Физика спектральной сейсморазведки и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Еще раз о физике спектральной сейсморазведки

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
25 октября 2017, Санкт-Петербург

Пытаясь объяснить суть физики спектральной сейсморазведки, я моментами просто оказываюсь в тупике. Труднее всего мне бывает с профессиональными физиками и геофизиками. Они абсолютно ничего не знают о колебательных системах и категорически возражают, когда я пытаюсь растолковать, что традиционная, т.н. лучевая сейсморазведка является научным заблуждением.

Дело в том, что идея традиционной сейсморазведки абсолютно очевидна и настолько проста, что придумать ее может любой человек, даже не имеющий какого-либо образования. Как-то раз, когда мы занимались сейсмоизмерениями, водитель, который привез нас на объект, стал рассказывать нам о сейсморазведке. Ведь сами измерения при осуществлении спектральной сейсморазведки выглядят точно так же, как и при традиционной сейсморазведке. Мы устанавливаем сейсмоприемник, наносим удар по грунту рядом с ним и смотрим на компьютере сигнал, который при этом возникает.

И вот этот молодой человек стал излагать свое понимание того, что мы делаем.

О том, как при ударе возникает импульс, который уходит вглубь Земли, отражается от залегающих там объектов и возвращается в виде эхо-сигнала. Я спросил его, какое у него образование. Он сказал, что 8 классов и школа водителей.

Да, действительно, с такой очевидностью не поспоришь. И то, что эта очевидность совершенно не соответствует фактическому положению дел, доказать очень трудно.

Ну, давайте попробуем еще раз.

Пуассон, создавший в 30-годах XIX века математическое описание процессов, которые должны, как всегда казалось, проистекать при сейсморазведочных работах, фактически лишь формализовал то, что утверждают люди чуть ли не с XVII века и по сей день. Ведь известно, что киты и дельфины в воде, а в воздухе – летучие мыши с большим успехом используют эхо-локацию. Сомнений в том, что в твердой среде законы распространения поля упругих колебаний точно такие же, как в воздухе и в воде, никогда и ни у кого не было. Пуассон позволил себе придумать только наличие продольных и поперечных волн.

После завершения этой работы Пуассон издал свой двухтомный труд по теоретической механике. Его коллеги удивились, почему в этот двухтомник не вошла статья о поле упругих колебаний. Пуассон пояснил, что то, что он издал – это теория, а статья о сейсморазведке – это гипотеза. Теорией она быть не может, потому что проверить экспериментально то, что там написано, пока что невозможно.

Ведь для того, чтобы решить предложенные им волновые уравнения, необходимо иметь информацию о граничных условиях. Таково условие – знать параметры поля на границах объекта. В противном случае количество решений равно бесконечности. Но граничные условия померить невозможно. Чтобы идентифицировать продольные и поперечные волны, необходимо иметь информацию о характере движения колеблющихся частиц, что тоже невозможно. А вот как только возникнет необходимая для получения всей этой информации аппаратура, то вполне возможно, что гипотеза превратится в теорию.

К сожалению, такие возможности не возникли и по сей день. И мы до сих пор не имеем никакой объективной, то есть, экспериментально получаемой информации о свойствах и параметрах поля упругих колебаний. Но вместе с тем, в современных учебниках, в современной научной литературе и на конференциях, посвященных теории поля упругих колебаний, утверждается, что познание физики этого поля завершено, и дело только за математическим обеспечением.

Вообще, из истории развития физики известно, что как только люди забывают о том, что познание бесконечно, и возникает уверенность в том, что познание какой-то области знания завершено, люди немедленно получают, что называется, по носу. Так было с теорией теплорода, если кто помнит. Так было и с оптикой, и с электричеством постоянного тока перед тем, как возникла электродинамика...

Давайте посмотрим, что мы сегодня имеем по теории поля упругих колебаний.

