляет около 50%, а во взвешенном веществе морской воды — 90-99%. Мировой океан фильтруется биоорганизмами за 1-1,5 года. Нормирование осадочного процесса стало рассматриваться во взаимосвязи со всеми оболочками Земли, что нашло отражение в развитии учения о диагенезе, катагенезе и возможности изучения осадков методами стадиального анализа. Тем самым литология впервые стала глобальной наукой, как и другие отрасли геологии.