關于勘探地球物理學中若干基本概念的哲學思考

鄧世坤

(中國地質大學地球物理與空間信息學院，湖北 武漢 430074)

1 引言

哲學和科學分屬于兩個大的知識層次，二者同實踐經驗的關系上，相對而言，哲學比較間接、概括，而科學比較直接、具體。科學是哲學的基礎，哲學依賴于科學，是科學的進步豐富和推動了哲學的發展，給哲學提供了新的知識源泉。哲學是科學的指導，科學的發展離不開哲學，以具體科學為基礎和知識來源的哲學反過來又給予具體科學以世界觀和一般方法論的指導。

本文結合筆者在地球科學領域的勘探地球物理專業長期從事教學與科研工作的實踐與體會，運用馬克思主義哲學思維和唯物辯證觀來探討地球物理學中若干基本概念之間所構成的對立統一的辯證關系，并將其融會到該專業的課堂教學中，冀希對培養學生的哲學思維能力、拓寬視眼、樹立科學精神與人文精神有所裨益。

地球科學是7大基礎科學之一，而地球物理學是地球科學的一個重要分支。地球物理學可分為固體地球物理學和勘探地球物理學；地球物理學是用物理方法探測和研究地球內部結構及物質組成與屬性的空間分布的一門技術科學。其中勘探地球物理是勘查地下石油、天然氣、煤、固體礦產及水等資源的重要工具，也工程勘察及環境與災害地質調查的重要探測手段。固體地球物理學是研究地球的各種物理特征與地球運動、地球內部結構與構造、地球內部物質成分及分布等關系的學科。地球物理學是隨著社會發展的需要及其它各門科學的發展而不斷發展的。“如果我們能記得牛頓是由于研究地球和月球的運動才奠定了古典物理學的基礎，那么就不難理解地球物理學的歷史和物理學一樣悠久”。現代地球物理學是一門復雜的邊緣交叉學科，它涉及數學、物理學、地質學、電子技術、計算機與計算科學等多門學科。地球物理學的任務是通過觀測和收集地球所發出的各種物理場信息，并對這些信息進行推演和解釋，從而推測地球內部介質的物理屬性及空間分布，揭示地球運動、變化的本質聯系與規律。地球物理學決不是簡單地綜合運用了其它各門學科的知識成果；地球物理學作為一門獨立而古老的學科，它具有其內在的、普遍的、本質的規律性，具有其自身所包含的特殊矛盾。

唯物辯證法認為矛盾是普遍存在的，一切事物的內部都包含著矛盾，矛盾存在于一切事物的發展過程中；。事物內部的矛盾性是事物發展的源泉、動力和實質內容。“全部自然科學、社會科學、思維科學的發展史不僅證明矛盾普遍存在于自然界、社會歷史和思維的各種領域，而且證明是由于揭露和解決了矛盾，科學才得到了發展；否則，就會阻礙科學的進步”。地球物理學中也同樣包含著許多矛盾，如地球物理條件與地球物理方法的矛盾，正演與反演的矛盾，有效信號與干擾信號的矛盾等。對這些矛盾的研究和試圖解決這些矛盾所作出的努力不斷地促進了地球物理學的發展，并豐富了這一學科的內涵。本文運用馬克思主義哲學的基本原理，對地球物理學中所包含的若干基本矛盾進行分析，試圖揭示地球物理學中這些矛盾的特殊性及其在地球物理學的發展中所起的作用。

2 地球物理條件與地球物理方法的辯證關系

地球物理條件是指用地球物理方法解決地質問題時所必需具備的物理前提條件。它主要包括所探測的地質目標與圍巖之間的物性差異，地質目標的大小、埋深、產狀要素及圍巖介質的均勻性，地表覆蓋層厚度、地形起伏情況以及探測環境的干擾因素等。地球物理方法是指解決各種具體地質問題時所采用的多種物理探測方法、技術。地球物理條件依不同地質問題而有所不同；所要解決的各種地質問題是復雜多變的，因而各種地質問題所具備的地球物理條件也是復雜多變的；地球物理條件與地球物理方法之間的關系是既對立有統一的關系。首先，針對不同地球物理條件的地質問題，只能采用不同的地球物理方法、技術，因而有必要發展多種多樣的地球物理方法、技術。地球物理方法按工作原理可分為重力勘探、磁力勘探、電磁法勘探、地震勘探、放射性勘探等；按工作場所可分為航空物探、地面物探、海洋物探、及井中物探病(包括地球物理測井)；按解決問題的對象可分為深部、中深部及近地表地球物理方法。各種地球物理方法是針對不同地球物理條件提出發展起來的。其次，不存在一種可以解決一切地質問題的全能的地球物理方法，任何一種地球物理方法只適用于解決一定的地球物理條件的地質問題。對于較復雜的地質問題，可采用多種地球物理方法進行綜合研究加以解決。各種地球物理方法之間的關系是互補的，綜合運用多種地球物理方法，有利于深入、準確地研究和解決復雜的地質問題。而地球物理條件之間的關系是互相對立、相互排斥的。例如，巖礦石的密度差異不同于磁性差異，電性差異不同于彈性力學性質差異；地形平坦與起伏、圍巖介質物性均勻與非均勻、環境的機械噪聲與電磁噪聲等相互對立。正是由于這些差異的存在才構成了用不同地球物理方法解決地質問題的前提條件。

總之，由于所要解決的地質問題的復雜性與多樣性和各種地球物理方法所能解決的地質問題的有限性之間的矛盾存在，構成了不斷推動地球物理學向前發展的因素之一，導致了多種多樣的地球物理探測技術的誕生和發展。

3 地球物理學中的正演問題與反演問題的辯證關系

與地球物理有關的數學問題分為正演問題與反演問題。各種地球物理場的空間分布和時間變化都可以由數學上的偏微分方程描述，這類偏微分方程也稱為數理方程。在這些數理方程中出現的系數與產生或傳遞地球物理場有關的介質的特(物)性參數有關。如果這些系數為已知，并給出源(數理方程中的右端項)及必要初始條件和邊界條件，就可以解出反映地球物理現象的場量，這就是地球物理學的正演問題，又稱正問題。與此相反，如果地球物理場的某些部分為已知，即通過觀測已獲得了部分地球物理場隨空間和時間變化的信息，據此要求解出數理方程中的系數、源、初始及邊界條件中的某些未知部分，這就是地球物理學的反演問題，也稱反問題。

對立統一規律是關于事物運動的最基本規律，對立和同一是矛盾的兩種基本屬性。地球物理學中的正演和反演問題也是既對立又統一的關系。

地球物理正演問題與反演問題的對立主要表現在：地球物理正演問題的解一般是適定的，即正問題的解存在、唯一且穩定。而反問題的解是不適定的，即反演問題具有多解性(多值性)和不穩定性。以引力場而言，當給定場源的空間分布和密度，通過正演計算可以唯一地確定空間任一部分的位場值，這是正問題。反之，由觀測所獲得的某一部分空間的場值(由于觀測條件的限制，通常只能得到部分空間的場的觀測值)進行反演，卻不能唯一地確定場源的空間分布和場源性質。這就是正演問題的唯一和反演問題的非唯一性的矛盾的具體表現。反演問題的非唯一性(非單值性)表現在兩個方面，其中一方面涉及到定性地確定發現的地球物理異常的地質性質；另一方面是取得所調查的地質目標的幾何形狀及空間分布的定量特征，如形狀、大小、埋深及其產狀等要素。對于具體問題的解，起主要作用的，或者是非值的定性方面，或者是其定量方面，盡管在一般情況下兩方面都同時出現。

一般認為“引起反演問題的非唯一性的實質是對地質目標所產生的地球物理場的觀測的有限性”，也就是說我們不可能從全空間(方位)對一個地質體所產生的地球物理場進行觀測；另外，在觀測地球物理場的過程中，各種干擾因素的影響及儀器性能的限制而引起觀測數據精度的有限性，也必然導致反演解的非唯一性和不穩定性。

正演問題與反演問題的對立統一還表現在：二者是從兩個相反的方向著手解決地球物理問題的。正演是給定地球物理模型，計算地球物理場的空間與時間分布，從而建立不同地球物理方法與地球物理模型之間的響應隨空間與時間變化的關系。反演則是根據地表(或空中、鉆孔中)所觀測到的地球物理場(或信息)來確定地質構造或地質目標的性質、空間分布及有關參數；反演是一個間接過程。只有對所獲得的地球物理場的信息進行反演，才能將反映物理現象的數據轉化為地球內部物理狀態的量，為地質解釋提供依據。“地質解釋主要根據實驗測定的巖石類型和物理性質之間的關系或這方面的統計規律推測地球內部的不同巖石分布的不同區域以及相變和突變帶，并以此導出有關地球構造、動力和演化的佐證，或得出有關礦產生成、儲存和儲集的結論”。因此，地球物理反演是地球物理研究過程中的關鍵環節，是地球物理學理論上的核心問題。反演是矛盾的主要方面。

另一方面，正演和反演是相互聯系的，二者是不可分的、統一的。地球物理學的每一分支方法中，正演問題與反演問題總是同時存在的。正問題與反問題有相同的出發點，即二者都以描述地球內部發生的物理現象所滿足的數學物理方程為出發點。正問題的研究是研究反問題的基礎和出發點；反問題的研究是正問題研究的最終目的。在一定程度上正演計算從屬于反演解釋。例如，在地震勘探中，根據地震記錄進行反演所獲得的地震地質剖面，利用正演方法合成正演地震記錄與實際地震記錄進行對比，可以檢驗反演解釋的正確性。下面給出的例子中的方法雖然所解決的問題有限，但可以說明，反演過程本身就包含有正演。在早先的地球物理反問題中，占主導地位的是直接或間接地使用選擇法或試錯法，即通常俗稱的反問題的正問題解。其基本原理是模型參數(初值)給定以后，由正演計算所獲得的理論曲線與觀測曲線進行對比，根據對比的結果修改模型參數值，反復進行上述步驟，直到理論曲線與觀測曲線的殘差的平方和達到可接受的程度。這就是一個包含正演的反演過程。

隨著國民經濟的發展和地學發展的需要，急需地球物理研究的投入，迫切地需要更加精細地解決反演問題的方法。在地球物理學中，目前對正演問題的研究比較完善，而反演問題的研究有待進一步深入。這是由于反演問題本身的特點極其復雜性所決定的。由于地球物理學中反演問題研究的復雜性和重要性，地球物理學家已將反演問題的研究從各個地球物理分支中抽象出來形成地球物理反演理論，專門研究各種地球物理方法中反問題共同的數學物理性質極其反演解的構成和評價。反演理論的形成和發展豐富了地球物理學的內容，增強了地球物理方法解決實際地質問題的能力。

4 地球物理探測中的有效信號與干擾信號的辯證關系

信號是傳遞物理系統之狀態或特性的信息函數，信息是通過信號傳遞的。地球物理學的任務是通過地面觀測來收集和解釋地球所發出的信息。在地球物理探測中所采集的信號可分為有效信號和干擾信號。有效信號是指在一種物探方法中所獲得的與地球內部介質的物理狀態有關、并且所攜帶的信息可用于地質解釋的那部分信號。而干擾信號則可以定義為在一種探測方法中所獲得的不包含用于地質解釋的信息的那部分信號。干擾信號可分為隨機干擾信號和規則干擾信號。隨機干擾信號由儀器內部噪聲、測試環境噪聲以及地下圍巖介質的不均勻性等引起；規則干擾信號則可由測試環境和地質條件產生。規則干擾信號也可能包含有反映地球內部物理狀態和性質的信號。例如，在反射地震勘探中，折射波和面波則是一種干擾，而且是一種規則干擾；在電法勘探的激電法中，電磁耦合干擾也是一種規則干擾信號。

地球物理信號中有效信號與干擾信號是一對矛盾。有效信號所攜帶的是物探方法中與地質解釋有關的信息；而干擾信號則是物探方法中不能用于地質解釋且干擾或影響地質解釋的信息，它會掩蓋與地質解釋有關的信息。任何一種物探方法中所獲得的信號總是同時包含著干擾信號和有效信號，有效信號與干擾信號同時存在。為了克服這一矛盾，壓制干擾信號，突出有效信號，提高地球物理數據的信噪比，地球物理學家在改進地球物理數據采集方法與數據處理技術方法方面作了大量而卓有成效的工作，如反射地震勘探中多次覆蓋觀測方式的提出及反射地震數據處理方面水平疊加處理及各種數字濾波技術等。

矛盾的雙方互相包含，并在一定的條件下向自己的對立面轉化。有效信號和干擾信號是相互包含的，在一定的條件下，干擾信號和有效信號是可以相互轉化的。例如，在利用彈性波傳遞信息的地球物理勘探中，彈性波在達到地下介質中的彈性分界面上時，會產生反射、折射現象，同時產生面波(包括瑞雷面波和拉夫面波)。在天然地震中，瑞雷波是一種危害最大的地震波；在人工地震勘探中，瑞雷波是一種強干擾波。因此，對瑞雷波的早期研究，人們主要是根據瑞雷波的特點，采用多種方法來減小它的危害或消除它的影響。然而，自從20世紀50年代初，人們發現了瑞雷波在層狀介質中具有頻散特性，便開始研究利用天然地震記錄的瑞雷波來研究地球內部的結構。隨著高速數字計算機在地球物理學各個領域的廣泛應用，到了80年代，人們開始利用人工激發的高頻(數Hz-數百Hz)瑞雷面波來解決淺層(數十米深度范圍)工程地質問題的方法技術，這就是瑞雷波勘探技術。這是干擾信號轉化為有效信號的一個例證。

同樣，在反射法地震中，折射波是一種干擾信號；而在淺層折射法中，折射波則是一種可用于地質解釋的有效信號。

這種有效信號和干擾信號相互包含、相互轉化的實例在地球物理學的其它方法中也不少見。地球物理學中的一些勘探理論和方法正是在研究和解決有效信號與干擾信號的矛盾過程中提出和發展起來的，這對于從事地球物理勘探的研究者提出新理論、新方法，發現新現象，利用新參數是有所啟迪的。當然要提出新的理論和新方法并不是一件容易的事情。新理論、新方法的提出必須與科學實驗、生產實踐相結合，經過反復的實踐檢驗，同時還必須有堅實、正確的理論基礎。

5 結語

地球物理學是一門處在不斷發展中的科學。隨著社會發展和地學發展的需要，對地球物理學的發展提出了更高的要求。揭露矛盾并解決矛盾是學科發展的動力。地球物理學的研究同其它科學一樣，運用馬克思主義哲學的普遍原理指導具體科學研究，可以少走彎路，避免誤入歧途。