Представление о продольных волнах как о цепочках из масс m и упругостей k (см. рис.1) было опровергнуто еще в 40-х годах ХХ века. Дело в том, что такая звукопроводящая цепочка обладает частотными свойствами, подобными характеристикам электрической длинной линии, состоящей из конденсаторов и индуктивностей. Такая электрическая длинная линия является электропроводной только до некоторой частоты fmax, выше которой она теряет электропроводность. Так же и для акустической длинной линии, максимальное значение этой частоты для самой высокочастотной цепочки, состоящей из ядер с массой m атомов водорода и упругих сил k между ними, имеет величину порядка 106Гц.

Приведенная же на рис.1 модель является не экспериментально полученной, а чисто умозрительной, а в споре с результатами, полученными в результате эксперимента, умозрительная модель всегда проигрывает.
Рис. 1

В учебниках 30-х годов ХХ века по сейсморазведке и полю упругих колебаний было категорично сказано, что когда люди достигнут мегагерцовых частот, то все звукопроводящие среды окажутся незвукопроводящими.

В 40-х годах (еще до Войны) были созданы излучатели с частотами выше, чем 108Гц, но звукопроводность сред и материалов не уменьшилась. Казалось бы, надо было бы признать ошибочным вышеприведенное заявление. Но нет, даже сегодня можно встретить в некоторых учебных пособиях и эту пресловутую картинку, и то же самое заявление о том, что на очень высоких частотах среды теряют свою звукопроводность.

Нельзя отказываться от своих заявлений, если они основаны на метрологически корректных экспериментах. Приведенная же на рис.1 модель является не экспериментально полученной, а чисто умозрительной, а в споре с результатами, полученными в результате эксперимента, умозрительная модель всегда проигрывает. И получается, таким образом, что мы просто-напросто не знаем, что такое колеблющиеся частицы и не можем определять траектории и параметры их колебательных движений.

Примерно такая же ситуация имела место при разработке модели электрического тока в ту пору, когда шел спор между учеными, является ли электрический ток потоком электронов или электрическим полем. На сегодняшний день, как известно, подход к этой проблеме дуалистический. Электрический ток проявляет свойства и потока электронов, и поля.

При рассмотрении поля упругих колебаний невозможно подходить так же. Ведь электроны – это реальные объекты, характеризуемые собственными параметрами и подлежащие исследованию, а вот что такое колеблющиеся частицы – мы не знаем, и поэтому не можем определять траектории и параметры их колебательных движений. А поскольку различие между типами упругих колебаний заключается в различии параметров и траекторий колеблющихся частиц, то нам придется отказаться от упоминания каких-либо типов упругих волн или упругих колебаний.

Сознаюсь, что я тоже немного грешен в этой истории, поскольку имею изобретения, в которых рассматриваются методы измерения продольных и поперечных волн. Но надо же понимать, что, будучи воспитанным в рамках традиционной парадигмы, я с большим трудом и очень не сразу отходил от нее.

И, таким образом, на сегодняшний день эта область знания не представлена никакими свидетельствами своего существования в палате мер и весов. Но ведь известно, что попасть в область компетенции физики можно только при условии наличия собственного эталона.

Обратимся опять к примеру электричества. Эта субстанция получила право относиться к научной области знания и к разделу физики только тогда, когда в палате мер и весов появились ее эталоны и датчики – вольтметр и амперметр. Аналогичная история произошла и с другими областями знания. Увы, к акустике это не относится. Она не имеет ни своего эталона, ни датчика, и по этой причине не входит в компетенцию метрологической службы.

Известные акустоэлектрические преобразователи (сейсмоприемники) не являются датчиками, так как никому не известно, какой именно параметр поля представляет ЭДС, снимаемая с сейсмоприемника.

Настаивая на том, что я сказал, я совершенно не считаю, что я преуменьшаю (унижаю) в чем-то поле упругих колебаний. Я считаю, что, находясь в области физики, мы должны четко осознавать границы наших возможностей. Физика – это всего лишь совокупность физических эффектов. И если мы не можем назвать физический эффект, который находится в основе какого-либо метода исследования, то должны это осознавать.

Какой физический эффект лежит в основе сейсморазведки? Факт отражения поля упругих колебаний от каких-то границ, залегающих в земной толще? Нет, потому что экспериментально это не доказано. Доказательство этого было бы, если бы существовал хотя бы один случай совпадения сейсморазреза, полученного с помощью сейсморазведки, с геологическим разрезом, полученным с помощью бурения. Такого совпадения не было ни одного за всю историю сейсморазведки. На это много раз обращал внимание Петрашень Г.И. в своих докладах и статьях.

К гидроакустике и к эхо-локации (в воздухе) такого отношения, как к сейсморазведке, нет. Там на отражении от препятствия всё построено, и эффективность этих методов весьма высока.

В сейсморазведке идентичность сейсморазреза с геологическим разрезом достигают тем, что, получив заказ на проведение сейсморабот, геофизики требуют от Заказчика пробурить скважину в зоне предполагаемых изысканий и передать геофизикам паспорт скважины. «Подтянув» к результатам бурения сейсморазрез, сейсморазведчики предъявляют сейсморазрез как полученный только лишь с помощью сейсморазведки. И ни один сейсморазведчик в Мире не согласится делать свою работу без предъявления паспорта скважины.

А хотя нет, согласится, если его результаты невозможно проверить. Скажем, строение ядра Земли или поверхность Мохоровичича.

Предполагалось, что результаты сейсморазведки связаны со скоростью распространения поля упругих колебаний. Но, как оказалось, и это невозможно. Скорость распространения поля упругих колебаний методом регистрации момента первого вступления не может служить отсчетной точкой, поскольку зависит от очень многих факторов. Так, в зависимости от геометрии образца, скорость распространения упругих колебаний в однородной среде может изменяться в несколько раз, что описано в книге «Основы спектральной сейсморазведки».

Причиной всех этих неприятностей является то, что на самом деле, земная толща по акустическим свойствам представляет собой не совокупность отражающих границ, а совокупность колебательных систем. И именно в этом ракурсе и следует изучать акустические свойства земной толщи и отдельных геологических структур.

Спектральная сейсморазведка (спектрально-сейсморазведочное профилирование, (ССП)) позволяет получать, в принципе, ту же информацию, которую мы ожидали получать от традиционной сейсморазведки. Но, как это и должно быть в соответствии с принципами методологии развития научного познания, исследовательский инструмент, в основе которого лежит новый физический эффект, неизбежно дает принципиально новую информацию.

Принципиально новая информация – это еще один (или больше) новый физический эффект, новое явление или новое свойство, неизвестное ранее. В данном случае, подтверждением этого принципа методологии служит способность спектральной сейсморазведки выявлять и картировать зоны тектонических нарушений (ЗТН). И при этом был обнаружен ряд неизвестных ранее и очень важных для всех землян свойств этих зон. Ну, и разумеется, для проведения ССП не нужна никакая априорная информация, как и должно быть, если исследовательский метод действительно таковым является.

Начав с нуля, я за последние 40 лет неплохо продвинул эту область знания. Первым толчком для этого движения является обнаруженный в 1977 году новый физический эффект, который заключается в том, что все объекты из подавляющего большинства твердых сред (металлы и сплавы, керамика, стекло, лед, горные породы) обладают свойствами колебательных систем. То есть, являются резонаторами. Объекты из оргстекла и некоторых пластмасс не обладают свойствами колебательных систем. То есть, являются нерезонаторами.

Этот эффект оказался фундаментальным для исследовательского метода, получившего название спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП), или для метода спектральной дефектоскопии, который является производным от метода ССП.

Колебательная система – это объект, который на ударное воздействие реагирует затухающим гармоническим (синусоидальным) процессом. Количество собственных частот резонатора равно количеству его размеров h. Так, параллелепипед имеет три размера – толщину, длину и ширину, и, соответственно, три собственных частоты f0 – по толщине, длине и глубине. Собственная частота f0 резонатора с одним-единственным размером h определяется следующим образом:

h = V / 2f0,     (1)

где V – самое большое для данного материала значение скорости распространения фронта упругих колебаний, определяемое методом регистрации первого вступления при импульсном возбуждении поля, и полученное при сквозном прозвучивании пластины из этого материала.

Так, например, для всех горных пород V≈5000 м/с с погрешностью, не превышающей 10%. Эта информация получена и проверена с помощью выражения (1) в различных геологических условиях, а также на образцах горных пород.

В связи с приведенным в литературе обилием типов упругих колебаний и различными скоростями для каждого из них очень трудно было смириться с тем, что для всех случаев выражение (1) имеет вид:

h = 2500 / f0     (1)

Но против экспериментальных данных не попрешь.

Надо сознаться, что много лет я рассматривал величину 2500м/с, полученную чисто экспериментально, как скорость поперечных волн. И только сейчас, осознав, что мы не имеем права оперировать поперечными (или какими-либо другими волнами) в силу невозможности их экспериментального определения, я стал истолковывать эту скорость как половину самой большой скорости.

Эта скорость – 2500м/с имеет двоякий смысл. Во-первых, она имеет смысл при использовании выражения (1). А во-вторых, это скорость, с которой так называемая пачка в виде затухающего гармонического процесса распространяется вдоль породного слоя-резонатора.

В простейшем случае (а двигаться следует от простого к сложному), в случае единичной колебательной системы, в результате ударного воздействия возникает затухающий гармонический (синусоидальный) сигнал. А сам зондирующий, инициирующий сигнал исчезает, преобразуясь в сигнал гармонический. В сейсморазведке существует утверждение, что гармонический сигнал возникает как результат интерференции сигналов, возникающих при множестве отражений зондирующего сигнала от множества отражающих границ. Я не знаю, почему сейсморазведчики не знают, что в результате интерференции может возникнуть любой сигнал, за исключением синусоидального.

Математики это хорошо знают, и именно поэтому, скажем, ряд Фурье представляет собой сумму членов, каждый из которых – именно синусоида (или косинусоида).

На рис.2 приведен реальный сейсмосигнал. Ось абсцисс – ось времени. Числа, стоящие на этой оси – это количество периодов дискретизации.

Здесь очень важно, что в момент удара (t=500) отсутствует сам зондирующий импульс. Мы слышим этот инициирующий удар только потому, что мы слушаем в воздухе. А в земной толще его нет. То есть логика традиционной сейсморазведки, содержащая заявление, что зондирующий импульс распространяется в земной толще исключается. Этого зондирующего импульса в земной толще просто нет. Ведь когда мы наносим удар по клавишам рояля, мы же его не слышим. Мы слышим только ноты.

Даже не очень глубокое знание математики не позволит не прийти к идее спектральной сейсморазведки, если хоть раз увидеть сигнал, показанный на рис.2.
Рис. 2

Даже не очень глубокое знание математики не позволит не прийти к идее спектральной сейсморазведки, если хоть раз увидеть сигнал, показанный на рис.2.

В принципе, если начать с нуля и воспользоваться предложенной здесь логикой, то обязательно придешь к спектральным представлениям при использовании поля упругих колебаний для изучения нашей планеты, совсем не избалованной вниманием геофизиков.

А там недалеко и до создания эталона, и тогда сейсморазведка попадет, наконец, в компетенцию метрологов.

Я никогда не ставил эксперименты специально, чтобы опровергнуть традиционную сейсморазведку. Но вот, однажды, уже много лет назад, изучая эффект акустического резонансного поглощения, я обнаружил, что при нормальном прозвучивании пластины-резонатора, на собственной частоте пластины поле, которое должно пройти насквозь, переориентируется на 90° и переизлучается через торцы прозвучиваемой пластины-резонатора. Но разве это не означает, что при сейсморазведочных работах в случае слоистых осадочных пород поле распространяется не во все стороны, как постулируется в сейсморазведке, а только лишь в горизонтальных направлениях? То есть, получается, что если приходит эхо-сигнал, то приходит он не снизу, а сбоку? Но тогда становится понятно, почему сейсморазрезы никак не могут совпадать с реальными геологическими разрезами.

На очередных чтениях им. Федынского в ГЕОНе, в которых я участвовал 5 или 6 лет подряд, я задал этот вопрос участникам. Я ожидал всё что угодно. Но не такого дружного смеха... Оказалось, что они давно ломают голову, почему если перенести сейсмокосу на какое-то расстояние, глубина выявленной границы изменяется на такую же глубину. Теперь стало понятно, что это происходит потому, что сейсмосигнал приходит сбоку.


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: