鄧世坤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引言

哲學(xué)和科學(xué)分屬于兩個(gè)大的知識(shí)層次，二者同實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系上，相對(duì)而言，哲學(xué)比較間接、概括，而科學(xué)比較直接、具體?？茖W(xué)是哲學(xué)的基礎(chǔ)，哲學(xué)依賴于科學(xué)，是科學(xué)的進(jìn)步豐富和推動(dòng)了哲學(xué)的發(fā)展，給哲學(xué)提供了新的知識(shí)源泉。哲學(xué)是科學(xué)的指導(dǎo)，科學(xué)的發(fā)展離不開哲學(xué)，以具體科學(xué)為基礎(chǔ)和知識(shí)來(lái)源的哲學(xué)反過(guò)來(lái)又給予具體科學(xué)以世界觀和一般方法論的指導(dǎo)。

本文結(jié)合筆者在地球科學(xué)領(lǐng)域的勘探地球物理專業(yè)長(zhǎng)期從事教學(xué)與科研工作的實(shí)踐與體會(huì)，運(yùn)用馬克思主義哲學(xué)思維和唯物辯證觀來(lái)探討地球物理學(xué)中若干基本概念之間所構(gòu)成的對(duì)立統(tǒng)一的辯證關(guān)系，并將其融會(huì)到該專業(yè)的課堂教學(xué)中，冀希對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的哲學(xué)思維能力、拓寬視眼、樹立科學(xué)精神與人文精神有所裨益。

地球科學(xué)是7大基礎(chǔ)科學(xué)之一，而地球物理學(xué)是地球科學(xué)的一個(gè)重要分支。地球物理學(xué)可分為固體地球物理學(xué)和勘探地球物理學(xué)；地球物理學(xué)是用物理方法探測(cè)和研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成與屬性的空間分布的一門技術(shù)科學(xué)。其中勘探地球物理是勘查地下石油、天然氣、煤、固體礦產(chǎn)及水等資源的重要工具，也工程勘察及環(huán)境與災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查的重要探測(cè)手段。固體地球物理學(xué)是研究地球的各種物理特征與地球運(yùn)動(dòng)、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、地球內(nèi)部物質(zhì)成分及分布等關(guān)系的學(xué)科。地球物理學(xué)是隨著社會(huì)發(fā)展的需要及其它各門科學(xué)的發(fā)展而不斷發(fā)展的?！叭绻覀兡苡浀门ｎD是由于研究地球和月球的運(yùn)動(dòng)才奠定了古典物理學(xué)的基礎(chǔ)，那么就不難理解地球物理學(xué)的歷史和物理學(xué)一樣悠久”?，F(xiàn)代地球物理學(xué)是一門復(fù)雜的邊緣交叉學(xué)科，它涉及數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)與計(jì)算科學(xué)等多門學(xué)科。地球物理學(xué)的任務(wù)是通過(guò)觀測(cè)和收集地球所發(fā)出的各種物理場(chǎng)信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行推演和解釋，從而推測(cè)地球內(nèi)部介質(zhì)的物理屬性及空間分布，揭示地球運(yùn)動(dòng)、變化的本質(zhì)聯(lián)系與規(guī)律。地球物理學(xué)決不是簡(jiǎn)單地綜合運(yùn)用了其它各門學(xué)科的知識(shí)成果；地球物理學(xué)作為一門獨(dú)立而古老的學(xué)科，它具有其內(nèi)在的、普遍的、本質(zhì)的規(guī)律性，具有其自身所包含的特殊矛盾。

唯物辯證法認(rèn)為矛盾是普遍存在的，一切事物的內(nèi)部都包含著矛盾，矛盾存在于一切事物的發(fā)展過(guò)程中；。事物內(nèi)部的矛盾性是事物發(fā)展的源泉、動(dòng)力和實(shí)質(zhì)內(nèi)容?！叭孔匀豢茖W(xué)、社會(huì)科學(xué)、思維科學(xué)的發(fā)展史不僅證明矛盾普遍存在于自然界、社會(huì)歷史和思維的各種領(lǐng)域，而且證明是由于揭露和解決了矛盾，科學(xué)才得到了發(fā)展；否則，就會(huì)阻礙科學(xué)的進(jìn)步”。地球物理學(xué)中也同樣包含著許多矛盾，如地球物理?xiàng)l件與地球物理方法的矛盾，正演與反演的矛盾，有效信號(hào)與干擾信號(hào)的矛盾等。對(duì)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(jìn)了地球物理學(xué)的發(fā)展，并豐富了這一學(xué)科的內(nèi)涵。本文運(yùn)用馬克思主義哲學(xué)的基本原理，對(duì)地球物理學(xué)中所包含的若干基本矛盾進(jìn)行分析，試圖揭示地球物理學(xué)中這些矛盾的特殊性及其在地球物理學(xué)的發(fā)展中所起的作用。

2 地球物理?xiàng)l件與地球物理方法的辯證關(guān)系

地球物理?xiàng)l件是指用地球物理方法解決地質(zhì)問(wèn)題時(shí)所必需具備的物理前提條件。它主要包括所探測(cè)的地質(zhì)目標(biāo)與圍巖之間的物性差異，地質(zhì)目標(biāo)的大小、埋深、產(chǎn)狀要素及圍巖介質(zhì)的均勻性，地表覆蓋層厚度、地形起伏情況以及探測(cè)環(huán)境的干擾因素等。地球物理方法是指解決各種具體地質(zhì)問(wèn)題時(shí)所采用的多種物理探測(cè)方法、技術(shù)。地球物理?xiàng)l件依不同地質(zhì)問(wèn)題而有所不同；所要解決的各種地質(zhì)問(wèn)題是復(fù)雜多變的，因而各種地質(zhì)問(wèn)題所具備的地球物理?xiàng)l件也是復(fù)雜多變的；地球物理?xiàng)l件與地球物理方法之間的關(guān)系是既對(duì)立有統(tǒng)一的關(guān)系。首先，針對(duì)不同地球物理?xiàng)l件的地質(zhì)問(wèn)題，只能采用不同的地球物理方法、技術(shù)，因而有必要發(fā)展多種多樣的地球物理方法、技術(shù)。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(chǎng)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(cè)井)；按解決問(wèn)題的對(duì)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(duì)不同地球物理?xiàng)l件提出發(fā)展起來(lái)的。其次，不存在一種可以解決一切地質(zhì)問(wèn)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?xiàng)l件的地質(zhì)問(wèn)題。對(duì)于較復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題，可采用多種地球物理方法進(jìn)行綜合研究加以解決。各種地球物理方法之間的關(guān)系是互補(bǔ)的，綜合運(yùn)用多種地球物理方法，有利于深入、準(zhǔn)確地研究和解決復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題。而地球物理?xiàng)l件之間的關(guān)系是互相對(duì)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(xué)性質(zhì)差異；地形平坦與起伏、圍巖介質(zhì)物性均勻與非均勻、環(huán)境的機(jī)械噪聲與電磁噪聲等相互對(duì)立。正是由于這些差異的存在才構(gòu)成了用不同地球物理方法解決地質(zhì)問(wèn)題的前提條件。

總之，由于所要解決的地質(zhì)問(wèn)題的復(fù)雜性與多樣性和各種地球物理方法所能解決的地質(zhì)問(wèn)題的有限性之間的矛盾存在，構(gòu)成了不斷推動(dòng)地球物理學(xué)向前發(fā)展的因素之一，導(dǎo)致了多種多樣的地球物理探測(cè)技術(shù)的誕生和發(fā)展。

3 地球物理學(xué)中的正演問(wèn)題與反演問(wèn)題的辯證關(guān)系

與地球物理有關(guān)的數(shù)學(xué)問(wèn)題分為正演問(wèn)題與反演問(wèn)題。各種地球物理場(chǎng)的空間分布和時(shí)間變化都可以由數(shù)學(xué)上的偏微分方程描述，這類偏微分方程也稱為數(shù)理方程。在這些數(shù)理方程中出現(xiàn)的系數(shù)與產(chǎn)生或傳遞地球物理場(chǎng)有關(guān)的介質(zhì)的特(物)性參數(shù)有關(guān)。如果這些系數(shù)為已知，并給出源(數(shù)理方程中的右端項(xiàng))及必要初始條件和邊界條件，就可以解出反映地球物理現(xiàn)象的場(chǎng)量，這就是地球物理學(xué)的正演問(wèn)題，又稱正問(wèn)題。與此相反，如果地球物理場(chǎng)的某些部分為已知，即通過(guò)觀測(cè)已獲得了部分地球物理場(chǎng)隨空間和時(shí)間變化的信息，據(jù)此要求解出數(shù)理方程中的系數(shù)、源、初始及邊界條件中的某些未知部分，這就是地球物理學(xué)的反演問(wèn)題，也稱反問(wèn)題。

對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律是關(guān)于事物運(yùn)動(dòng)的最基本規(guī)律，對(duì)立和同一是矛盾的兩種基本屬性。地球物理學(xué)中的正演和反演問(wèn)題也是既對(duì)立又統(tǒng)一的關(guān)系。

地球物理正演問(wèn)題與反演問(wèn)題的對(duì)立主要表現(xiàn)在：地球物理正演問(wèn)題的解一般是適定的，即正問(wèn)題的解存在、唯一且穩(wěn)定。而反問(wèn)題的解是不適定的，即反演問(wèn)題具有多解性(多值性)和不穩(wěn)定性。以引力場(chǎng)而言，當(dāng)給定場(chǎng)源的空間分布和密度，通過(guò)正演計(jì)算可以唯一地確定空間任一部分的位場(chǎng)值，這是正問(wèn)題。反之，由觀測(cè)所獲得的某一部分空間的場(chǎng)值(由于觀測(cè)條件的限制，通常只能得到部分空間的場(chǎng)的觀測(cè)值)進(jìn)行反演，卻不能唯一地確定場(chǎng)源的空間分布和場(chǎng)源性質(zhì)。這就是正演問(wèn)題的唯一和反演問(wèn)題的非唯一性的矛盾的具體表現(xiàn)。反演問(wèn)題的非唯一性(非單值性)表現(xiàn)在兩個(gè)方面，其中一方面涉及到定性地確定發(fā)現(xiàn)的地球物理異常的地質(zhì)性質(zhì)；另一方面是取得所調(diào)查的地質(zhì)目標(biāo)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(chǎn)狀等要素。對(duì)于具體問(wèn)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(shí)出現(xiàn)。

一般認(rèn)為“引起反演問(wèn)題的非唯一性的實(shí)質(zhì)是對(duì)地質(zhì)目標(biāo)所產(chǎn)生的地球物理場(chǎng)的觀測(cè)的有限性”，也就是說(shuō)我們不可能從全空間(方位)對(duì)一個(gè)地質(zhì)體所產(chǎn)生的地球物理場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)；另外，在觀測(cè)地球物理場(chǎng)的過(guò)程中，各種干擾因素的影響及儀器性能的限制而引起觀測(cè)數(shù)據(jù)精度的有限性，也必然導(dǎo)致反演解的非唯一性和不穩(wěn)定性。

正演問(wèn)題與反演問(wèn)題的對(duì)立統(tǒng)一還表現(xiàn)在：二者是從兩個(gè)相反的方向著手解決地球物理問(wèn)題的。正演是給定地球物理模型，計(jì)算地球物理場(chǎng)的空間與時(shí)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(yīng)隨空間與時(shí)間變化的關(guān)系。反演則是根據(jù)地表(或空中、鉆孔中)所觀測(cè)到的地球物理場(chǎng)(或信息)來(lái)確定地質(zhì)構(gòu)造或地質(zhì)目標(biāo)的性質(zhì)、空間分布及有關(guān)參數(shù)；反演是一個(gè)間接過(guò)程。只有對(duì)所獲得的地球物理場(chǎng)的信息進(jìn)行反演，才能將反映物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地球內(nèi)部物理狀態(tài)的量，為地質(zhì)解釋提供依據(jù)。“地質(zhì)解釋主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的巖石類型和物理性質(zhì)之間的關(guān)系或這方面的統(tǒng)計(jì)規(guī)律推測(cè)地球內(nèi)部的不同巖石分布的不同區(qū)域以及相變和突變帶，并以此導(dǎo)出有關(guān)地球構(gòu)造、動(dòng)力和演化的佐證，或得出有關(guān)礦產(chǎn)生成、儲(chǔ)存和儲(chǔ)集的結(jié)論”。因此，地球物理反演是地球物理研究過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是地球物理學(xué)理論上的核心問(wèn)題。反演是矛盾的主要方面。

另一方面，正演和反演是相互聯(lián)系的，二者是不可分的、統(tǒng)一的。地球物理學(xué)的每一分支方法中，正演問(wèn)題與反演問(wèn)題總是同時(shí)存在的。正問(wèn)題與反問(wèn)題有相同的出發(fā)點(diǎn)，即二者都以描述地球內(nèi)部發(fā)生的物理現(xiàn)象所滿足的數(shù)學(xué)物理方程為出發(fā)點(diǎn)。正問(wèn)題的研究是研究反問(wèn)題的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)；反問(wèn)題的研究是正問(wèn)題研究的最終目的。在一定程度上正演計(jì)算從屬于反演解釋。例如，在地震勘探中，根據(jù)地震記錄進(jìn)行反演所獲得的地震地質(zhì)剖面，利用正演方法合成正演地震記錄與實(shí)際地震記錄進(jìn)行對(duì)比，可以檢驗(yàn)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(wèn)題有限，但可以說(shuō)明，反演過(guò)程本身就包含有正演。在早先的地球物理反問(wèn)題中，占主導(dǎo)地位的是直接或間接地使用選擇法或試錯(cuò)法，即通常俗稱的反問(wèn)題的正問(wèn)題解。其基本原理是模型參數(shù)(初值)給定以后，由正演計(jì)算所獲得的理論曲線與觀測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比的結(jié)果修改模型參數(shù)值，反復(fù)進(jìn)行上述步驟，直到理論曲線與觀測(cè)曲線的殘差的平方和達(dá)到可接受的程度。這就是一個(gè)包含正演的反演過(guò)程。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和地學(xué)發(fā)展的需要，急需地球物理研究的投入，迫切地需要更加精細(xì)地解決反演問(wèn)題的方法。在地球物理學(xué)中，目前對(duì)正演問(wèn)題的研究比較完善，而反演問(wèn)題的研究有待進(jìn)一步深入。這是由于反演問(wèn)題本身的特點(diǎn)極其復(fù)雜性所決定的。由于地球物理學(xué)中反演問(wèn)題研究的復(fù)雜性和重要性，地球物理學(xué)家已將反演問(wèn)題的研究從各個(gè)地球物理分支中抽象出來(lái)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(wèn)題共同的數(shù)學(xué)物理性質(zhì)極其反演解的構(gòu)成和評(píng)價(jià)。反演理論的形成和發(fā)展豐富了地球物理學(xué)的內(nèi)容，增強(qiáng)了地球物理方法解決實(shí)際地質(zhì)問(wèn)題的能力。

4 地球物理探測(cè)中的有效信號(hào)與干擾信號(hào)的辯證關(guān)系

信號(hào)是傳遞物理系統(tǒng)之狀態(tài)或特性的信息函數(shù)，信息是通過(guò)信號(hào)傳遞的。地球物理學(xué)的任務(wù)是通過(guò)地面觀測(cè)來(lái)收集和解釋地球所發(fā)出的信息。在地球物理探測(cè)中所采集的信號(hào)可分為有效信號(hào)和干擾信號(hào)。有效信號(hào)是指在一種物探方法中所獲得的與地球內(nèi)部介質(zhì)的物理狀態(tài)有關(guān)、并且所攜帶的信息可用于地質(zhì)解釋的那部分信號(hào)。而干擾信號(hào)則可以定義為在一種探測(cè)方法中所獲得的不包含用于地質(zhì)解釋的信息的那部分信號(hào)。干擾信號(hào)可分為隨機(jī)干擾信號(hào)和規(guī)則干擾信號(hào)。隨機(jī)干擾信號(hào)由儀器內(nèi)部噪聲、測(cè)試環(huán)境噪聲以及地下圍巖介質(zhì)的不均勻性等引起；規(guī)則干擾信號(hào)則可由測(cè)試環(huán)境和地質(zhì)條件產(chǎn)生。規(guī)則干擾信號(hào)也可能包含有反映地球內(nèi)部物理狀態(tài)和性質(zhì)的信號(hào)。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(guī)則干擾；在電法勘探的激電法中，電磁耦合干擾也是一種規(guī)則干擾信號(hào)。

地球物理信號(hào)中有效信號(hào)與干擾信號(hào)是一對(duì)矛盾。有效信號(hào)所攜帶的是物探方法中與地質(zhì)解釋有關(guān)的信息；而干擾信號(hào)則是物探方法中不能用于地質(zhì)解釋且干擾或影響地質(zhì)解釋的信息，它會(huì)掩蓋與地質(zhì)解釋有關(guān)的信息。任何一種物探方法中所獲得的信號(hào)總是同時(shí)包含著干擾信號(hào)和有效信號(hào)，有效信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)存在。為了克服這一矛盾，壓制干擾信號(hào)，突出有效信號(hào)，提高地球物理數(shù)據(jù)的信噪比，地球物理學(xué)家在改進(jìn)地球物理數(shù)據(jù)采集方法與數(shù)據(jù)處理技術(shù)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(cè)方式的提出及反射地震數(shù)據(jù)處理方面水平疊加處理及各種數(shù)字濾波技術(shù)等。

矛盾的雙方互相包含，并在一定的條件下向自己的對(duì)立面轉(zhuǎn)化。有效信號(hào)和干擾信號(hào)是相互包含的，在一定的條件下，干擾信號(hào)和有效信號(hào)是可以相互轉(zhuǎn)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(dá)到地下介質(zhì)中的彈性分界面上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射、折射現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)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(qiáng)干擾波。因此，對(duì)瑞雷波的早期研究，人們主要是根據(jù)瑞雷波的特點(diǎn)，采用多種方法來(lái)減小它的危害或消除它的影響。然而，自從20世紀(jì)50年代初，人們發(fā)現(xiàn)了瑞雷波在層狀介質(zhì)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(lái)研究地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。隨著高速數(shù)字計(jì)算機(jī)在地球物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，到了80年代，人們開始利用人工激發(fā)的高頻(數(shù)Hz-數(shù)百Hz)瑞雷面波來(lái)解決淺層(數(shù)十米深度范圍)工程地質(zhì)問(wèn)題的方法技術(shù)，這就是瑞雷波勘探技術(shù)。這是干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化為有效信號(hào)的一個(gè)例證。

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

這種有效信號(hào)和干擾信號(hào)相互包含、相互轉(zhuǎn)化的實(shí)例在地球物理學(xué)的其它方法中也不少見。地球物理學(xué)中的一些勘探理論和方法正是在研究和解決有效信號(hào)與干擾信號(hào)的矛盾過(guò)程中提出和發(fā)展起來(lái)的，這對(duì)于從事地球物理勘探的研究者提出新理論、新方法，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，利用新參數(shù)是有所啟迪的。當(dāng)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(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)踐檢驗(yàn)，同時(shí)還必須有堅(jiān)實(shí)、正確的理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

地球物理學(xué)是一門處在不斷發(fā)展中的科學(xué)。隨著社會(huì)發(fā)展和地學(xué)發(fā)展的需要，對(duì)地球物理學(xué)的發(fā)展提出了更高的要求。揭露矛盾并解決矛盾是學(xué)科發(fā)展的動(dòng)力。地球物理學(xué)的研究同其它科學(xué)一樣，運(yùn)用馬克思主義哲學(xué)的普遍原理指導(dǎo)具體科學(xué)研究，可以少走彎路，避免誤入歧途。