地球科学中的正反问题

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1、一、什么是正演问题和反演问题在地球科学中，有两大问题是离不开的，正演问题和反演问题。由物理定律根据给定物理模型的参数计算出数据的问题是正演问题。而由观测数据通过适当的方法计算物理模型参数来重建物理模型的问题是反演问题。由卫星云图预报天气、由遥感影像估计粮食产量都是正演问题。从思路上而言，正演问题比较简单。如果给定物理模型的系数，由物理定律能够计算出与观测数据相比对的理论数据。在模型比较精确的情况下，正演一般能够获得比较好的效果。当然，反演问题也在多个领域有应用，这里可以给出很多实例，比如太阳的内部

2、结构探测、储油层厚度的估计、莫霍面深度的推断、核幔边界形态的分析等等。由于我们不单对模型系数不清楚，甚至有时对物理模型本身都不甚清楚，所以我们可以断言反演比正演问题将面临更多更大的困难。根据百度百科，正演问题（directproblem）定义：在地球物理磁法勘探的理论研究中，根据磁性体的形状、产状和磁性数据，通过理论计算、模拟计算或模型实验等方法，得到磁异常的理论数值或理论曲线，统称为正演问题。反演问题（inversedproblem）在磁法勘探理论研究和解释磁测成果时，根据磁异常特征，确定磁性体

3、的形状、产状及其磁性等，称为“反演问题”。这个概念给的范围太狭隘，就简单的地磁勘探而已，所以仅作为参考。二、哪个先提出来现在有一个逻辑问题，是先有正演问题还是先有反演问题？似乎直观上先有前者，然而我认为，对大多数问题，尤其是系统复杂的问题，应当是先有后者。科学研究的先驱们没有今天的人有这么好的条件，不可能通过课堂学习系统地掌握成体系的知识，也没有条件去图书馆查阅资料，更不用说利用检索工具搜集信息了，他们掌握的资料和信息是极其的贫乏的。当先驱们涉足新的研究领域时，是没有经验可循的，也没有什么物理模型

4、可以利用。他们看到的是规律或者说模型所呈现出来的现象，他们的任务是找出规律、建立模型，这个任务本身就是反演问题。以地球内部结构探测为例，在目前条件下，人类还无法通过钻探进入地球内部来直接研究，据有关资料，人类目前在地球上钻的洞也不过10公里，还不到地球半径6400多公里的零头。但我们仍可以通过很多手段获得关于地球的信息，地球重力场、地球磁场，发生地震时可以探测到地震波，火山喷发出来的岩浆，板块运动，还有地球的章动、岁差和极移效应等，就是通过对这些现象的观察和观测，利用反演的方法，我们获得了对地球内

5、部结构的认识。针对不同的性质，比如地球内部质量分布、地球的化学元素成分、地球内部的温度分布、地球内部物质，得到了一系列地球内部结构的模型。研究地球内部的初试阶段，我们并没有这些模型的概念，而是出于研究的需要，为了解释现象而建立了种种模型。地球科学大多数领域的大多数问题都不那么直观，所以应当是反演问题先被提出来。三、反演问题的困难根据自然辩证法/科学技术哲学认识，很容易就会有人提出一个怀疑，我们得出的规律是客观真理么？我们物理模型就真实地反映了地球内部真实的情况了么？不得不悲观地说一点，地球科学，特

6、别是固体地球物理学，目前还有很多很多的问题没有解决，对地球内部的认识还远远不够充分，就连理论体系本身也还不够完善。比如普拉特-海福德地球均衡模型和艾利-海伊斯卡宁地壳均衡模型，提出已近百年，至今这些理论还停留在“假说”阶段。而自一百多年前魏格纳提出大陆漂移学说以来，我们就不断地改进问题模型，探求问题的根源，今天所取得成绩，还依旧不能让我们满意。而另非常实用的一个问题，地震预报，也没有取得有意义的进展，2008年汶川大地震社会对地球物理学家的责难充分证明了这一点。这个问题的悲观估计并不能否定地球科学

7、研究的前景和意义，纵观科学技术史，当今成熟的科学当年未成雏形的时候，也曾遭遇过悲观的估计乃至无情的否定。在坚信努力总会有进步的，科学研究总会接近于客观真理的前提下，我们应当努力开展这方面的研究。也正是困难重重，前途不明，我们才敢于积极的探索，才有可能取得更大的进步。事实上情况并不乐果，我2008年秋天听过国家地震局陈鑫连研究员的报告，他说地震领域并不活跃，进展一直缓慢，人才也出现了青黄不接的断层现象。2008年春夏之交的国难让国人沉痛不已，但反过来看，却给地震界带来了新的发展机。在这个时候，我们更

8、应当思考困难存在于哪些方面，原因是什么，怎么克服这些困难。就反演问题而言，根据有关资料，存在以下困难。第一点是反演问题本身的复杂性。问题的维度、观测的误差与间接性、数据离散与模型连续的矛盾，都是问题复杂的原因。在理想情况下，运用反演理论可以唯一地求出物理模型的参数，来确定模型。例如地震学中的Herglotz-wiechert反演理论，运用理想的走时数据，假定底层速度是一维的，并随深度单调增加，可以唯一地反演出地层的速度结构。在这个简单的反演问题中，有两条假设，一是数据必须准确，二是