Физические предпосылки для изучения земной толщи как совокупности колебательных систем и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Физические предпосылки для изучения земной толщи как совокупности колебательных систем

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
27 ноября 2010, Санкт-Петербург

     Физика в целом есть не что иное, как совокупность физических эффектов и явлений, и нормальное развитие физики происходит в основном в результате обнаружения новых физических эффектов. Обнаружение каждого физического эффекта - событие экстраординарное. С одной стороны, оно нарушает плавность хода развития науки, поскольку неизбежно в какой-то степени перечеркивает предыдущий уровень знаний. С другой стороны, любой физический эффект информационно бесконечно глубок, и осознается обычно в течение многих лет, несколькими этапами.
     Сейчас, по прошествии более чем 33-х лет с тех пор, как я сделал самое первое мое сейсмоизмерение, мне становится понятным, что, осуществленное в условиях угольной шахты, оно было, по сути, вообще самым первым измерением акустических параметров в условиях естественного залегания горных пород. И уже поэтому должно было привести к обнаружению нового физического эффекта.
     Дело в том, что все предыдущие сейсмоизмерения, которые осуществлялись с самого начала ХХ века, были направлены не на объективные исследования акустических свойств земной толщи, а были подчинены одной задаче - подтверждению правильности идеи сейсморазведки. Все, что не соответствовало этой идее, отбраковывалось. А поскольку, как потом выяснилось, идея сейсморазведки является полностью ошибочной, то либо при измерениях отбраковывались все объективные результаты, либо измерения вовсе не проводились, поскольку зачем осуществлять исследования, если уже понятно, что они не подтвердят то, что нужно [1]. Кстати, среди огромного количества научной и учебной литературы по сейсморазведке мы не найдем ни одной рекомендации по какому-либо исследованию. Одни только запреты на исследования и объяснения, почему любое измерение поля упругих колебаний является некорректным.
     Естественно, что самое первое в какой-то области знания метрологически корректное измерение должно дать новый, неизвестный ранее результат, что и случилось при первом же измерении затухания поля упругих колебаний в породах кровли угольной шахты [2].
     Так сложилось, что все представления о свойствах поля упругих колебаний возникли в результате неких очевидностей и мысленных моделей. Так, сформировалась в качестве очевидной, уверенность в том, что затухание поля упругих колебаний в горных породах увеличивается с частотой. Поскольку практических измерений никогда не было, то получить информацию о конкретных зависимостях затухания от частоты взять было неоткуда. Поэтому первая аппаратура, предназначенная для получения этой информации, имела заведомо избыточные параметры. Частотный диапазон генератора был от 20Гц до 20кГц, а динамический диапазон индикатора составлял 120 дб.
     В результате этих измерений, вопреки установившейся уверенности, что характер частотной зависимости должен иметь вид, подобный кривой а, приведенной на рис.1, была получена зависимость, имевшая вид кривой b. По оси ординат отложено относительное значение амплитуды сигнала, регистрируемого индикатором.

В результате этих измерений, вопреки установившейся уверенности, что характер частотной зависимости должен иметь вид, подобный кривой а, приведенной на рис.1, была получена зависимость, имевшая вид кривой b
Рис. 1

     Осознать такой результат оказалось возможным только при наличии знаний из области радиотехники. Дело в том, что, как показывает история развития науки, различные области физики развиваются с различной скоростью. Например, электротехнические науки, имеющие совершенно незначительный возраст, оказались по уровню понимания и оснащенности средствами измерений далеко впереди древней механики и акустики. И если для сейсморазведчиков кривая b ровным счетом ни о чем не говорит, то для радиофизиков и математиков, знакомых со спектральными преобразованиями, это не так.
     Согласно спектрально-временным представлениям, частотная или, иначе говоря, спектральная зависимость, геометрически подобная кривой b на рис.1, является спектральным изображением затухающего синусоидального сигнала.
     Физический смысл этого заключается в том, что если усилитель или любой четырехполюсник имеет частотную зависимость своего коэффициента передачи (коэффициента усиления, проходной характеристики - это все синонимы), геометрически подобную кривой b, то при подаче на вход короткого импульса, на выходе будет затухающий гармонический (синусоидальный) сигнал.
     И в самом деле, при ударном воздействии в зоне, где был получен график b (рис.1) возник затухающий синусоидальный сигнал с частотой f0.
     Как следует из раздела математики, известного как спектрально-временные преобразования, любой изменяющийся во времени процесс может быть представлен как на временной оси, так и на спектральной плоскости [3]. На рис.2 приведены два изображения одного и того же затухающего гармонического сигнала - временнóе (а) и спектральное (b).

На рис.2 приведены два изображения одного и того же затухающего гармонического сигнала – временно'е (а) и спектральное (b)
Рис. 2

     Гармонический затухающий сигнал характеризуется собственной частотой f0 и добротностью Q. Добротность может быть получена с помощью следующих соотношений:

Добротность может быть получена с помощью следующих соотношений       (1)

     Как следует из соотношения а, добротность Q обратно пропорциональна коэффициенту затухания α. Чем выше значение добротности, тем медленнее затухает гармонический затухающий сигнал. Из соотношения b, коэффициент передачи на частоте f0 (то есть, на резонансе) возрастает в Q раз. При полном отсутствии колебательного процесса Q=1.
     Исходя из всего выше сказанного, становятся понятными две формулировки определения колебательной системы:

колебательная система - это устройство, которое на короткое воздействие реагирует затухающим гармоническим сигналом
и
колебательная система - это устройство, которое на резонансе увеличивает амплитуду колебаний в Q раз

     Так сложилось, что то, что является азбукой для радиофизиков и то, что преподают для них на 2-м курсе, совершенно неизвестно сейсморазведчикам, да и вообще механикам. В этом нетрудно убедиться, если попытаться получить изложенную выше информацию из научной или учебной литературы, скажем, по сейсморазведке. Во всяком случае, если бы сейсморазведчикам в курсе математики хотя бы давали спектрально-временные преобразования, то им было бы известно, что гармонический затухающий сигнал невозможно получить с помощью интерференции. Такой сигнал можно получить только при наличии колебательной системы.
     Это очень важный момент, так как современная сейсморазведка утверждает, что все сейсмосигналы, принятые (зарегистрированные) в ходе сейсмоизмерений, сформировались в результате интерферирования множества отраженных сигналов. Это имеет место (по мнению сейсморазведчиков) в том числе и тогда, когда сейсмосигнал имеет вид затухающего гармонического сигнала. Я думаю, что этот дефект образования является главной причиной того, что сейсморазведка как наука пошла в тупиковом направлении.
     Итак, тотчас же после того, как в 1977 году было установлено, что сейсмосигнал представляет собой один или несколько затухающих гармонических сигналов, стало однозначно понятно, что земная толща представляет собой не совокупность отражающих границ (что является основой сейсморазведки), а совокупность колебательных систем.
     Само по себе, это весьма революционный результат, поскольку одно дело, если мы существуем на земной тверди, и совсем другое, если все инженерные сооружения построены (возведены) на совокупности колебательных систем. Сразу, на поверхности, здесь лежит вывод о том, что в таком случае становятся возможными резонансные явления при эксплуатации сооружений, оказывающих на грунт динамическое (вибрационное) воздействие. Это разного рода энергетические установки - электростанции, насосные станции и пр. То есть, вообще говоря, сооружения, которые определяют энергетическую оснащенность нашей цивилизации.
     Однако к этому выводу удалось прийти позже, а тогда, в самом начале, было необходимо понять, какие именно объекты, залегающие в земной толще, играют роль колебательных систем.
     Ответ на этот вопрос был получен чрезвычайно быстро. Дело в том, что в условиях угольных шахт при пологом залегании угольных пластов земная толща сложена плоскопараллельными породными слоями. Поэтому здесь просто не было никаких других вариантов, кроме как предположить, что колебательными системами (иначе говоря, резонаторами) являются породные плоскопараллельные структуры, толщина (мощность) которых h должна быть жестко связана с длиной волны λ регистрируемого сейсмоприемником собственного колебательного процесса:

h = k / f0           (2)

     Эта пропорциональность длине волны определяется коэффициентом k. Как показали шахтные исследования, соотношение (2) выполняется для всех горных пород при k=2500м/с с погрешностью, не превышающей 10%.
     Таким образом, ударное воздействие на породный слой возбуждает не поле упругих колебаний в виде импульса, распространяющегося во все стороны, на чем стоит сейсморазведка, а гармонический затухающий процесс, распространяющийся вдоль породных слоев. И стало быть, если на сейсмограмме проявляются какие-то эхо-сигналы, то прийти они могут только сбоку, но не снизу. Вот уже только содержание этого абзаца показывает и доказывает несостоятельность идеи сейсморазведки и объясняет ее нулевую эффективность.
     Обнаружение зависимости (2) позволило начать разработку спектрального принципа сейсморазведки, с помощью которой оказалось в дальнейшем возможным получать информацию о строении земной толщи как функции спектра сейсмосигнала. И, что оказалось самым главным, картировать зоны тектонических нарушений (ЗТН). К настоящему времени на этом принципе выкристаллизовался отдельный, самостоятельный исследовательский метод, получивший название спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [4]. Разрез земной толщи, который получается с помощью этого метода, называется ССП-разрезом.
     Обнаружить новый физический эффект - это очень важный момент. Но не менее важным является установление причинно-следственных связей, позволяющих эксплуатировать этот эффект осмысленно. И вот здесь за кажущейся простотой скрывалась масса подводных камней. Дело в том, что в соответствии с основными положениями акустики твердых сред, да и просто со здравым смыслом, плоскопараллельная структура, материал которой является однородным и монолитным, не должна проявлять свойства резонатора.
     В самом деле, при ударном воздействии на поверхность породного слоя (в соответствии с общепринятыми в сейсморазведке принципами) должен возникнуть короткий упругий импульс, который многократно переотразится от поверхностей слоя. Такая вот затухающая последовательность коротких импульсов не имеет ничего общего с затухающей синусоидой. Но при ударе-то возникает все-таки синусоида! На поиск решения этого противоречия ушло несколько лет.
     Большую помощь при решении этой проблемы оказал тот факт, что, как оказалось, есть материалы, пластины из которых не являются резонаторами. Одним из таких материалов является оргстекло. При воздействии на пластину из оргстекла коротким ударом, отклик представляет собой последовательность коротких, затухающих по амплитуде импульсов, как и быть должно в соответствии с изложенной выше логикой.
     Сравнение между собой объектов-резонаторов и объектов-нерезонаторов показало радикальную разницу между их акустическими свойствами. Объекты из подавляющего большинства твердых сред (металлы и сплавы, стекло, керамика, горные породы) являются резонаторами, и особенность их в том, что у них имеются приповерхностные зоны, в которых скорость распространения фронта упругих волн Vfr не является величиной постоянной. На рис.3 показан слой-резонатор толщиной h в разрезе, и характер изменения скорости Vfr в приповерхностных зонах Δh. Величина зон Δh составляет единицы мм, так что ни о каких атомарных и молекулярных явлениях говорить не приходится.

На рис.3 показан слой-резонатор толщиной h в разрезе, и характер изменения скорости Vfr в приповерхностных зонах дельта h
Рис. 3

     В пластинах из оргстекла эта зона отсутствует. В объектах из оргстекла поле упругих колебаний проявляет свойства, предписываемые ему общепринятой теорией. Надо полагать, что если бы наша планета была из оргстекла, то сейсморазведка в ней должна была бы работать.
     Наличие такой среды, объекты из которой не являются резонаторами, позволяет калибровать лабораторные установки и снимать возражения, касающиеся правомерности использования этих установок для исследовательских целей. В самом деле, не могут совершенно одинаковые измерения в объектах из одних сред быть корректными, а из других - некорректными.
     Обнаружение зон Δh позволило «разрешить» плоскопараллельным структурам проявлять свойства слоев-резонаторов и тем самым, узаконить осуществление спектрально-сейсморазведочных работ. Однако этого было мало, поскольку сам механизм возникновения собственных колебаний оставался неизвестным. Для прояснения этого момента оказалось возможным использовать эффект акустического резонансного поглощения (АРП) [5].
     Эффект АРП состоит в том, что при нормальном прозвучивании слоя-резонатора, на резонансе часть зондирующего поля переориентируется в ортогональном направлении. На рис.4 приведена схема установки, служащей для изучения эффекта АРП.

На рис.4 приведена схема установки, служащей для изучения эффекта АРП
Рис. 4

     Образец - пластина 1 нормально прозвучивается пьезокерамическим дисковым преобразователем 2, который используется и как излучатель, и как приемник. Как приемник, он регистрирует отражение сигнала от образца 1 и позволяет определять коэффициент отражения β. На канале I осциллографа 6 зондирующий и отраженный сигналы показаны как процессы а и b соответственно. Приемник 3 комбинированный. Он состоит из пьезокерамического преобразователя k и пьезопленочного преобразователя p. Приемник 3 позволяет определять коэффициент прохождения α через образец 1. Зондирующий сигнал - импульсно-гармонический, с изменяющейся частотой заполнения, что обеспечивается свип-генератором 5. Временные отсчеты на всех трех каналах осциллографа смещены так, чтобы все процессы были видны одновременно.
     Исследованиям формирования собственного колебательного процесса предшествует калибровка устройства, для чего осуществляется наблюдение эффекта монохроматора. Монохроматор формируется чисто интерференционными процессами. При целом количестве продольных полуволн, укладывающихся на толщине h, пропадает отражение сигнала (процесс b), а проходящий через пластину 1 сигнал (процесс с) имеет амплитуду точно такую же, как если бы образца 1 не было вовсе. Частота монохроматора - fmh. Эффект монохроматора можно наблюдать в пластинах из всех материалов. Пронаблюдав все описанные явления, можем приступать к наблюдению эффекта АРП.
     Частота f0, на которой наблюдается  эффект АРП,  процентов на 15-20 больше, чем fmh. На этой частоте исчезает та часть сигнала, проходящего сквозь пластину 1, которая регистрируется пьезокерамическим преобразователем приемника 3 на других частотах. Эта часть поля, которая не проходит на резонансе сквозь образец, а переориентируется на 90°, регистрируется пьезокерамическим приемником 4 как составляющая d. Эффект АРП имеет место только при прозвучивании слоев-резонаторов. При прозвучивании пластин из оргстекла эффект АРП не возникает.
     Сигналы, снимаемые с пьезокерамики и пьезопленки пьезоприемника 3, синхронны и синфазны, но когда на резонансе с пьезокерамики эдс равна нулю, сигнал с пьезопленки не исчезает. Это дает нам право считать, что пьезокерамика и пьезопленка реагируют на различные составляющие поля упругих колебаний.
     На рис.5 показаны частотные характеристики коэффициента отражения β от пластины 1 и коэффициента прохождения α (через пластину 1), который определяется по значениям эдс, снимаемых с пьезокерамического и пьезопленочного приемника 3, а также напряжения U, снимаемого с пьезоприемника 4.

На рис.5 показаны частотные характеристики коэффициента отражения
Рис. 5

     f0 - это собственная частота прозвучиваемой пластины-резонатора. Это легко понять, если использовать в качестве образца 1 пьезокерамический диск, собственную частоту которого нетрудно определить обычными для пьезоматериалов электрическими методами.
     Поскольку на резонансе исчезает сигнал, снимаемый с пьезокерамики приемника 3, а пьезопленка приемника 3 никак не реагирует на резонансные явления вблизи частоты f0, то получается, что, во-первых,  зондирующее поле, излученное пьезокерамическим преобразователем 2, имеет две составляющие, одна из которых участвует в формировании собственного колебательного процесса в пластине-резонаторе 1, а другая - нет. И во-вторых, в режиме приема пьезопленка и пьезокерамика реагируют на эти составляющие поля.
     О том, что поле, излученное пьезокерамикой, представляет собой объемный процесс

I0 = ReI + jI,

свидетельствует уже тот факт, что часть поля повернулась на 90°. Обе эти составляющие являются двумя частями одного поля, поскольку распространяются с одной и той же скоростью как в жидкости, так и в материале образца. То есть, воспринимаются пьезопленкой и пьезокерамикой приемника 3 синхронно и синфазно.
     Реальная составляющая поля ReI не имеет ортогональной составляющей, и поэтому не может быть повернута в образце. Следовательно, можно сказать, что пьезопленка реагирует на реальную часть поля. А пьезокерамика, соответственно, на мнимую.
     Для того, чтобы коснуться механизма поворота мнимой части поля в образце, вернемся к рис.3. Экспериментально обнаруженное непостоянство скорости Vfr заслуживает более пристального внимания. Дело в том, что произвольного изменения скорости движения либо распространения какого-либо объекта или процесса при отсутствии внешнего воздействия, из соображений закона сохранения количества движения, быть не может. На той стадии, когда нам нужен был какой-нибудь отличительный признак объектов-резонаторов, с этим моментом можно было на какое-то время смириться. Однако результаты исследования эффекта АРП позволяют внести некоторую ясность в этот вопрос.
     Скорость распространения фронта упругих колебаний может при таких результатах измерений остаться постоянной только в том случае, если вспомнить, что измерялась только х-составляющая скорости. Но в зонах Δh происходит переориентация поля. Таким образом, можно сказать, что в сечении плоскопараллельного слоя-резонатора поворачивается вектор звукопроводности среды Z, и в зонах Δh вектор звукопроводности приобретает y-составляющую.
     И, наконец, здесь мы можем сделать очень важный вывод, что в зонах Δh мнимая составляющая объемных упругих волн преобразуется в поперечные упругие волны. Поперечные волны формируют собственный колебательный процесс, который со скоростью поперечных волн Vsh распространяются также и вдоль слоя-резонатора. Зависимость (2), таким образом, может быть представлена как:

h = Vsh / f0       (2*)

     Понятно, что поперечные волны, о которых здесь идет речь, не имеют отношения к термину, предложенному еще Пуассоном. Согласно гипотезе Пуассона, поперечные волны характеризуются ортогональными относительно направления распространения поля смещениями колеблющихся частиц, а в продольных волнах эти направления совпадают.
     Поскольку ни сами колеблющиеся частицы, ни направление их смещения на сегодняшний день неопределимы в эксперименте, то понятия продольных и поперечных волн в прежнем понимании просто не имеют смысла. Я к этому так подошел, что раз уж эти понятия прижились, то вряд ли стоит создавать другие применительно к данному случаю.
     Условия существования (формирования и распространения) собственных упругих колебаний в слоях-резонаторах - в наличии возможности проскальзывания на границах с соседними средами. При увеличении трения на поверхностях слоя-резонатора исчезают зоны Δh, и при этом снижается добротность колебательного процесса вплоть до единицы. То есть, до полного отсутствия собственных колебаний.
     Применительно к земной толще, можно сказать, что граничными условиями существования породных слоев-резонаторов является отсутствие диффузии соседних материалов друг в друга. Иначе говоря, чтобы с позиции спектральной сейсморазведки имела место граница, по этой поверхности должно отсутствовать прилипание друг к другу (адгезия) соседних пород. Терригенные породы, как правило, плавно переходят одна в другую. Так, песчаник в аргиллит переходит, как правило, через промежуточную породу - глинистые и песчанистые сланцы. И спектрально-сейсморазведочная граница между песчаником и аргиллитом поэтому может отсутствовать. Другая крайность - граница между терригенными и карбонатными породами всегда резкая, без взаимного прилипания пород, и добротность породного слоя с такой границей максимальна.
     Интереснейшим свойством слоистой среды является то, что на параметры любого составного слоя (f0 и Q) не оказывает ни малейшего влияния количество и качество промежуточных границ. На рис.6 приведена схема слоистой среды. hi - глубины залегания границ, выявляемых спектральной сейсморазведкой.

На рис.6 приведена схема слоистой среды
Рис. 6

     Точки 1-6 - это точки расположения сейсмоустановки (сейсмоприемник + источник ударного воздействия). Так вот, четкость прорисовки на ССП-разрезе  границы h5 не будет зависеть от того, сколько границ находится выше ее. Но при этом следует помнить, что выявлены на ССП-разрезе будут только те слои-резонаторы, которых будет касаться сейсмоприемник. То есть, отдельно слой h2-h1 или, скажем, h5-h2 и прочие слои-резонаторы, не имеющие верхней своей границей дневную поверхность, выявлены не будут.
     Это происходит потому, что собственный колебательный процесс слоя-резонатора распространяется вдоль слоя-резонатора, не выходя за его пределы, и стало быть, чтобы зарегистрировать собственные колебания какого-либо резонатора, нужно его касаться сейсмоприемником.
     Эта модель нашла свое подтверждение при проведении геофизиками института Геофизики СО АН РФ измерений с привлечением излучателя «вибросейс». Излучатель находился под Новосибирском, а сейсмоприемник - в Казахстане, на удалении примерно в 1000км. Излучался гармонический сигнал, частота которого очень медленно изменялась от единиц до десятков герц. Целью проведения эксперимента было подтверждение модели традиционной, лучевой сейсморазведки. То есть, предполагалось, что сигнал, который приходит к сейсмоприемнику, отразился от какой-то глубоко залегающей границы.
     Однако в процессе проведения этого эксперимента оказалось, что есть ряд частот, на которых сигнал не проходит. А вот это как раз и подтверждает нашу модель, которая заключается в том, что распространение поля упругих колебаний происходит вдоль породных слоев-резонаторов, и при этом, на частоте этих слоев резонаторов. А если для какой-то частоты нет соответствующего ей слоя-резонатора, то и распространения не будет.
     Понятно, что мощность структуры-резонатора hi может достигать любых размеров, в пределах радиуса нашей планеты. Вся же планета Земля как отдельный резонатор может быть уподоблена шару, и если правомерно для такого объекта брать Vsh=2500м/с, а диаметр нашей планеты - 12742км, то ее собственная частота будет составлять

Вся же планета Земля как отдельный резонатор может быть уподоблена шару, и если правомерно для такого объекта брать Vsh=2500м/с, а диаметр нашей планеты – 12742км, то ее собственная частота будет составлять

     По свидетельству сейсмологов, гармонический процесс с таким периодом действительно постоянно может быть зарегистрирован.
     Собственная частота породного слоя толщиной 1м - 2500Гц. Если предположить глубину границы ядра с мантией порядка 3000км, то этой границе соответствует частота около 0,8 милиГерц (0,8·10-3Гц).
     При наличии в теле нашей планете колебательных систем столь широкого частотного диапазона, существуют различные возможности реализации резонансных явлений. Суть резонансных явлений не зависит от значения частот, на которых они происходят.
     К сожалению, теория колебательных, и в частности, резонансных процессов в сейсморазведке совершенно неразвита. Это объясняется тем, что, как считалось, в земной толще нет и быть не может никаких колебательных систем, а стало быть, не может быть и резонансных явлений.
     Допустим, имеется некий механизм, оказывающий на свою опору динамическое (вибрационное) воздействие с какой-то амплитудой колебаний. Если эта опора является колебательной системой, то как только произошло совпадение частоты вибрации механизма с собственной частотой колебательной системы (резонанс), начнется рост амплитуды колебаний. Рост будет плавным, как если бы мы раскачивали качели, и каждым толчком увеличивали бы амплитуду их отклонения.
     Предельное значение амплитуды колебаний на резонансе превышает исходную амплитуду вибрации в Q раз. Любое увеличение вибрации снижает надежность и долговечность эксплуатируемого объекта, но если добротность Q невелика (скажем, до 10), то такое увеличение вибрации, скорее всего, не вызовет непосредственно аварии. Можно назвать такой случай низкодобротным резонансом. Реальные значения добротности колебательных систем, залегающих в земной толще, могут достигать 200 и более.
     Столь значительное увеличение амплитуды вибрации может оказаться невозможным, если при этом будет превышен предел упругих деформаций. На практике, это выглядит следующим образом. Обычно, сначала по непонятным причинам возникает вибрация грунта, которая плавно, но довольно быстро увеличивается по интенсивности, достигает значений, при которых у людей, находящихся внутри объекта, возникает страх, паника, и они стремятся его покинуть. В какой-то момент рост вибрации прерывается мгновенным, удароподобным, взрывоподобным разрушением.
     Что именно при этом разрушается, зависит от конкретной ситуации. Чаще всего, в грунте мгновенно образуется воронка, в которую проваливается вибрирующее устройство. Это может сопровождаться пожаром, взрывом и т.п., в зависимости от того, что это за устройство. Если опора вибрирующего механизма - не грунт, а железобетон, как это бывает, например, при установке турбины на тело плотины ГЭС, то при повышении вибрации может сорвать турбину с опор. Если вибрирующее устройство стоит в жилом доме, под которым в земной толще залегает высокодобротная колебательная система, то дом может разрушиться [6].
     Если низкодобротный резонанс может существовать все время, воспринимаясь просто как повышенная вибрация, то высокодобротный резонанс может существовать только как переходной процесс, в состоянии нарастания амплитуды. Поэтому резонансное разрушение происходит обычно тогда, когда по каким-то причинам изменяют частоту вибрации (скорости вращения), уходя от обычного рабочего режима, и при этом случайно попадая в резонанс. Так было, когда изменяли режимы генераторов на 4-м блоке ЧАЭС в 1986 году, когда решили плавно остановить гидроагрегат на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году...
     Предвестником резонансного разрушения является возникновение вибрации и плавное увеличение ее амплитуды. Если перед разрушением имело место плавное увеличение вибрации, значит причина - резонанс. Непосредственно перед аварией на Саяно-Шушенской ГЭС самописцы отметили увеличение вибрации 2-го гидроагрегата в 600 (!!) раз. Однако при обсуждении причин аварии слово «резонанс» произнесено не было. Потому что если произнести его, то неизбежен вопрос: «а где колебательная система?». Ну, а всяческое упоминание колебательной системы в земной толще запрещено.
     Резонансные разрушения инженерных сооружений известны как горные удары или техногенные землетрясения.
     Как выяснилось в результате многолетнего использования спектрально-сейсморазведочного профилирования, этот метод дает возможность выявлять зоны тектонических нарушений (ЗТН). При этом оказалось, что эти зоны обладают целым рядом замечательных, совершенно неожиданных свойств [7]. Одно из этих свойств -большие значения добротности залегающих в ЗТН колебательных систем. И таким образом, сооружения, оказывающие на грунт динамическое воздействие, оказавшись в ЗТН, оказываются подверженными повышенному риску разрушения.
     Одно из свойств ЗТН - наличие в этих зонах планетарной пульсации. Это явление давно известно [8], но то, что источник этой пульсации находится именно в ЗТН, было обнаружено при совместном исследовании ЗТН методом ССП и методом космической геодезии. Амплитуда колебаний планетарной пульсации может достигать колоссальных значений. Как утверждают геодезисты - до 10см. Однако поскольку частота их очень мала, то обнаружить это явление можно только с помощью специальной аппаратуры. Планетарная пульсация не является стабильным, стационарным процессом. Как амплитуда, так и частота ее изменяются в широких пределах. Может так оказаться, что зарегистрированная пульсация, имеющая некоторую частоту, на следующий день исчезнет, и ее не будет в течение нескольких дней. А когда она вновь появится в этом же месте, то частота ее будет существенно отличаться. Может же быть так, что частота пульсации не исчезает, а плавно изменяется.
     Планетарная пульсация представляет интерес, в первую очередь, потому что она является фактором, объясняющим разрушение инженерных сооружений, оказавшихся в ЗТН [9]. Однако некоторые наблюдения позволили предположить, что планетарная пульсация является механизмом, способствующим развязыванию природных землетрясений.
     Давно уже сейсмологи заметили, что землетрясениям предшествуют некие колебания. Обычно, эти колебания происходят с нарастанием амплитуды, которое обрывается землетрясением. Далее, при записи самого землетрясения иногда наблюдаются афтершоки, которые представляют собой всплески гармонических затухающих колебаний. Так, после Спитакского землетрясения афтершоки продолжались примерно полтора года. С позиций рассмотренных выше явлений, эти эффекты укладываются в следующую логику.
     Если место возникновения планетарной пульсации находится в непосредственной близости к залегающей в земной толще высокодобротной колебательной системе, то возможен вариант, что на какой-то промежуток времени частота пульсации приблизится к собственной частоте этой колебательной системы. Тогда начнется рост амплитуды вплоть до того значения, когда произойдет разрушение соответствующей породной толщи. То есть, возникнет сейсмотолчок.
     И тогда афтершоки - это обычные биения. Биения - хорошо известное в радиофизике явление. Они возникают при незначительном уходе частоты внешнего воздействия от резонанса.
     На рис.7 показан довольно типичный случай, предшествующий землетрясению. Рост амплитуды пульсации A сопровождается изменением (увеличением или уменьшением - не имеет значения) ее частоты f, и завершается сейсмособытием - землетрясением в момент t = 0.

Логика развития процесса подготовки землетрясения на рис.7 представляется следующей
Рис. 7

     Логика развития процесса подготовки землетрясения на рис.7 представляется следующей. Планетарная пульсация изменяется по частоте, приближаясь к резонансу с высокодобротной структурой, залегающей в эпицентре будущего землетрясения. Приближение к резонансной частоте, естественно, характеризуется увеличением амплитуды пульсации, что и видно на этом рисунке.
     Разобравшись с физикой формирования техногенных землетрясений резонансного типа, оказалось возможным не только прогнозировать их, но и предотвращать. Однако о предотвращении природных землетрясений не может быть и речи, пока нам неизвестна природа и источники планетарной пульсации.
     Что же касается прогнозирования природных землетрясений, то здесь, на мой взгляд, принципиальных трудностей не предвидится. Этапы создания глобальной сети для прогнозирования землетрясений следующие:

  1. Картирование сейсмоопасных зон тектонических нарушений. Наиболее эффективным представляется выявление этих ЗТН по наличию планетарной пульсации. Полагаю, что эта задача может быть решена с помощью спутниковых технологий выявления подвижных участков поверхности Земли.
  2. Мониторинг спектральных и амплитудных характеристик планетарной пульсации в выявленных сейсмоопасных ЗТН. Рост амплитуды пульсации, завершающейся землетрясением, может быть зарегистрирован таким образом, что будет обеспечен оперативный прогноз на 2-3 суток.

     В свое время, когда пришло осознание свойств электрического контура, оказалось невозможным рассмотрение параметров электрических цепей без учета возможного присутствия в них элементов колебательных контуров. Точно так же, когда придет осознание свойств земной толщи как совокупности колебательных систем, будет невозможно осуществление каких бы то ни было работ на Земле без учета наличия и параметров залегающих в земной толще колебательных систем.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. Сейсморазведка - это очень просто
  2. Гликман А.Г. Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия
  3. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: Связь, 1957.
  4. Гликман А.Г. О принципах спектральной сейсморазведки.// Геофизика XXI столетия: 2003-2004 годы. Сборник трудов Пятых и Шестых геофизических чтений имени В.В. Федынского.- Тверь.: ООО «Издательство ГЕРС».- 2005.- 381с., с.370-375.5. АРП
  5. Гликман А.Г. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС - это очень просто
  6. Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН)
  7. Сашурин А.Д. "Современная геодинамика и техногенные катастрофы." Сб. докладов международной конференции "Геомеханика в горном деле - 2002" Екатеринбург, Игд УрО РАН 19-21 ноября 2002 г, http://igd.uran.ru/geomech/.
  8. Гликман А.Г. Планетарная пульсация как механизм формирования тектонических процессов


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: