О геофизике

Геофизики – это люди, которые ничего не потеряли,
но всю жизнь ищут.

1. Что такое геофизика?

Геофизика (от др. -греч. γῆ – «Земля», φύσις – «природа») – это комплекс наук, исследующих физическими методами эволюцию, строение и вещественный состав планеты Земля, а также происходящие в ней процессы.

Начала геофизики

1920-е годы – это время, когда геофизика окончательно сформировалась как наука. Возникли гравиметрия, учение о земном магнетизме, сейсмология, электрометрия.

Геофизика – это молодая высокотехнологичная наука. Ей чуть больше 100 лет.

Однако физико-математические основы геофизики заложены значительно раньше.

Ранее других методов возникла магниторазведка. Первые сведения о применении компаса для разведки магнитных руд в Швеции относятся к 1640 г.

Со времени установления Шарлем Кулоном закона взаимодействия магнитных масс (1785 г.) начинается развиваться теория земного магнетизма.

Первыми систематическими разведочными работами в России и в мире были съемки Курской магнитной аномалии (КМА), начатые профессором МГУ Эрнестом Егоровичем Лейстом в 1894 г., а также магнитные съемки, проведенные Дмитрием Ивановичем Менделеевым на Урале и П.Т. Пассальским в районе Кривого Рога в конце XIX века. В 1919 г. были начаты магнитные съемки на КМА. Именно эти работы можно считать началом развития отечественной разведочной геофизики.

Теория гравиметрии берет свое начало с 1687 г, когда Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. В 1753 г. Михаил Васильевич Ломоносов высказал мысль о связи значений силы тяжести на земной поверхности с внутренним строением Земли и разработал идею газового гравиметра.

Первыми работами по электроразведке можно считать наблюдения Роберта Фокса (Англия) в 1830 г. естественной поляризации сульфидных залежей и Е.И. Рогозина (Россия), который в 1903 г. дал первое изложение основ этого метода и предложил использовать его для поисков руд.

В 1913 г. Конрад и Марсель Шлюмберже (Франция) разработали метод электроразведки постоянным током, а в 1918 г. Карл Зундберг и Ханс Лундберг (Швеция) предложили электроразведку переменным током.

В области сейсмологии первыми можно считать работы М.В. Ломоносова «Слово о рождении металлов от трясения земли» (1757) и «О слоях земных» (1759) .

Теоретические работы Эмиля Вихерта (Германия) и Бориса Борисовича Голицына (Россия) в начале XX в. имели самое непосредственное отношение к созданию сейсморазведки. В 1911 г. Голицыным показана возможность использования упругих волн, возникающих при землетрясении и взрывах, для изучения земной коры.

В начале ХХ века Владимир Иванович Вернадский высказал идею использовать естественную радиоактивность для поисков урана и радия. Это послужило началом развития радиометрии и ядерной геофизики.

В последующие годы геофизика получила существенное развитие. Усовершенствована теория и методы исследований. Аппаратура и оборудование заздаются с использованием новейших материалов, электроники, вычислительных средств и средств передачи информации. Стремительно развиваются возможности вычислительной математики, методов обработки и интерпретации геофизических данных. Создано большое количество новых методов и технологий.

Структура геофизики

Современная геофизика подразделяется на фундаментальную (общую) и прикладную геофизику.

---

2. Что делают геофизики?

Геофизики – это ученые и специалисты, которые с помощью физических методов изучают как устроена наша Планета и из чего она состоит.

Некоторые факты

Благодаря геофизикам-сейсмологам мы знаем, что у Земли есть земная кора, мантия, жидкое и твердое ядро.

Энергия землетрясений создает мощные сейсмические волны, движущиеся в недрах Земли. Волны отражаются и преломляются на границах материалов с различными упругими свойствами. Сейсмостанции, расположенные по всему миру, регистрируют время прихода волн. По этим данным сейсмологи и определяют строение Земли.

Геофизики доказали существование глубинных геодинамических процессов, которые вызывают землетрясения и извержения вулканов. Ведут наблюдения за тектоническими движениями, магнитной, тепловой и сейсмической активностью Земли.

Геофизики обнаружили огромное количество полезных ископаемых в земной коре. И сегодня продолжают вести поиск и разведку различных месторождений – нефти и газа, железа, золота и редких металлов, алмазов, пресной воды, строительных материалов (известняки, глины, гравий, песок) и многого другого. Так создается и восполняется минерально-сырьевая база нашей страны и всей цивилизации.

Геофизики проводят исследования для проектирования и строительства зданий и крупных сооружений – автомагистралей, железных дорог, мостов, тоннелей, и т.д.

Геофизики помогают решать сложные экологические проблемы — определяют распространение и величину химических загрязнений геологической среды, изучают и ведут мониторинг техногенного физического загрязнения окружающей среды (превышение допустимых уровней вредных физических полей).

Виды деятельности

Профессиональная деятельность геофизиков очень разнообразна. Ее можно разделить на несколько основных видов:

• научно-исследовательская (все, что связано с развитием науки и технологий, включая разработку нового геофизического оборудования),
• проектно-изыскательская (разработка проектов и решение поисковых задач с помощью современных технологий),
• производственно-технологическая (решение производственных задач с помощью современных технологий),
• организационно-управленческая (кто-то должен организовывать и управлять научными, проектными и производственными процессами),
• образовательная (нужно же передавать опыт следующим поколениям).

В зависимости от решаемых задач геофизики могут осуществлять свою деятельность в различных условиях:

Каждый геофизик сам выбирает, где наиболее результативно применить свои знания и умения. Можно работать только «в поле» или только «в офисе». А можно творчески совмещать, становясь специалистом более широкого профиля.

Геофизические исследования обычно включают 4 основных этапа:

1. Подготовительный (анализ научной проблемы или предложений заказчика, разработка проекта, плана и программы исследований),
2. Полевые работы (сбор геофизических данных на исследуемом объекте, изучаемой территории),
3. Камеральные работы (обработка и интерпретация полученных геофизических данных),
4. Итоговый (подготовка научно-технического отчета, сдача результатов заказчику — государственной организации или частной компании).

Каждый из этапов исследования интересен по-своему.

Полевые работы

Те, кому интересно изучать природу, кому близка романтика путешествий, кто получает наслаждение от новых мест или просто любит туризм, могут с успехом реализовать себя в полевой геофизике:

• в научных экспедициях по изучению строения Земли на суше и в океане,
• в поисковых или разведочных экспедициях,
• на месторождениях полезных ископаемых при решении промысловых задач (на скважинах, в карьерах или шахтах),
• на территориях строительства или реконструкции зданий и сооружений,
• на участках археологических исследований,
• в геоэкологических исследованиях.

Геофизики ведут исследования и поиски, изучая и анализируя различные геофизические поля.

Геофизические поля

Геофизическое поле – это распределенные в изучаемом пространстве значения физических величин, описывающих процессы в недрах Земли, океане и атмосфере.

Выделяют несколько видов полей:

Геофизическое поле	Измеряемые физические величины	Приборы
Гравитационное	Ускорение свободного падения g	Гравиметры
Геомагнитное	Напряженность магнитного поля H, магнитная индукция B	Магнитометры
Электрическое и электромагнитное	Напряженность E и индукция D электрического поля, сила тока I, разность электрических потенциалов U, плотность потока радиоволнового излучения J	Электроразведочные станции, резистивиметры, амперметры, вольтметры, радиометры, радиолокаторы
Сейсмическое Акустическое Гидроакустическое	Амплитуды u и времена t распространения упругих волн	Сейсмографы, сейсморазведочные станции, сонары, гидролокаторы
Тепловое	Tемпература T, плотность потока микроволнового или инфракрасного излучения J	Термометры, пирометры, болометры, тепловизоры
Поля ионизирующих излучений	Плотность потока J альфа-, бета-частиц, гамма-квантов, нейтронов и др.	Радиометры, дозиметры, эманометры

Чтобы получить данные, характеризующие изучаемое геофизическое поле, надо:

• с помощью геофизических приборов и оборудования измерить значения физических величин на изучаемой местности (в различных точках вдоль поверхности Земли, вдоль ствола скважины и т.п.),
• определить точные координаты всех измерений (используя современные геодезические технологии).

Геофизические приборы и оборудование

Для исследования геофизических полей создано большое количество измерительных приборов и оборудования, работающих на различных физических принципах.

Приборы непрерывно совершенствуются и разрабатываются новые образцы на основе последних достижений физики с использованием современных материалов, электроники и информационных технологий.

Есть приборы для измерения физических полей в конкретной точке пространства: гравиметры, магнитометры, резистивиметры, термометры, радиометры и радиолокаторы, скважинные зонды и др.

Есть распределенные геофизические измерительные системы: системы для наземной и морской сейсморазведки, электроразведочные и электротомографические системы.

Геофизические приборы должны иметь высокую чувствительность (чтобы измерять даже самые слабые поля), скорость сбора данных (для изучения быстропротекающих процессов), помехоустойчивость и надежность (чтобы устойчиво работать в сложных природных и климатических условиях).

Геофизические системы дополнительно характеризуются протяженностью (для сбора данных на больших пространствах), числом каналов (количеством ), высокой скоростью сбора и передачи данных к центрам регистрации (станциям) с использованием самых современных каналов связи (проводных, оптоволоконных, радиоканалов).

Проведение полевых работ

Полевые геофизические работы (или съемки) проводятся на различных уровнях:

Уровни исследования	Виды геофизических съемок и используемое оборудование
В воздухе и космосе	Съемки с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), аэрокосмические съемки (с самолетов, вертолетов, космических аппаратов), дистанционные зондирования Земли
На суше	Стационарные, пешеходные и автомобильные съемки, съемки с помощью протяженных измерительных систем
На море, реках, озерах и под водой	Съемки с помощью специальных геофизических кораблей, лодок, подводных роботизированных аппаратов
В шахтах и горных выработках	Стационарные, пешеходные съемки
В скважинах	Съемки посредством опускаемых в скважину геофизических зондов, скважинных геофизических систем
На других планетах (планетофизика)	Съемки с использованием земных радиотелескопов, орбитальных космических станций, спускаемых аппаратов и планетоходов

Площади геофизических исследований:

• глобальные масштабы (сейсмологические наблюдения),
• тысячи кв. км (региональные, поисковые),
• десятки и сотни кв. км (разведка месторождений),
• десятки кв. м (исследования под строительство жилого дома).

Глубинность:

• до 10 м (приповерхностные),
• до 100 м (малоглубинные),
• до десятков км вглубь Земли (глубинные).

На этапе полевых работ геофизики-операторы решают следующие задачи:

• подготовка и развертывание геофизического оборудования на объекте в соответствии с программой работ,
• выполнение сбора и регистрации данных,
• обеспечение бесперебойной работы оборудования,
• постоянный контроль качества получаемых данных (так обеспечивается точность и достоверность геофизических исследований).

Результаты полевых работ

Результат геофизических съемок – цифровые данные о распределении в пространстве и изменении во времени геофизических полей.

Объемы получаемых цифровых данных:

• первые мегабайты (небольшие 2D-электроразведочные исследования),
• гигабайты (георадиолокационные съемки),
• от сотен терабайт до десятков петабайт информации (масштабные 3D- и 4D-сейсморазведочные исследования).

После завершения сбора, геофизические данные отправляют в аналитический центр для обработки, интерпретации и подготовки технического отчета о результатах исследований.

Переносные компьютеры становятся все мощнее и производительнее. Поэтому некоторые этапы обработки данных уже можно выполнять прямо в полевых условиях – полевая обработка данных. Можно сразу на месте получать предварительные результаты, проверять изначальные предположения и корректировать программу исследований.

Камеральные работы

Камеральные работы (от французского слова camera – «комната») – этап обработки и интерпретации геофизических данных, выполняемый в офисных условиях – в лабораториях и аналитических центрах компаний.

На этом этапе геофизики-обработчики и геофизики-интерпретаторы

• обрабатывают геофизические данные,
• проводят геологическую интерпретацию результатов (перевод с «геофизического языка» физических полей на «геологический язык» горных пород, геологических структур, процессов и полезных ископаемых),
• строят цифровые модели месторождений или процессов,
• подсчитывают запасы полезных ископаемых,
• разрабатывают рекомендации по повышению их добычи,
• готовят отчеты для компаний-заказчиков и государственных комиссий (ГКЗ).

Обработку, геологическую интерпретацию и геолого-геофизическое моделирование выполняют с помощью современных высокопроизводительных компьютеров (все чаще суперкомпьютеров) и специальных программных комплексов.

Проектные работы

Геофизики принимают большое участие в разработке планов и проектов проведения новых геологоразведочных работ, промысловых работ или инженерно-геологических изысканий.

Чтобы решить новую исследовательскую задачу, геофизику необходимо разработать и обосновать оптимальный комплекс различных геофизических методов, с помощью которого задача будет решена наиболее достоверно и наименее затратно экономически.

Технико-экономическое обоснование – один их важных разделов любого проекта. Такой раздел студенты-геофизики учатся составлять при подготовке своей выпускной квалификационной работы (дипломного проекта).

Управленческая деятельность

Конечно же!

Ходят слухи, что высшее образование в области такой естественнонаучной дисциплины, как физика, естественным образом «формирует мозг» студента, системно готовит его к решению широкого спектра задач в будущей жизни. В том числе и к управленческой деятельности.

Геофизическое приборостроение

Это еще одна инженерная область науки и технологий, в которой востребованы профессиональные геофизики.

Научно-исследовательские институты и коммерческие компании непрерывно совершенствуют геофизические приборы и оборудование. Создают новые образцы, работающие на других физических принципах.

---

3. Карьера в геофизике

По завершению учебной программы, успешной защиты дипломных работ выпускники получают квалификацию «горный инженер-геофизик», а вместе с ней, прекрасную специальность с трудоустройством в России и других странах мира.

Выпускников ждут:

• геофизические сервисные, геологоразведочные, добывающие компании («Газпром недра», «Газпром нефть», холдинг «Росгеология», «Роснефть», «Башнефть», «Лукойл», «ТНГ-Групп», Schlumberger, «Русал», «Северсталь» и многие другие),
• Федеральное агентство по недропользованию «Роснедра», которое занимается возобновлением минерально-сырьевой базы России, управляет недрами Страны, их лицензированием и охраной (например, только в Московской области около 1200 недропользователей),
• инженерно-геологические компании,
• научно-исследовательские и проектные компании,
• прикладные институты (Институт физики Земли РАН).

Российские компании часто приглашают геофизиков для реализации проектов за рубежом (Африка, Азия, Южная Америка). Вот тут понадобится хорошее владение иностранным языком (хотя бы, английским).

Профессия «геофизик» – это всегда научно-производственная деятельность.

Это квалифицированная и хорошо оплачиваемая во всех странах работа. Она позволяет человеку жить достойно.

В любом случае, став дипломированным геофизиком, вы сможете найти себе применение везде – от инженерии до управления, от математики до ядерной физики, от бурения нефтегазовых скважин до программирования.

---

4. Будущее геофизики

Те, кто выбрал профессию геофизика, всегда будут обеспечены интересной исследовательской работой. Почему? Потому, что нашей цивилизации нужны:

Энергия и топливо

В ближайшие десятилетия нефть и газ по-прежнему останутся основными источниками энергии. По данным Statistical Review of World Energy 2020 компании British Petroleum мировая добыча и потребление нефти и газа растут .

Поэтому перед геофизиками стоят серьезные задачи по поиску и разведке новых месторождений, пропущенных залежей, повышению коэффициента извлечения нефти.

Новые материалы

Однако нефть и газ — это не только электричество и тепло в наших домах, топливо и масла для транспорта. Они представляют собой ценнейшее сырье для современной нефте- и газохимии. Эти отрасли промышленности производят материалы, без которых не возможно существование нашей цивилизации, например, резину, каучук, химические волокна, пластмассы, плёнки, лаки и краски, клей и даже уксус.

Вот небольшой видеоролик компании «Сибур» по этому поводу.

Минеральные удобрения

Человечество растет. По состоянию на январь 2024 года, население Земли составляет 8,09 миллиарда человек, и каждый год прибавляется еще 90 млн. Для обеспечения продовольствием нужно непрерывно развивать сельское хозяйство, повышать урожаи. Один из основных приемов интенсивного земледелия — применение минеральных удобрений.

Сырьё для получения минеральных удобрений — агрономические руды — апатиты и фосфориты, калийные соли, натриевая и калийная селитра и другие горные породы и минералы.

Агрономические руды уже стали одними из важнейших полезных ископаемых 21-го века.

Цифровизация

А переход к новому технологическому укладу, роботизация, глобальная цифровизация требуют редких, и в том числе редкоземельных металлов.

Редкие и редкоземельные металлы являются фундаментом нашей современной высокотехнологичной, «зеленой» и военной промышленности.

С распространением высокотехнологичной продукции стремительно растет спрос на редкие металлы. Они необходимы в атомной промышленности, в создании сверхпрочных сплавов, в производстве электроники, микроволновых печей, мощных магнитов, роботов, электромобилей, ветряных турбин, жестких дисков для компьютеров, высокостойкого стекла, топливных присадок и лазеров, в медицинских исследованиях и в лечении.

По данным Японского института металлов, потребность в редких металлах, таких как кобальт, вольфрам и литий, к 2050 году вырастет примерно в 5 раз и превзойдет наши текущие запасы многих из них.

…Как бы ни ужасающе это звучало для некоторых защитников окружающей среды, но на «зеленые» задачи требуется увеличение добычи и переработки редких металлов. Разработка шахт не противоречит «зеленой» экономике — она ей необходима.

Исследования показывают, что для борьбы с глобальным потеплением нам понадобится гораздо больше редких металлов. Например, в одной только турбине ветряка может содержаться от 250 до 600 килограммов редкоземельных магнитов на мегаватт мощности…

Дэвид Абрахам
Элементы силы. Гаджеты, оружие и борьба за устойчивое будущее в век редких металлов

Устойчивое развитие территорий и экология

Без результатов инженерно-геофизических исследований сегодня нельзя вести проектирование, строительство и реконструкцию зданий и сооружений. Особенно это касается объектов высокого уровня ответственности (крупные здания, автомагистрали, железные дороги, тоннели, мосты и др.) и категории сложности территорий (сейсмическая опасность, оползневые процессы, подтопляемость и др.).

Геофизики сегодня сталкиваются с новыми задачами и объемами исследовательских работ, например, в связи с утверждением в России крупных программ и стратегий развития. Вот некоторые государственные программы:

• Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года, для достижения целей которой потребуется ускоренный переход (модернизационный рывок) к более эффективной, гибкой и устойчивой энергетике. В первую очередь Стратегия должна обеспечить энергетическую безопасность России в условиях постепенной смены сформировавшегося в XX веке ресурсно-сырьевого и технологического уклада мировой энергетики.
• Стратегия развития Арктической зоны России и обеспечения национальной безопасности до 2035 года включающая развитие Северного морского пути как глобального транспортного коридора, исследование изменения климата.
• Федеральный приоритетный проект «Безопасные и качественные дороги» до 2025 года, направленный на приведение в нормативное транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог и развитие дорожной сети крупнейших городских агломераций.
• Комплексный план модернизации и расширения магистральной инфраструктуры на период до 2024 года, который коснется железнодорожной, автодорожной, трубопроводной и другой инфраструктуры. Общий объем финансирования составит 1,2 трлн. рублей.

Фундаментальные исследования Земли

Помимо поисков полезных ископаемых, перед геофизиками стоит множество нерешенных фундаментальных проблем физики Земли.

Неоходимо создавать новые методы и технологии, которые позволят получить больше знаний о глубинном строении Земли, повысят детальность и достоверность геофизических исследований.

Наша Планета постоянно меняется. Жизненно важно изучать движения земной коры, наблюдать изменение термодинамического и напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, чтобы, например, научиться предсказывать землетрясения и цунами, и заниматься их профилактикой.

Возрастает интерес к исследованиям гидросферы (океанов, морей и вод суши), атмосферы и криосферы (ледники и вечная мерзлота), а также их взаимодействия. Проводится мониторинг толщины ледниковых покровов в Арктике и Антарктике, в частности, из-за интенсивного изменения климата.

Выход в космос

В связи с развитием космических технологий появляются более широкие возможности, чтобы исследовать строение и свойства Луны, Марса и других планет Солнечной системы.

Уже на ближайшие годы запланированы пилотируемые полеты на Марс, создание постоянных исследовательских баз на Луне, а потом и на Марсе.

В этом направлении геофизика плавно переходит в планетофизику.

Геофизика – это возможность исследовать неизведанное, изучать нашу Планету и открывать ее для себя, это романтика путешествий и целый образ жизни!

Использованы фотографии ПАО «Газпром нефть»