Краткая история сейсморазведки

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
сентябрь 2019, Санкт-Петербург

В 1973 году, работая на кафедре Радиоэлектроники ЛГИ (ленинградского Горного института), я получил неожиданное предложение, от которого не мог отказаться. А именно, взять курс шахтной геофизики для студентов 5-го курса Горного факультета.

В шахтах из многочисленных видов геофизики используется только сейсморазведка, так что я должен был читать студентам исключительно этот метод. У меня тогда только-только начинался роман всей моей последующей жизни - «методология развития научного познания». Это очень интересный раздел философии [1], и мне выпал случай применить его на практике.

Основное положение методологии развития научного познания состоит в том, что фундаментом любой области знания может служить один или несколько физических эффектов, но при этом эффекты эти должны существовать в реальности и наличие их должно подтверждаться не очевидностью и не гипотезой, а исключительно экспериментальным исследованием.

Предвестником этого принципа является известный принцип Оккама (бритва Оккама), согласно которому (XIII-XIV века) понятия, не поддающиеся проверке в опы­те, должны быть удалены из науки. Этот подход всегда воспринимался с большим трудом, так как при недостаточном опыте представляется, что ряд положений вследствие их очевидности не требует экспериментальной проверки. Так, все принципы сейсморазведки возникли как очевидность, и мои попытки доказать их в лаборатории воспринимались (и до сих пор воспринимаются) с большим непониманием  и даже враждебностью.

Согласно принципам методологии, при чтении лекций по физической (геофизической) тематике следует весь теоретический материал подтверждать в лаборатории с помощью лабораторных работ. Поэтому самое первое, что мне следовало сделать в качестве первого шага познания с точки зрения методологии - это осуществить постановку лабораторных работ по сейсморазведке. Однако в готовом виде таких работ не было ни в ЛГИ, ни в каких-либо других известных мне институтах. Ну что же, значит, мне следовало эти лабораторные работы поставить.

Сейсморазведка считалась единственным геофизическим методом, которая была способна дать информацию о глубинном строении Земли. И сейсморазведчики были элитой геологического и геофизического общества. И одним из объективных показателей было то, что на сейсморазведку во всех странах тратили примерно 95% всех денег из того, что тратили на все остальные геофизические методы.

При попытке получить консультацию на кафедре геофизики мне категорически не рекомендовали этим заниматься, так как «проще сейсморазведки ничего нет на свете, и экспериментально доказывать очевидные вещи можно, «только если мне совсем уж делать нечего». Я же, считая, что любое научное действо должно быть увязано с методологическими принципами, заметил, что не существует очевидностей, не требующих экспериментального доказательства, а очевидность, недоказанная экспериментально - это путь в тупик.

Сейчас, спустя более чем 40 лет, я вспоминаю эту категоричность и даже попытку запрета, которые имели место у тех людей, с которыми я пытался обсудить идею постановки лабораторных работ по сейсморазведке. По-видимому, они уже знали о тех результатах, которые меня ожидали.

Надо сказать, что вся суть сейсморазведки укладывается в 2-3 предложения, а могучая математика, которая сопровождает эту суть - это неизбежная дань необходимому во многих областях знания наукообразию. Представляется очевидным, что когда мы наносим удар (или взрыв) на поверхность Земли, мы создаем как бы пучок акустических лучей, которые направлены вниз, в земную толщу, частично проникая сквозь залегающие там геологические структуры, а частично отражаясь от них. Вот эти отражения возвращаются к земной поверхности, и мы воспринимаем их в виде эхо-сигналов. Регистрируя моменты прихода эхо-сигналов к сейсмоприемнику относительно момента ударного воздействия, мы определяем глубину залегания геологической структуры. Вот и всё, в общих чертах.

Основы сейсморазведки включают в себя несколько определений, которые и следовало проверить в рамках лабораторных работ. Самые простые из них и самые очевидные сводятся к следующим моментам.

Во-первых, скорость распространения звука в однородных средах постоянна и одинакова во всех направлениях. И во-вторых, с удалением от точки ударного воздействия амплитуда сигнала должна уменьшаться, в общем случае, по экспоненте.

Но, слава Богу, прежде чем давать лабораторные работы студентам, я решил сам померить всё это. И что же я увидел! На рис. 1 и 2 показаны схемы этой проверки.

Рис. 1

Объект исследования - стеклянная пластинка с размерами x × y × z.  Два пьезокерамических (р-с) преобразователя прижимаются к пластинке таким образом, чтобы р-с излучатель направлял в стеклянную пластинку поле упругих колебаний, а р-с приёмник (точно такой же, как излучатель) принимал прошедшее через образец поле.

Время между излучением импульса и его приходом к приемнику позволяет нам определить скорость V распространения поля в выбранном нами направлении. Исходное предположение, которое следовало доказать экспериментально, заключается в том, что

Vx = Vy = Vz.

Как известно, скорость распространения какой-либо субстанции непосредственно измерению не подлежит, а определяется как отношение расстояния, которое проходит поле, ко времени, в течение которого данная субстанция проходит это расстояние. Определить это время совсем нетрудно, и нетрудно было бы убедиться, что скорость распространения поля упругих колебаний во всех трех направлениях одинакова.

Да, и кстати, стекло было выбрано потому, что это самая однородная среда из всех известных сред.

Однако в ходе измерений выяснилось, что путь в направлении z поле проходит со скоростью, примерно равной 6000м/с, а путь в направлениях x и y - примерно в два раза медленнее. 6000м/с - это скорость распространения поля упругих колебаний в стекле, и это известно из всех справочников. А Vx и Vy оказались равными примерно 3000м/с, и об этом я нигде не читал. И, кстати, если исследуемая пластина не стеклянная а из оргстекла, то скорость во всех направлениях будет одинаковой - примерно 2600м/с, что тоже соответствует табличным значениям. Оргстекло также абсолютно однородная упругая среде.

При определении затухания поля упругих колебаний при распространении его вдоль однородного слоя получившиеся зависимости также не соответствовали тому, в чем нас убеждает научная и учебная литература. На рис.2 график а показывает то, что «всем известно», и то, что действительно имеет место при исследовании образца из оргстекла. А график b показывает то, что происходит на самом деле, при исследовании стекла, металлов и сплавов, горных пород...

Рис. 2

Первое что меня убило - это наличие зоны, в которой поле упругих колебаний не уменьшается с удалением от источника (l₀), а увеличивается. Затем, после некоторого спада амплитуда сигнала при дальнейшем удалении от точки ударного воздействия уменьшается очень медленно. Но эти лабораторные работы предназначались для того, чтобы показать свойства реальной сейсморазведки. А ведь наша планета состоит не из оргстекла... Как могли появиться многочисленные книги по сейсморазведке без упоминания подобных измерений? Неужели авторы этих трудов прежде, чем писать книги, не проделали столь элементарные измерения?.. И у меня появились первые сомнения в отношении сейсморазведки.

Где-то в середине 70-х годов мне пришлось съездить в командировку в Тюмень. Там у меня случайно возник контакт с геофизиками, которые с помощью сейсморазведки открыли первое месторождение нефти в Тюмени. От них я услышал, что сейсморазведка вообще никакой информации не дает. Они рассказали, что сейсморазведку применяют только тогда, когда строение земной толщи уже известно из результатов бурения. А сейсморазрез - это фикция, которую получают в результате «подтягивания» результатов сейсморазведки к результатам бурения. Об этом я написал в статье [2].

Так сложилось, что стоимость сейсморазведочных работ примерно в 20 раз выше всех остальных геофизических методов. И это единственное, что заставляет ею пользоваться.

Когда эти люди, сейсморазведчики из Тюмени, поняли, что я им не поверил, они порекомендовали мне попытаться заказать сейсморазведку при отсутствии бурения. Я эту рекомендацию выполнял многократно, и сейчас могу с уверенностью сказать, что ни один сейсморазведчик в Мире не согласится осуществить сейсморазведку без информации, полученной бурением.

Всех смущает свидетельство Мохоровичича, который в 1909 (!) году сообщил о получении им с помощью сейсморазведки информации о «поверхности Мохоровичича».

---

Поверхность или граница Мохоровичича - нижняя граница земной коры, отделяющая земную кору от мантии, на которой происходит скачкообразное увеличение скоростей продольных сейсмических волн с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с и поперечных - с 3,6-4,2 до 4,4-4,7 км/с. Плотность вещества также возрастает скачком, предположительно, с 2,9-3 до 3,1-3,5 т/м³.

Поверхность Мохоровичича прослеживается по всему земному шару на глубине от 5 до 70 км. Она может не совпадать с границей земной коры и мантии, вероятнее всего, являясь границей раздела слоёв различного химического состава. Поверхность, как правило, повторяет рельеф местности. В общих чертах форма поверхности Мохоровичича представляет собой зеркальное отражение рельефа внешней поверхности литосферы: под океанами она ближе к поверхности, под континентальными равнинами - глубже. (Википедия)

---

Дело в том, что такой результат получить невозможно даже с помощью современной аппаратуры. А в 1909 году и подавно. Сказать, что Мохоровичич ошибся или обманул, невозможно. В науке взять обратно свое слово или опровергнуть чужое нельзя. В конце ХХвека классик сейсморазведки Гурвич И.И. предложил отсчитывать начало сейсморазведки от 1930-го года...

Более того, в конце 70-х годов, на семинаре в ЛОМИ (ленинградском отделении математического института им. Стеклова), посвященном преподаванию сейсморазведки в университете СПб, председательствовавший Г.И. Петрашень, величайший авторитет в этой области, сказал фразу, которая повергла меня в растерянность. Он сказал, что за всё время существования сейсморазведки во всём Мире не было ни одного случая, чтобы сейсморазрез совпал с результатами бурения.

И как же мне теперь было читать курс сейсморазведки?

Так сложилось, что в 1977 году кафедра радиоэлектроники в ЛГИ прекратила свое существование, и меня перевели на Горный факультет, на кафедру разработки пластовых месторождений (РПМ). Это уголь, каменная соль... И там я получил задание сделать аппаратуру, с помощью которой можно было бы оценить затухание поля упругих колебаний в горных породах в их естественном залегании. Цель этого исследования - выйти на прогноз обрушения горных пород, залегающих в кровле подземных выработок.

Прогноз обрушения кровли настолько важная проблема, что в Мире не существует ни одного научного подразделения в горной тематике, где бы эта тема не значилась, как важнейшая.

Чтобы войти в эту тему, я сначала осуществил экспериментальное исследование частотной зависимости затухания поля упругих колебаний при распространении ее в породном слое, залегающем над угольном пластом (в кровле угольного пласта). При этом оказалось, что по акустическим свойствам единичный породный слой является единичной колебательной системой. А земная толща в целом - совокупностью колебательных систем.

По определению, которое дал лорд Кельвин (Уильям Томсон), открывший за 100 лет до этого электрическую колебательную систему, известную сейчас как колебательный L-C контур, колебательная система - это объект, который реагирует на ударное воздействие затухающим синусоидальным (гармоническим) сигналом. По этому признаку и было обнаружено это глобальное свойство горных пород.

Вот тут-то и понадобились результаты тех, как бы неудачных лабораторных работ. И оказалось, что неодинаковость скорости звука в монолитных однородных средах (рис.1) является условием наличия механизма преобразования ударного воздействия в гармонический сигнал. А эффект аномалии затухания (рис.2) - как следствие наличия одновременно двух процессов - распространения исходного поля и распространения собственного колебательного процесса [3].

Как это ни покажется странным, но фундаментальное положение о том, что соотношение углов падения и отражения, перенесенное из оптики в акустику, не работает. При попытке сквозного прозвучивания пластин или горных пород (кроме оргстекла) падающий акустический поток переориентируется в ортогональном направлении, и вместо того, чтобы пройти насквозь, идет вдоль этой структуры. Этот эффект был назван эффектом акустического резонансного поглощения (АРП) [4]. И, таким образом, стало понятно, почему при сейсморазведочных работах эхо-сигнал отсутствует. А если и приходит, то не снизу, из глубин земных, а сбоку.

В общем, стало ясно, что обычная, привычная и традиционная сейсморазведка работать не должна. И я начал читать курс спектральной сейсморазведки. Основой этого метода является то, что собственная частота породного слоя f₀ однозначно связана с мощностью (толщиной) породного слоя h, и, таким образом, путем всего лишь легкого удара по кровле подземной выработки можно определить ее h, а это ключ к прогнозированию обрушения кровли. Дело в том, что определить мощность породного слоя в шахте возможно только с помощью бурения. А бурение в шахте принципиально невозможно.

В 1977 году была создана аппаратура «Резонанс», с помощью которой простейшим образом могла быть получена информация о строении породного массива, которая очень высоко зарекомендовала себя при прогнозировании обрушения пород кровли.

Но вот в 1993 году, после 16 лет работы в шахтных условиях мы перешли к работе на земной поверхности. При этом буквально сразу был обнаружен неизвестный ранее геологический объект, который был назван зоной тектонического нарушения (ЗТН). Такое название определялось тем, что в атмосфере над этими объектами имеет место повышенный уровень радона. А это является свидетельством того, что ЗТН каким-то образом связаны с околоядерным пространством Земли.

Как выяснилось в дальнейшем, ЗТН есть не что иное, как выход на поверхность Земли вертикальной трещины, которая берет начало в околоядерном пространстве. Эти трещины возникают в коре Земли в результате постоянно увеличивающегося давления в околоядерном пространстве.

ЗТН проявляется на ССП-разрезе воронкообразным объектом в. Эти воронки как бы вставляются одна в другую на всю глубину построения разреза. Пример такого объекта приведен на рис.3.

Самое первое свойство ЗТН было обнаружено в 1993 году, при проведении самого первого профиля, который имел протяженность 1км, и шел по Торфяной дороге, от Серафимовского кладбища до Богатырского проспекта (СПб). Это свойство заключается в том, что ЗТН является зоной разрушения. Разрушаются инженерные сооружения, оказавшиеся в непосредственной близости от этих зон, а также сам горный массив на всю глубину. В том числе и горные выработки, оказавшиеся на вертикали, через которую проходит тектоническая трещина. Таким образом, мы теперь имеем возможность прогнозировать аварии в горных выработок, даже не спускаясь в шахту.

Итак, мы случайно нашли объекты, о которых говорили геологи еще в начале XIX века. Они предполагали, что в многочисленных внезапных и, казалось бы, совершенно беспричинных разрушениях инженерных сооружениях виновен какой-то геологический объект. Его искали всем Миром 150 лет, но найти не смогли. И вот, наконец, при первом же испытании аппаратуры спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) были обнаружены геологические объекты воронкообразной формы, наличие которых неизбежно приводит к разрушению находящегося поблизости к этим объектам инженерного сооружения. Аппаратура и метод ССП является цифровым продолжением аппаратуры «Резонанс».

Рис. 3

Однако если наличие воронкообразных геологических объектов было обнаружено при первом же испытании ССП, то механизм, разрушающий инженерные сооружения в ЗТН, мы долго не могли найти. Наконец, было обнаружено, что в зонах тектонических нарушений происходит постоянная пульсация грунта. Период пульсации - минуты, а амплитуда достигает 10см и даже больше.

Представим себе, что площадь ЗТН составляет примерно половину площади сооружения. Следовательно, на границе ЗТН имеет место знакопеременное воздействие, которое не выдерживают никакие материалы. Я думаю, всем известно, как часто возникают трещины в железобетонных плитах плавающего основания...

ЗТН более или менее равномерно разбросаны по всей нашей планете, и мы «охотимся» за ними, когда нужно найти удачное место для возведения инженерного сооружения, а также при поиске точки водопритока под колодец или скважину, поскольку в его центре (показано красным крестиком) мы получим родниковую воду.

ЗТН обладают целым рядом свойств [5, 6] и представляют интерес практически для всех людей на Земле.

Не проходит и дня, чтобы на Земле не происходило катастроф, подавляющее большинство которых имеет неизвестные причины. В подавляющем большинстве случаев эти причины кроются в наличии ЗТН. При просмотре архива научно-информационных статей о геофизическом методе ССП, перечисленных на сайте , можно найти эти аварии.

 

На то, чтобы признать правоту Галилея Римской церкви понадобилось примерно 350 лет. Судя по тому интересу, который выказывают мои современники к нашей работе, не думаю, что признание материала, приведенного в этой статье, потребует меньшее количество времени.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Кун Т.С. Структура научных революций.
2. Гликман А.Г. Сейсморазведка - это очень просто.
3. Гликман А.Г. Основы спектральной сейсморазведки
4. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний
5. Гликман А.Г. Зоны тектонических нарушений
6. Гликман А.Г. О роли зон тектонических нарушений в нашей жизни