Несущая способность грунта, горные удары - техногенные землетрясения и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

О прогнозировании техногенных катастроф с позиций спектральной сейсморазведки1

Гликман А.Г.
НТФ «Геофизпрогноз»
25 сентября 2008, Санкт-Петербург
статья дополнена 12 ноября 2008, Санкт-Петербург

     С самого начала практических работ по сейсморазведке в начале ХХ века было ясно, что сейсмосигналы имеют вид затухающих гармонических процессов. То есть, затухающих синусоид. Как получилось, что первые в Мире сейсморазведчики, а на самом деле, по квалификации, математики высокого уровня восприняли такой сигнал как эхо-сигнал, невозможно представить себе до сих пор.
     Эхо-сигнал по форме и спектру обязательно должен быть близок к сигналу зондирующему. Это соответствует основному принципу любого локационного метода - будь то радиолокация, гидролокация либо звуколокация. В противном случае это не эхо, а что-то другое. Эхо в лесу, пусть с какими-то искажениями, но повторяет звук, вызвавший его. Затухающая же синусоида может возникнуть в подобных условиях только в том случае, если первичный, зондирующий импульс каким-то образом возбудил некую колебательную систему. Не понимать этого уже в конце XIX никак не могли, так как в то время свежа в памяти была история второго открытия Кельвином электрического колебательного контура.
     Как известно (а тогда это было известно каждому гимназисту), когда в 40-х годах XIX века Дж. Генри обнаружил колебания электрического тока при ударном возбуждении L-C контура (это было первое открытие колебательного контура), это было объяснено некими интерференционными процессами. И только 30 лет спустя, в 70-х годах XIX века, когда эти колебания увидел Кельвин, он заявил во всеуслышание, что имеет место новая, неизвестная ранее колебательная система, поскольку в отсутствие колебательной системы ударное воздействие не может вызвать синусоидальный отклик.
     В порядке оправдания сейсморазведчиков следует отметить, что если бы принцип локации в земной толще даже и работал, то сейсмосигнал все равно имел бы вид затухающей синусоиды вследствие своеобразия свойств сейсмоприемников. Дело в том, что все существовавшие до сих пор в Мире сейсмоприемники, начиная с сейсмографа Голицына, по своим свойствам очень близки к камертону. И как бы мы на них ни воздействовали, электрический сигнал на их клеммах будет иметь вид затухающей синусоиды, параметры которой определяются самим сейсмоприемником.
     В учебниках и многочисленной научной литературе приводятся утверждения, что это не так, и что сейсмоприемники не являются резонансными устройствами. К сожалению, наука о сейсмоприемниках, как и вся наука о сейсморазведке, базируется не на результатах экспериментов, а на математическом описании мысленных моделей.
     Разобраться с резонансными свойствами сейсмоприемников можно с помощью простейшего эксперимента. Для этого достаточно воздействовать на корпус сейсмоприемника коротким ударом. Например, если уронить на сейсмоприемник маленький, 2-миллиметровый стальной шарик от шарикоподшипника. При этом сигнал, снимаемый с клемм сейсмоприемника, будет иметь вид весьма длительного, медленно затухающего гармонического процесса. Результаты такой вот простейшей проверки однозначно доказывают, что существующие сейсмоприемники не могут являться источником информации о каких бы то ни было, а тем более, о спектральных параметрах сейсмосигнала.
     Исключение составляет специальный, созданный для спектрально-сейсморазведочных измерений сейсмоприемник [2], сигнал с разъема которого при коротком ударе будет иметь вид столь же короткого импульса. И теперь, имея такой сейсмоприемник, можно утверждать, что сейсмосигналы действительно имеют вид гармонических затухающих колебаний.
     Естественно, что первым делом после установления этого факта необходимо было выявить те залегающие в земной толще колебательные системы, которые преобразуют удар в затухающую синусоиду. Эта задача в течение нескольких лет была решена [3], и даже был обнаружен фундаментальный эффект физики - эффект акустического резонансного поглощения (АРП) [4]. В результате была найдена зависимость между толщиной (вертикальной мощностью) породного слоя h и частотой f0 затухающей синусоиды, возникающей при ударе по этому породному слою. Зависимость эта, как оказалось, имеет следующий вид:

h=  Vsh  /  f0,         (1)

где Vsh - скорость поперечных (сдвиговых) упругих колебаний.
     Для горных пород скорость Vsh оказалась равной 2500м/с ±10%.
     Вообще говоря, насколько велико значение того факта, что сейсмосигнал представляет собой один или несколько гармонических затухающих процессов, должно было быть осознано сразу, еще в 1977 году. В самом деле, казалось бы, чего проще: поскольку реакция на ударное воздействие представляет собой один или несколько гармонических затухающих процессов, то объектом ударного воздействия является, соответственно, одна или несколько колебательных систем. И, стало быть, земная толща по акустическим свойствам является не совокупностью отражающих границ, как мы всегда думали, а совокупностью колебательных систем. То есть, ни о какой тверди земной не может быть и речи.
     Однако истинное значение этого факта было осознано позже, когда был создан метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [5], и с его помощью оказалось возможным картирование и изучение зон тектонических нарушений (ЗТН).
     Так сложилось, что метод ССП оказался первым аппаратурным методом, с помощью которого возможно выявление ЗТН, и свойства этих зон оказались очень важными для всех живущих на Земле [6]. Наличие ЗТН обуславливает многие и многие техногенные катастрофы. Это внезапные разрушения домов, провалы на дорогах, аварии на трубопроводах и железных дорогах, и т.д. Таким образом, выявляя ЗТН, мы можем осуществлять прогнозирование техногенных катастроф. То есть, делать то, для чего создавалась в свое время инженерная геология2.
     ЗТН на ССП-разрезах прорисовывается за счет того, что в этих зонах имеет место повышенное значение добротности гармонических составляющих сейсмосигнала.
     Добротность гармонического затухающего процесса является характеристикой специфической, привычной только для специалистов в области колебательных систем, и в частности, для радиофизиков [7]. Однако в связи с тем, что земную толщу нельзя рассматривать без учета добротности акустических сигналов, необходимо иметь некоторые представления об этом понятии.
     Понятие добротности применимо только для гармонических затухающих сигналов. Сигнал может быть либо гармоническим, либо возникшим в результате интерференции негармонических составляющих. Если сигнал не содержит затухающего гармонического процесса, то есть, возник в результате интерференции, добротность его равна единице. Добротность затухающего гармонического сигнала Q тем больше, чем медленнее происходит его затухание. С другой стороны, чем длительнее (медленнее) затухание гармонического сигнала, тем более разрушительны последствия возникающих резонансных явлений. Добротность Q характеризует как гармонический затухающий сигнал, так и колебательную систему, его создавшую. То есть, если имеется сигнал с добротностью Q, то это значит, что именно такой добротностью характеризуется колебательная система, его создавшая.
     Резонанс - это совпадение частоты периодического внешнего воздействия с собственной частотой колебательной системы, на которую это воздействие оказывается. В результате такого взаимодействия происходит плавное, от периода к периоду, возрастание амплитуды колебаний. Амплитуда при этом может возрасти в Q раз. Реальные значения добротности в ЗТН равны 50÷100, но возрастание амплитуды ограничено пределом упругих деформаций и возникновением в связи с этим аварийной ситуации. Обычно разрушение происходит еще до достижения максимальной амплитуды, причем разрушение мгновенное, удароподобное. Это явление хорошо известно, и носит название горного удара или техногенного землетрясения.
     На рис.1 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании в подвале дома 11 по ул. Шпалерной, СПб. Здесь воронкообразный объект, являющийся признаком ЗТН, помечен штриховой линией. Ось абсцисс - линия профиля. Шаг профилирования составлял 0,5м. Настоящая ось ординат - это ось частот, а каждый вертикальный объект - это спектральное изображение сейсмосигнала в соответствующей точке измерений. Однако для пользователей, для строителей и геологов ось ординат дается в метрах, что получается пересчетом с помощью соотношения (1). Величины раздувов пропорциональны значениям добротности соответствующих спектральных составляющих.

ССП-РАЗРЕЗ ПО ПРОФИЛЮ 2
(Шпалерная, 11)
ССП-РАЗРЕЗ ПО ПРОФИЛЮ 2 (Шпалерная, 11)
Рис. 1

     Максимальная величина добротности (максимальный раздув) сигнала, соответствующего острию воронки - на 4-м метре профиля (восьмая точка измерения, помечено красной точкой), равна 70. Этот сигнал показан на оси времени на рис.2 для тех, кому спектральное изображение непривычно. Частота этой гармонической составляющей - 17Гц. Оказалось, что эта частота близка к частоте вибрации стиральной машины в режиме отжима. И когда живущий на 4-м этаже человек установил у себя стиральную машину, во время отжима началась такая вибрация этого 5-этажного, построенного еще в самом начале ХХ века  дома, что жители выскочили на улицу, и если бы машину немедленно не выключили, дом разрушился бы.

Этот сигнал показан на оси времени на рис.2 для тех, кому спектральное изображение непривычно
Рис. 2

     Многие инженерные сооружения рассматриваются на возможность резонансных явлений. Мы все знаем пример того, как в результате прохождения по мосту воинского подразделения разрушился мост. Здесь имел место резонанс за счет совпадения частоты ударного периодического ритмического воздействия шагающих в ногу людей, с собственной частотой имевшейся в конструкции моста высокодобротной колебательной системы.
     Однако в системе "инженерное сооружение - земная толща как опора" никогда не рассматривалась возможность резонанса. Именно по этой причине многие техногенные катастрофы не имеют своего объяснения. Это относится к авариям на объектах, оказывающих вибрационное воздействие на грунт. Это разного рода энергетические установки, насосные станции и т.п. Эти сооружения определяют энергетическую оснащенность нашей цивилизации, и разрушение любого из них - ощутимый по ней удар.
     Вхождение в резонанс является переходным процессом, который может возникнуть только при каких-либо изменениях режима вибрирующего устройства. Это может быть изменение частоты вибрации из-за изменения скорости оборотов генератора (как это имело место при аварии на ЧАЭС), либо при возникновении вибрации определенной частоты, как это было на ул. Шпалерной, 11, или при прохождении поезда через ЗТН на определенной скорости [8].
     Этот класс техногенных катастроф легко прогнозируется при использовании метода ССП, и со временем, когда описываемые здесь резонансные явления будут осознаны, этих катастроф можно будет избежать.
     Гораздо больше хлопот доставляет другой механизм разрушения инженерных сооружений. Это - планетарная пульсация.
     Некоторые проявления планетарной пульсации известны. Она, например, приводит к тому, что в некоторых местах резко увеличивается погрешность геодезических измерений. Как оказалось, планетарная пульсация проявляется исключительно в ЗТН [9]. Она происходит с весьма малой частотой (десятые и сотые доли Герц). Амплитуда же этих колебаний может достигать 10см, но она не постоянна, и время от времени может уменьшаться до нуля. Вектор знакопеременного смещения пульсирующей поверхности изменяется во времени как по величине, так и по направлению. Изменяется и частота пульсации.
     Само по себе, это явление является причиной разрушений инженерных сооружений. Это легко понять, если представить себе, что часть фундамента сооружения находится на спокойном, неподвижном грунте, то есть, вне ЗТН, а часть - в ЗТН, и под воздействием планетарной пульсации раскачивается. Естественно, что подобного насилия не выдержит ни железобетонная конструкция, ни даже металлическая (трубопроводы, рельсы и т.п.), которая в отличие от бетона в состоянии воспринимать изгибные напряжения.
     Общепринятая точка зрения состоит в том, что чем прочнее фундамент, тем надежнее инженерное сооружение. Однако из практики известно, что увеличение прочности фундамента, на самом деле, далеко не всегда приводит к увеличению надежности инженерных сооружений. Это происходит потому, что фундамент проектируется без учета планетарной пульсации. В результате, происходит так же, как когда молодое гибкое дерево устоит в бурю, а старое и закостеневшее - сломается.
     Общеизвестные моменты - излом железобетонной плиты, так называемого, плавающего основания. Здесь примеров много - это аквапарк в Ясенево, дом N31-4 по ул. Замшина, СПб...
     Воздействие планетарной пульсации на отдельные вертикально стоящие конструкции (вертикальные опоры, столбы, и т.п.) проявляется тем, что они наклоняются. Наклон идет в сторону центра ЗТН, и нередко можно увидеть одинаково наклонившиеся столбы, деревья... Наклоняются объекты, находящиеся на краю ЗТН. Находясь в центре ЗТН, они раскачиваются. Понятно, что если раскачиваются отдельные вертикальные опоры, на которые опирается крыша сооружения типа шатра, то увеличивается вероятность ее обрушения. В период усиления планетарной пульсации количество таких аварий увеличивается. Так было, например, зимой 2005 - 2006г, когда практически одновременно обрушились крыши в Москве, Чехии, Швецарии, Германии, Сибири...
     Так же раскачиваются под воздействием пульсации забитые в грунт сваи. Если эти сваи вмонтированы в ростверк или в плавающее основание, то здесь возможен либо излом сваи в месте ее крепления, либо разрушение той конструкции, к которой прикреплена свая.
     Болевым моментом для газодобывающих предприятий является внезапное разрушение насосных станций. Возводятся они по самым надежным технологиям, с применением современных материалов, с использованием свай, вмонтированных в плавающее основание. И тем не менее, время от времени, это происходит.
     Исследование самого процесса создания свайного основания одного из предприятий Сургута показало, что применение любых технологий и материалов без учета рассматриваемых в данной статье колебательных свойств земной толщи не увеличивает надежность сооружения. Более того, в ряде случаев применение свай увеличивает вероятность его разрушения.
     Наблюдение за забивкой свай показало, что отдельные сваи для заглубления требуют в десятки (!) раз меньшее количество ударов. Это происходит в ЗТН вследствие высокой разрушенности пород.
     На рис.3 показан результат исследования трения свай с грунтом методом спектральной сейсморазведки. Особенность измерений заключается в том, что 6 стоящих рядом забитых свай исследуются дважды. Один раз, когда удар наносится по свае, а второй - по грунту, рядом со сваей. Сейсмоприемник в обоих случаях закреплен на свае.

показан результат исследования трения свай с грунтом методом спектральной сейсморазведки
Рис. 3

     Общим для всех свай является то, что размер их проявляется не очень отчетливо. Исключение составляет свая 2 - при ударе по ней размер проявляется существенно четче, чем у других, а при ударе рядом - не проявляется вовсе. Причина здесь в следующем. Имея пониженное трение с грунтом, у этой сваи, с одной стороны, не демпфируются собственные колебания по длине, а с другой, имеет место пониженный акустический контакт с грунтом.
     Помимо этого понятного эффекта, наблюдается еще один. При ударе по грунту на частоте f0 возникает колебательный процесс с колоссальной добротностью. Непонятно, чем обусловлен этот колебательный процесс и что играет роль этой колебательной системы. Разумеется, с этим предстоит еще разобраться, но главное сейчас заключается в другом. Если при наличии такой высокодобротной колебательной системы возникнет резонанс с вибрирующим устройством, ради которого, собственно, и сооружается этот фундамент, то это приведет к возникновение горного удара. И следовательно, к взрывоподобному, мгновенному разрушению фундамента, как это и происходит иногда с насосными станциями.
     Когда для забивки сваи требуется чрезвычайно малое количество ударов, считается, что если некоторое количество свай будет не держать плиту, а висеть на ней, то большой беды не будет. Однако сваи эти будут не просто висеть, но раскачиваться, и следовательно, еще и стремиться отломаться от плиты. Если таких свай достаточно, то плита по этой причине может лопнуть.
     Следовательно, если строительство сооружения с вибрирующими установками ведется в ЗТН, то излому плиты способствуют два фактора  - как вибрация, так и планетарная пульсация. То есть, свайный фундамент с плавающим основанием в том случае, когда сооружение попадает в ЗТН, имеет большую вероятность внезапного разрушения, чем если бы плавающее основание и сваи не применялись вовсе.
     Здесь можно сделать промежуточный вывод, заключающийся в том, что при строительстве необходимо обеспечивать согласование характеристик фундамента и грунта. На неподвижном, прочном грунте можно устанавливать конструкции любой жесткости, а на подвижном, то есть, в ЗТН, учитывать эту подвижность и не стремиться ей противодействовать.
     До сих пор мы рассматривали совместное воздействие на инженерные сооружения 2-х составляющих:

  • резонансного явления, обусловленного вибрацией механизмов;
  • раскачивания под воздействием планетарной пульсации.

     Но ведь планетарная пульсация тоже может дать резонансный эффект.
     Таким образом, имеется два типа знакопеременного воздействия на земную толщу - вибрация от работающих механизмов и планетарная пульсация. Более высокочастотная вибрация от работающих механизмов может вызвать резонанс с собственными частотами ближних породных структур. Более низкочастотная планетарная пульсация может вызвать резонанс с глубинными структурами. Например, согласно соотношению (1), частота пульсации 1 Гц соответствует 2,5-километровой толще, а 0,1 Гц - 25-километровой.
     В случае, если частота планетарной пульсации окажется близкой к собственной частоте такой вот глубинной структуры, то при наличии достаточной добротности этой структуры, как колебательной системы, увеличивается вероятность резонансного явления. То есть, землетрясения.
     Резонансную природу землетрясений иллюстрирует ситуация, сложившаяся на Тайване в связи со строительством там небоскреба [10].
     Механизм природного землетрясения, как оказалось, не отличается от механизма землетрясения техногенного. Оно происходит также при изменении частоты планетарной пульсации и при приближении ее к частоте резонанса. При этом происходит увеличение амплитуды колебаний почвы, что действительно наблюдается сейсмологами непосредственно перед землетрясениями. Если частота планетарной пульсации не совпадает с собственной частотой соответствующей колебательной системы, но близка к ней, возникают т.н. биения, что видно на примере тайваньского небоскреба.

Главный вывод: земная толща в зонах тектонических нарушений не является неподвижной, и эксплуатация ее без учета этой подвижности приведет к увеличению техногенных катастроф тем большему, чем больше будет увеличиваться воздействие на грунт, как статическое, так и динамическое.

     Переход к представлениям о земной толще как о совокупности колебательных систем имеет не меньшее значение, чем переход от геоцентрических представлений к гелиоцентрическим, как в общеметодологическом аспекте, так и в чисто практическом, так как будет способствовать увеличению безопасности людей. Эта смена парадигмы позволит существенно уменьшить количество техногенных катастроф, исключить техногенные землетрясения и прогнозировать землетрясения природные.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. Сейсморазведка - это очень просто.
  2. "Сейсмоприемник" Гликман А.Г.,  Симанский И.А.,  Стародубцев А.А., Патент N2059266 Б.И. N12, 1996.
  3. Гликман А.Г. Гимн синусоиде
  4. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний.
  5. Гликман А.Г. Спектральная сейсморазведка - это тоже довольно просто.
  6. Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений.
  7. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.- Л , 1952
  8. Гликман А.Г. О некоторых разновидностях аварий на железных дорогах.
  9. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.
  10. Гликман А.Г. О резонансной природе землетрясений.


  1. При первом знакомстве с темой, эту статью можно считать продолжением статьи [1].
  2. Для справки, за 150-летнюю историю своего существования, на счету инженерной геологии нет ни одного(!!) прогноза техногенной катастрофы.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: