Жизнь в науке - это сплошной детектив - продолжние статьи научный детектив и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Жизнь в науке - это сплошной детектив

Адам Григорьевич Гликман,
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
15 января 2013, Санкт-Петербург

Содержание

Введение

  1. Тема колебательных систем
  2. Тектоника
  3. Тема скорости
  4. Затухание поля упругих колебаний
  5. Эффект АРП
  6. Формирование поля в реальной среде

Заключение

Введение

40 лет назад я попал в область знания, в которой было задействовано огромное количество народу и средств, но не было ни единого эксперимента, подтверждающего хотя бы одно ее положение. Вопреки всем нормам и правилам развития физики, эта область физики развивалась исключительно с помощью мысленного моделирования и привлечения математики, чтобы формализовать эти мысли. Согласно основам методологии развития научного познания, такое развитие физики кратчайшим путем ведет в сторону научного заблуждения. Но это я понял уже гораздо позже. Эта область знания - сейсморазведка.

Так сложилось, что в 1973 году я, только что испеченный радиоинженер, оказался вовлечен в сейсморазведку. То есть в самую представительную ветвь акустики твердых сред. Совершенно случайно мне выпало читать студентам ленинградского Горного института (ЛГИ) шахтную геофизику, основной частью которой является сейсморазведка. Но в сейсморазведке я не понимал совсем ничего, и этим уже было заложено условие обнаружения мною неизвестных ранее свойств поля упругих колебаний, поскольку известно, что новое зачастую прячется на границе между двумя областями знания. Вот так и получилось, что, будучи радиофизиком, я увидел в сейсморазведке то, мимо чего геофизики проходили в течение 80 лет. То, что было для меня азбукой еще 40 лет назад, совершенно неизвестно сейсморазведчикам даже сегодня.

В результате, физический эффект, обнаруженный мною самым первым, буквально упал мне в руки. Его суть в том, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем. Осознание этого физического эффекта со временем очень много изменит в жизни землян. Чем раньше придет это понимание, тем меньше произойдет разного рода техногенных катастроф, тем меньше будет издержек развития цивилизации.

К сожалению, у меня не получается довести это до сведения моих современников. В качестве очередной попытки изложить эту тему как можно проще, я написал в конце прошлого года статью [1], посвященную этому эффекту. Но в результате откликов на эту статью я понял, что излагать следовало не отдельно этот вот самый первый из обнаруженных мною физический эффектов, а весь комплекс эффектов, показывающих свойства поля упругих колебаний.

Что я и попытаюсь сделать в этой статье.

1. Тема колебательных систем

Этот раздел представляет собой переработанную и дополненную статью "Научный детектив (резонансная линия)"

Научный детектив начинается с какого-то незначительного факта, мимо которого, не обращая на него внимания, пройдет множество людей. А заметившие его, вслух или про себя скажут: «ЭТОГО НЕ МОЖЕТ БЫТЬ». Вот и мои приключения начались с того, что при первом же моем практическом сейсмоизмерении (в условиях угольной шахты) я обнаружил, что сейсмосигнал имеет вид затухающего синусоидального процесса.

Дело в том, что синусоидальный (в том числе, синусоидальный затухающий) сигнал является очень специфическим объектом. Если реакция на ударное (импульсное) воздействие имеет вид затухающей синусоиды, значит, объект, который был подвергнут этому ударному воздействию, есть не что иное как колебательная система. При этом частота этой синусоиды - это собственная частота колебательной системы.

Что такое сейсмосигнал. Это когда по горному массиву или, в общем случае, по поверхности земной толщи наносят удар, а с сейсмоприемника, находящегося на некотором расстоянии от точки удара, снимают возникающий при этом электрический сигнал. Сейсмоприемник - это тот же микрофон, только предназначен он для того, чтобы регистрировать поле упругих колебаний (иначе говоря, акустическое поле) не в воздухе, а в твердой среде. В данном случае, в горном массиве.

Так сложилось, что практически сразу же, как только я обнаружил, что сейсмосигнал имеет характер затухающей синусоиды, я выяснил, что роль колебательных систем выполняют слои горных пород, а также то, что частота f0 синусоиды, возникающей при ударе по кровле горной выработки, связана с толщиной (геологи говорят - мощностью) h породного слоя следующим соотношением:

f0 = 2500 / h      (1).

Это соотношение было получено чисто эмпирическим путем, и 2500 - это как бы коэффициент, при котором выполняется соотношение (1). Причем, общий для всех горных пород. Размерность этого коэффициента - м/с. То есть, это некоторая скорость.

Шел 1977 год, а сейсморазведка - ровесник XX века. Поэтому у меня не было ни минуты сомнения, что такой сейсмосигнал геофизики наблюдают уже восьмой десяток лет. Однако следов этого мне найти не удалось.

Как оказалось, одна из причин этого заключается в том, что непосредственная и жесткая связь между наличием синусоидального сигнала и существованием колебательной системы мало кому известна. Если посмотреть в разного рода энциклопедии, то мы увидим, что колебательная система - это устройство, которое на воздействие отзывается периодическими колебаниями без указания на синусоидальный характер этих колебаний.

И только радиофизики твердо знают, что реакция простейшей, единичной колебательной системы на ударное воздействие - это именно синусоидальный затухающий сигнал. Это очень важный момент. Дело в том, что синусоида - это неделимый информационный кирпичик, это единственный сигнал, который невозможно получить интерференцией. А именно интерференцией объясняется происхождение всех сигналов в сейсморазведке. Вся история сейсморазведки - это история фильтрации затухающих сигналов, которые наблюдаются при проведении сейсморабот, чтобы увидеть, наконец, эхо-сигнал, обещанный классиками еще в середине XIX века.

Мне, как и всем радиофизикам, еще со второго курса известна история открытия лордом Кельвином электрического колебательного контура. Ему для этого оказалось достаточным увидеть на осциллографе (который он, кстати, изобрел, чтобы увидеть этот сигнал), что сигнал, снимаемый с контура, имеет форму затухающей синусоиды. Специалисты в электротехнике тех лет, кстати, тоже были убеждены, что этот сигнал есть результат интерференции. И тоже пытались его отфильтровать.

Поэтому, увидев синусоидальный характер сейсмосигнала, я сразу стал искать, что именно играет роль колебательной системы в данном случае. Ну, здесь, чтобы ее найти, не нужно было иметь большого ума, потому что угленосная толща, по своей сути, является слоистой средой, а предположить резонансные свойства для плоскопараллельной структуры для радиста было естественно.

На самом деле, логика здесь очень простая. Если допустить, что свойствами колебательной системы обладает породный слой, параметры которого исследовались, то можно предположить, что толщина этого слоя h как-то связана с длиной волны ?, которая, как известно, есть отношение скорости волнового процесса V к частоте f:

h = nλ = nV / f   где n - любое число.

При n=0,5 колебательная система называется полуволновой, при n=0,25 - четвертьволновой и т.п. Чему равно n - я не знал, но произведение nV оказалось равным 2500м/с. Как я уже говорил, для всех горных пород.

Сказать, что эта находка оказала на меня оглушительное воздействие, значит - ничего не сказать. Для меня, как для радиоинженера по образованию, не было никакого сомнения, что я обнаружил не больше не меньше, как новую колебательную систему.

В настоящее время известно весьма незначительное количество колебательных систем. В первую очередь, это электрический колебательный контур, имеющий хоть и незначительный возраст (лет 130), но теоретически разработанный более всех других колебательных систем. Далее, камертон, маятник, струна (что вообще говоря, одно и то же)... Вот, пожалуй, и всё. И я понимал, что отношение к человеку, заявившему об открытии новой, ранее неизвестной колебательной системы, серьезным быть не может.

Кроме того, всё усугублялось тем, что с позиции существующих представлений, плоскопараллельная структура (пластина, слой и т.п.), материал которой монолитен и однороден по вещественному составу, не имеет оснований быть колебательной системой. Для того, чтобы это основание существовало, объект должен обладать механизмом, преобразующим ударное воздействие в синусоидальный сигнал. У известных колебательных систем этот механизм существует и хорошо известен. Пластина из однородного, монолитного, изотропного материала такого механизма, похоже, не имеет.

Вот и завязка моего детектива. Физический эффект в реальности существует, и может быть предъявлен и в лаборатории, и в естественных условиях, но права на существование не имеет. Такое вот «НЕ МОЖЕТ БЫТЬ».

Впрочем, не всё так безнадежно. Буквально в том же, 1977-м году была создана аппаратура, реализующая этот незаконный физический эффект. С помощью этой аппаратуры оказалось возможным определять толщину (мощность) породного слоя, находящегося непосредственно над головой шахтеров. Зная мощность породного слоя, находящегося над головой, нетрудно выйти на прогноз обрушения этого слоя. В упрощенном виде, логика выглядела следующим образом. Чем больше мощность «потолочного перекрытия», роль которого играл породный слой, тем оно надежней.

Это была простейшая реализация соотношения (1), и аппаратура представляла собой обычный, тогда еще аналоговый, спектр-анализатор. Эта аппаратура (имела название «Резонанс») сыграла свою роль в решении одной из проблем безопасности подземных рабочих, но ни на шаг не приблизила меня к пониманию физики этой новой колебательной системы.

Однако эта, не самая серьезная разработка, тем не менее, подчинялась законам методологии. Согласно одному из них, будучи основана на новом физическом эффекте, эта методика сама явилась источником принципиально новой информации. Эта новизна касалась геологической науки. С помощью аппаратуры «Резонанс» удалось выявить неизвестные ранее факторы, оказывающие влияние на устойчивость кровли угольных пластов.

С помощью аппаратуры «Резонанс» удалось разрешить один очень давний спор о физике разрушения пород кровли. Большинство ученых-горняков считают, что первичным процессом разрушения является образование вертикальных, т.н. секущих трещин, после чего начинают вываливаться породные блоки. Остальные считают, что первичным является процесс расслоения пород по поверхностям, на которых происходит разделение пород по литотипам.

Аппаратура «Резонанс» показала, что первично расслоение, но не по поверхностям смены литотипов, а там, где в породах залегают тонкие и сверхтонкие прослои. В большинстве своем, это углистые прослои, но встречаются и слюдяные и мергелистые. Дело в том, что никакими методами кроме как с помощью аппаратуры «Резонанс» тонкие и сверхтонкие прослои не выявляются.

Кроме того, эта аппаратура явилась стимулятором обнаружения одного интересного побочного эффекта.

Примерно в 1981-82 году шахтные геологи добились промышленного выпуска аппаратуры «Резонанс». В мою задачу входило, кроме собственно разработки промышленного варианта аппаратуры, обучение геологов работе с ней. Однако когда аппаратура уже появилась, я отказался обучать геологов. Дело в том, что аппаратура, работающая вопреки законам физики, не должна использоваться для решения проблем безопасности.

Аппаратура эксплуатировала эффект, которого быть не могло. Допустим, что в какой-то момент результат, получаемый с помощью этой аппаратуры, окажется соответствующим физике, и шахтеры получат рекомендации, способствующие не повышению безопасности их труда, а наоборот, ведущие к травматизму.

Моими коллегами это было воспринято чуть ли не как бунт с моей стороны, и мне высказали всё, что обо мне думали, и даже больше того. Дело в том, что во взаимоотношениях институтов и шахт просителями всегда являются институты. Чтобы шахте что-то было нужно от института - такого никогда не было. А тут произошло именно так, так я же сам, получается, этому мешаю.

Мне объяснили, что поскольку я свою задачу выполнил, научить шахтных геологов смогут и без меня, то в моих услугах больше не нуждаются. Вся эта история была сильнейшим ударом по мне. Будем говорить, по голове. В общем, в том, еще весьма юном возрасте (не более сорока) я хорошо понял уязвимость нашего организма.

Но надо же было такому случиться, что, находясь в этом немыслимом, стрессовом состоянии, я нашел решение этой проблемы. Я понял, где искать механизм преобразования удара в синусоиду. Что это было? Стресс как средство мобилизации всех способностей организма на решение задачи? Или Что-то Свыше мне подбросило это решение... Но я понял тогда, что для того, чтобы в голову пришла приличная мысль, нужно, чтобы по ней (по голове) крепко ударили.

Я проанализировал свой, бывший к тому времени, уже немаленький опыт решения различных задач, и обнаружил, что так было всегда. Наиболее интересные результаты моей работы получались в состоянии стресса. Вот это открытие я считаю довольно интересным, хоть и побочным, и не имеющим практического применения, поскольку каждый такой факт может быть оценен только ретроспективно.

Но прежде, чем начать рассказывать о самом механизме преобразования удара в синусоиду, я должен изложить некоторые порочащие меня обстоятельства.

Дело в том, что здесь действительно идет речь об открытии новой колебательной системы, но... открыл ее не я.

В 1917 году было обнаружено, что если пластину из пьезодиэлектрика включить в обратную положительную связь усилителя, то получим генератор синусоидального напряжения с какой-то определенной частотой. Собственно, то же самое произойдет, если вместо пьезодиэлектрика в обратную положительную связь будет включен обычный колебательный контур. Но только в случае пьезоэлемента стабильность частоты генератора будет очень высокой, другими средствами (в то время) недостижимой.

Сначала для этого использовали сегнетову соль, затем - вырезали пластины из природного кварца, потом научились для этих нужд выращивать искусственный кварц... Сейчас пьезоматериалов, пригодных для получения высокостабильных генераторов существует много, но все резонаторы, использующие их, объединяются одним названием - кварцы. Сегодня нет ни одного электронного устройства, в состав которого не входили бы кварцы.

Если посмотреть в разного рода энциклопедиях, то мы увидим, что работу кварца объясняют наличием в пластине неких электрических колебательных контуров. Как сейчас говорят, виртуальных. А также наличием пьезоэффекта...

Кстати, об этом последнем аргументе. Я для лабораторного моделирования использую пьезоэлементы из титаната бария - наиболее дешевый и технологичный вид пьезокерамики. Так вот, резонансные свойства этих пластин не изменяются, если их лишить пьезосвойств. Для этого их достаточно нагреть до точки Кюри... Значит, резонансные свойства пьезодиэлектриков никак не связаны с наличием или отсутствием пьезоэффекта. Пьезоэффект позволяет лишь наиболее простым способом обнаружить резонансные свойства и их использовать, но причиной их возникновения он не является.

Научной и учебной литературы по кварцам существует предостаточно. Мы найдем там сложнейшую математику, решение уравнений, описывающих якобы находящиеся в них, а на самом деле, несуществующие электрические колебательные контура, но узнать самое главное - какой толщины должна быть пластина, чтобы получить требуемую частоту, с помощью этих книг невозможно.

На самом же деле, пьезоэлементы представляют собой прямоугольную пластинку, собственная частота которой связана с ее толщиной... СООТНОШЕНИЕМ (1)! Там только в числителе стоит другое число. Для кварца и пьезокерамики - это около 3000м/с, для сегнетовой соли - около 2000м/с... Значит, получается, что колебательная система этого типа была открыта в начале ХХ века! Но почему же это не было заявлено?

А о том, что при изготовлении кварцев используется именно выражение (1), я узнал случайно, когда покупал на заводе очередную партию пьезокерамики.

Но в чем же здесь дело? Почему обнаруженная в начале ХХ века колебательная система не могла быть названа таковой? К тому времени, когда были открыты кварцы, прошло всего лет 30 с тех пор, как был открыт электрический колебательный контур. Это было время всемирного и стремительного освоения контуров, возникновения радиосхем, в которых контура использовались совместно с кварцами. Почему же контура числились колебательными системами, а кварцы - нет?

Я думаю, что дело здесь в том, что Поль Ланжевен, впервые использовавший пьезоэлемент как резонатор для часов еще перед 1-й Мировой войной, не понимал физику его работы. Но ведь и лорд Кельвин не понимал физику колебательного контура, когда он провозгласил открытие новой колебательной системы и написал уравнение контура...

Так, абстрактно, всё кажется очень простым. Раз устройство преобразует удар в синусоиду, значит, оно является колебательной системой. Но попробуйте представить себе, что вы заявляете о том, что открыли новую колебательную систему... Наши коллеги начала ХХ века на это не осмелились, и я их хорошо понимаю. Но вот то, что они пустили развитие представлений о кварцах по пути наукообразия, это, конечно, очень жаль. Наукообразие ведь не может сосуществовать с наукой. Оно глушит попытки научного развития, как сорняки - полезные культуры. Сорняки всегда сильнее... А наукообразие выглядит респектабельнее, умнее. Развившееся до значительных размеров наукообразие отменить крайне трудно. В науке ведь практически невозможно однажды сказанное слово взять назад.

Такое вот ущербное развитие представлений о кварцах, когда вместо полноценной теории используют наукообразие, как оказалось, весьма ограничивает знание их свойств.

Но всё-таки, как же проявились результаты того удара по моей бедной голове...

Мне тогда, практически, в тот же день открылась логика, которая буквально лежала на поверхности. С тех пор прошло 30лет, и я никак не могу понять, почему я не увидел ее раньше. Ну что ж, видно, таково свойство стрессового состояния. Это всё оказалось настолько просто, что мне даже неудобно об этом рассказывать.

Итак, что мы имеем?

  1. Отклик на удар имеет вид затухающей синусоиды. Современный арсенал радиоизмерительных устройств позволяет признать синусоидальный характер отклика на удар достаточно уверенно.
  2. Материал пластин (стекло, металлы, горные породы, керамика...), подвергавшихся исследованию, однороден по вещественному составу, монолитен и изотропен.
  3. Пластина из акустически однородного материала не может иметь механизма преобразования удара в синусоиду.

Вывод:

Следовательно, перечисленные материалы, будучи однородными по механическим свойствам и вещественному составу, должны иметь какую-то акустическую неоднородность.

А какая это может быть неоднородность? Какие мы вообще знаем акустические свойства материалов, которые могут быть определены на метрологически приемлемом уровне? Только если скорость, да? Я допускал, что могут быть еще какие-то, неизвестные акустические свойства (что, кстати, в последствие и подтвердилось), но приняв как гипотезу требование акустической неоднородности в слоях-резонаторах, мы должны начать исследование и поиск ее с того, что известно на данный момент, то есть, с исследования кинематических характеристик поля упругих колебаний.

Да, признаюсь, допустить неодинаковость скорости во всех точках такого объекта как, скажем, стеклянная пластина, при всей безукоризненности предложенной логической схемы - это не для слабонервных. Кстати, когда я предложил эту схему для обсуждения своим коллегам, они всерьез озаботились моим психическим здоровьем.

Эта тема даже не обсуждается никогда, потому что одинаковость скорости распространения поля упругих колебаний во всех точках объектов из таких однородных материалов как стекло, абсолютно очевидна. Это аксиома. Но, во-первых, очевидность в физике - это путь в тупик. И аксиом как таковых не существует в принципе. Как заметил Лобачевский, аксиома - это не то, что не требует доказательства, а то, что НИКАК не доказать. Потому что нет таких вещей, которые не требовали бы доказательства.

Ну и какой же характер неодинаковости скорости можно было ожидать? Поскольку частота слоя-резонатора зависит от его толщины, то я предположил, что скорость распространения поля упругих колебаний должна как-то изменяться при распространении его поперек такого слоя. Чисто мысленное моделирование подсказало мне, что изменения скорости должны происходить вблизи поверхностей. То есть, в приповерхностных зонах пластин-резонаторов.

Я думаю, не стоит подробно рассказывать ход эксперимента в такой, в общем-то, популярной статье. Подробно это описано в многочисленных публикациях в интернете [www.newgeophys.spb.ru]. Но показать характер изменения скорости при прозвучивании слоя-резонатора будет не лишним. Он показан на рис.1.

Характер изменения скорости при прозвучивании слоя-резонатора
Рис. 1

При сквозном прозвучивании слоя-резонатора толщиной h скорость движения фронта волны Vфр(h), проходящей сквозь слой-резонатор, сначала увеличивается по мере преодоления промежутка Δ1h, затем остается неизменной и равной своему максимальному значению Vфр.max, а затем, при приближении ко второй границе, уменьшается до величины Vфр.min. Vфр. - это измеряемая скорость. Она усреднена по толщине пластины. И понятно, что эта средняя скорость будет зависеть от толщины пластины. Чем толще будет пластина, тем меньше будут влиять на величину измеряемой скорости приповерхностные зоны. То есть, тем больше будет значение Vфр.

Результаты научных исследований не должны зависеть от отношения к ним различных людей. Но, с другой стороны, наука делается людьми, и ход исследований, конечно же, не может не зависеть от индивидуальных особенностей исследователей. Нечто подобное приведенной на рис.1 зависимости я ожидал увидеть. Но увидев то, что ожидал, понял, что я не в силах это принять. То есть, у меня появилась уверенность, что этого не может быть. По психологическому воздействию на мою слабую психику это оказалось почище момента обнаружения новой колебательной системы.

Несколько лет я улучшал свою измерительную аппаратуру, уменьшал ее погрешность с тем, чтобы доказать, что скорость распространения поля упругих колебаний в однородных твердых средах есть величина постоянная и одинаковая во всех точках объекта. Однако чем точнее были измерения, тем явственнее был этот обнаруженный мною эффект.

И всё-таки, в конце концов, как оказалось, величина скорости Vфр.(h) в слоях-резонаторах оказалась величиной постоянной. Скорость - параметр векторный, и вектор скорости в приповерхностных зонах по модулю остается постоянным, но поворачивается, что при измерении х-составляющей скорости проявляется как уменьшении скорости. Но об этом мы поговорим попозже.

Это время моих внутренних мучений и метаний даром не пропало, и мне удалось обнаружить несколько материалов, в которых скорость постоянна, и около границ не снижается. Это оказалось оргстекло, некоторые пластмассы и некоторые сорта угля. Так вот, ОБЪЕКТЫ ИЗ ЭТИХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА НЕ ПРОЯВЛЯЮТ.

И теперь можно было сказать с уверенностью, что условием того, чтобы объект был резонатором, является наличие у него приповерхностных зон, в которых скорость распространения поля упругих колебаний уменьшается с приближением к поверхности.

Таким образом, слои из подавляющего большинства твердых сред (стекло, металлы и сплавы, керамика, горные породы) получили право считаться резонаторами, а аппаратура «Резонанс» получила право на проведение измерений в условиях шахт с тем, чтобы давать надежный прогноз горно-геологических условий.

Строго говоря, механизм преобразования удара в синусоиду не найден и по сей день, но найдены условия, при соблюдении которых это преобразование происходит.

Начиная с этого момента, я мог спокойно утверждать, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем. Но при этом же обнаружилось и нечто очень интересное. Получается, что колебательными системами являются все объекты из металлов, сплавов, керамики, стекла... И в том числе, и сейсмоприемники, с помощью которых следует изучать поле упругих колебаний в земной толще! Но ведь нельзя же изучать свойства колебательных систем с помощью других колебательных систем!!

Вот эта тема, эта детективная линия из прошедших 35 лет занимает все 35 лет. В какой-то степени эту проблему удалось решить, но как рассказать об этом в примитивном «научном детективе», еще надо подумать.

По законам жанра, в ходе расследования детектива следователь должен неожиданно получить информацию, которая круто изменит весь процесс. Такую информацию я получил в 1986-м году, когда рвануло в Чернобыле.

Если кто помнит, там всё началось с перенастройки турбины. Как оказалось, при этом возникла вибрация на корпусе турбины, амплитуда которой плавно увеличивалась и достигла колоссальной величины. Потом был взрыв. На самом деле, взрывов было два, с интервалом примерно в полминуты. Эти взрывы в виде сейсмотолчков зарегистрировали сейсмологи всего Мира. Первый толчок завершил рост амплитуды вибрации, а уже второй - взрыв реактора.

На самом деле, как я узнал совсем недавно, вибрация на 4-м блоке ЧАЭС началась задолго до аварии. Работники АС решили, что нужно отбалансировать турбину, но это ничего не дало. Вибрация увеличивалась, и было решено разобраться с этим в июне 1986г., но авария произошла в конце апреля...

Здесь имеем полную аналогию с Саяно-Шушенской ГЭС. Здесь тоже вибрация началась задолго до аварии, и тоже балансировка турбины ничего не дала. Рост вибрации возникает либо при изменении скорости вращения и приближении ее к собственной частоте колебательной системы, находящейся в основании машины, либо, при постоянной скорости вращения, вследствие возникновения новой частоты колебательной системы, находящейся в основании машины.

На Саяно-Шушенской ГЭС новые частоты возникали из-за образования новых трещин в теле плотины. Из-за чего они возникли на ЧАЭС - не знаю. Роковой рост вибрации на ЧАЭС начался при изменении частоты вращения турбины 26.04.86....

Если рост амплитуды вибрации на резонансе достигает величины, при которой разрушается самое слабое звено, то происходит авария. Если слабое звено - грунт, то мгновенно, взрывоподобно в грунте образуется воронка, и обломки турбины туда проваливаются. Так было на ЧАЭС, и это был первый толчок, зарегистрированный сейсмологами.

Если опора турбины - железобетонная плита, то слабым звеном оказывается сама турбина, и ее срывает со стопоров. Так было на СШГЭС, что тоже было зафиксировано в виде сейсмотолчка.

А второй взрыв на ЧАЭС - взрыв реактора. Подробнее ничего сказать не могу. Там же всё ужасно секретно. От кого, правда, не знаю. Наверное, от нас с вами. По логике, вроде, там, под турбиной, должна была быть какая-то полость. Иначе, куда бы ей проваливаться?

Вся эта информация выдавалась порциями, и первоначально известно было только про растущую вибрацию. И вот тут меня осенило. Граждане дорогие, ведь это же классическое резонансное разрушение!

Нет радиста, который не знал бы этого явления. Резонанс возникает при совпадении собственной частоты колебательного контура (колебательной системы) с частотой внешнего воздействия. Если на колебательный контур подать электрическое напряжение с частотой, совпадающей с его собственной частотой, амплитуда этого напряжения начинает расти, и может увеличиться в десятки, сотни и даже тысячи раз.

Эпоха открытия колебательного контура, создания генераторов переменного тока и трансформаторов сопровождалась многочисленными авариями, когда по неизвестным еще тогда причинам, непонятно откуда возникало огромное напряжение, которое никто не создавал, и пробивались конденсаторы, и горели трансформаторы.

Ну если представить себе уровень людей того времени, ведь это же невероятно, когда на контур подают, скажем, 10 вольт, а оно непонятным образом возрастает до 1000 вольт! Как и всегда, когда физика переживает трудности, возникали сомнения в обязательности исполнения закона сохранения энергии.

Ох и много же бед было, пока формировалось понимание резонансных явлений. Сейчас эта стихия усмирена, и существует тест на уровне таблицы умножения: если начинается неуправляемый рост амплитуды переменного напряжения, который заканчивается пробоем или возгоранием, значит, имеет место резонансное разрушение.

Узнали событие на Чернобыльской АЭС? Только речь идет не об электрических колебаниях, а о механических, и не об электрическом колебательном контуре, а о механической колебательной системе, залегающей в земной толще под АЭС. Вот, изменилась частота вращения (вибрации) генератора, и угодили в резонанс...

Механики тоже знают резонансные явления. Историю с мостом, по которому маршировали солдаты, знают все. На самом деле, таких историй было очень много, пока не сообразили, каким образом происходят разрушения мостов.

Но как же я сразу, еще в 1977 году, не сообразил что если земная толща - это совокупность колебательных систем, то резонансных явлений не избежать!.. Ведь сколько вокруг нас происходит аварий, которым предшествует возникновение и рост вибрации! Вот, например, одна из последних, авария на Саяно-Шушенской ГЭС, где вибрация, по показаниям их собственных самописцев, возросла в 600 раз, прежде чем генератор сорвало со стопоров. А на самом деле, таких аварий очень много.

Любой вибрирующий объект, оказавшись в реальных условиях работы, при установке на грунте, а стало быть, на совокупности колебательных систем, сразу попадает в группу риска. А ведь что такое вибрирующие объекты? Это же как раз то самое, что определяет уровень нашей цивилизации. Это электростанции всех типов, насосные станции, турбины разного рода, железнодорожные составы...

Внешнее вибрационное воздействие, которое входит в резонанс с залегающей в земной толще колебательной системой, не всегда легко обнаружить. Так, 3 марта 2009 года внезапно обрушилось шестиэтажное здание архива в Кёльне. Очевидцы рассказали Reuters, что перед обрушением наблюдался грохот и сильная вибрация. «Стол, за которым я сидел, качнулся, и я подумал, что кто-то случайно задел его ногой, - сказал один из посетителей архива. - Потом все начало трястись, как во время землетрясения». Дом превратился в груду кирпичей буквально за секунды. Представитель полиции сказал журналистам, что «это было похоже на взрыв»: кирпичи, доски и куски цемента разлетелись по тротуару в радиусе до 70 метров. Под зданием архива проходит ветка метро, тоннель которой тоже обвалился. Источник вибрации находился в тоннеле метро. (http://www.gazeta.ru/social/2009/03/04/2952320.shtml)

На самом деле, всё произошло в результате бурения в тоннеле метрополитена, проходящем под этим архивом. Естественно, что если не знать физику резонансного разрушения, то представить себе, чтобы работа какого-то маломощного бура привела к разрушению 6-хэтажного здания, невозможно.

И кстати, в Кёльне же сейчас происходит продолжение той же истории. Там проложили тоннель метрополитена непосредственно под Кёльнским собором, и каждый проходящий там подземный поезд вызывает жуткую вибрацию всего собора. Немецкие физики и геофизики, поддерживающие мою точку зрения, пытаются донести ее до власть имущих людей, чтобы сохранить собор от разрушения. Успеют ли они сделать это до того, как собор разрушится?...

Известно, что количество техногенных катастроф растет (в денежном выражении) синхронно с ростом энергообеспечения нашей планеты. В течение второй половины ХХ века энергообеспечение планеты возросло в 10 раз. Также в 10 раз возросли потери в результате техногенных катастроф - с 70 до 700 миллиардов долларов в год. Теперь-то нам понятно это совпадение.

И еще одна информация, заставившая по-новому посмотреть на такое, казалось бы, известное явление как землетрясения.

Попав случайно на конференцию, занятую рассмотрением землетрясений, я узнал очень для меня интересную вещь. Оказывается, каждому землетрясению предшествует возникновение и рост амплитуды какой-то низкочастотной вибрации непонятного происхождения (!!), который завершается сейсмотолчком. Опять признак резонансного разрушения?.. Землетрясение как результат резонансного явления?..

С одной стороны, это логично. Если земная толща представляет собой совокупность колебательных систем, то и всё, что происходит на Земле должно каким-то образом быть с этим связано. Но тогда что же работает источником внешнего динамического (вибрационного) воздействия? Вот об этом немного подробнее.

Геодезистам хорошо известно явление, которое заключается в том, что в некоторых местах на земле грунт находится в неспокойном, подвижном, колебательном состоянии. Как удалось выяснить с помощью геодезической аппаратуры, период этих колебаний - минуты, и поэтому просто увидеть это явление невозможно, несмотря на то, что амплитуда колебаний может достигать 10см. Это явление получило название планетарной пульсации.

Планетарная пульсация создает серьезные проблемы для геодезистов. Так, при установке опорных (реперных) точек, в зоне пульсации недопустимо возрастает погрешность определения местонахождения этих точек.

Как удалось выяснить, планетарная пульсация наблюдается не где угодно, а только в определенных зонах. Одна из сложностей изучения этого явления состоит в том, что оно весьма нестабильно. Нестабильно как по величине периода колебаний, так и по их амплитуде. То есть, если сегодня частота пульсации имеет какое-то значение, то завтра может иметь совершенно иное значение, и вовсе исчезнуть на время. Но тем не менее, если отбросить эти непонятности, то можно предположить, что планетарная пульсация - это как раз тот самый источник внешнего динамического воздействия, которое инициирует природные землетрясения. Это предположение полностью подтвердилось, но об этом - в следующем разделе нашего детектива.

Я показал всего лишь одну веточку древа познания, которое растет из одного-единственного физического эффекта. В ходе поисков физики этого физического эффекта (прошу прощения за невольный каламбур) было обнаружено еще несколько физических эффектов, каждый из которых стал корневой системой своего дерева, и процесс этот бесконечен. Одним словом, обычный научный детектив...

Вот так может выглядеть сейсмосигнал:

Вот так может выглядеть сейсмосигнал
Рис. 2

Здесь хорошо видно, что в момент времени около 60мс произошло ударное воздействие, которое возбудило сразу две колебательные системы. Как если бы мы ударили сразу по двум клавишам рояля. Наиболее высокочастотная составляющая затухла примерно к 2000мс, и осталась одна, более низкочастотная составляющая.

2. Тектоника

Волею Случая, я, радиоинженер по образованию, был (в 1973 году) вовлечен в детективную историю. Так получилось, что мне дали читать курс для студентов горного факультета Ленинградского Горного института (ЛГИ). Получив задание подготовить курс шахтной геофизики, я, естественно, приступил к постановке лабораторных работ. Геофизика - это ведь физика, а следовательно, лабораторные работы должны составлять основу такого курса. Они должны демонстрировать физические эффекты, которые лежат в основе геофизических методов, и тогда на лекциях можно излагать их теоретические основы.

Что касается электроразведки, магниторазведки и радиоактивных методов, то именно так и был построен мой курс. Однако самым представительным геофизическим методом является сейсморазведка, и вот с ней возникли проблемы. Как оказалось, ни одно положение сейсморазведки экспериментально подтвердить нельзя. Как я в дальнейшем выяснил, именно по этой причине ни в одном учебном заведении Мира не существует лабораторных работ по сейсморазведке. Как читать такой курс - мне было непонятно.

Я не собирался ничего проверять, а тем более, опровергать в сейсморазведке. И командировка в угольную шахту для осуществления сейсмоизмерений предполагалась мною для набора материала, необходимого для лекционного курса. Однако вместо этого я обнаружил колебательные свойства породных слоев, о чем и написал в 1-м разделе.

В связи с этим, лето 1977 года стало для меня отсчетной точкой для всей дальнейшей жизни. Кроме того, что обнаруженный тогда эффект является поворотным пунктом для всех землян (о чем они еще не подозревают), он сказался на моей личной судьбе. Здесь есть несколько моментов, о которых я не знал, рассказывать или нет. Но поскольку это полезно для всех, кто когда-либо обнаружит новый физический эффект, то, думаю, я должен об этом написать.

С одной стороны, поскольку физика есть совокупность физических эффектов, то обнаружение нового физического эффекта есть, по сути, создание еще одного кирпичика здания физики, и поэтому, безусловно, является положительным моментом. С другой стороны, любой новый физический эффект неизбежно перечеркивает какую-то часть предыдущего знания.

Представьте себе, что вы являетесь большим научным авторитетом в какой-то области знания. Что вы будете чувствовать, что вы будете делать, если вдруг обнаружится некий физический эффект, доказывающий ошибочность общепринятых на данный момент представлений в вашей области знания? Поскольку ни один человек не знает, как он поступит в ситуации, в которой он еще не был, то я на этот вопрос отвечу сам. Вот начиная с того поворотного момента 1977-го года не было ни одного ученого в той области знания, в которую я нечаянно попал, который не пытался бы как-то уничтожить информацию об эффекте, описанном в 1-м разделе, и сам источник этой информации, то есть, меня.

Непосредственных причин этого много. Одна из них заключается в том, что неразработанных тем не существует. Что это значит. Вот, допустим, существует такое явление как внезапное обрушение пород кровли в шахтах. То, что оно называется внезапным, является признанием его непрогнозируемости. Попытки найти ключик для прогнозирования обрушения делаются много лет во всех странах и во всех горняцких научных коллективах. Но это всё попытки неудачные. Однако это не мешает такую работу поставить как тему диссертации.

То, что отрицательный результат тоже результат - чистая демагогия. Признания неудач мы никогда не найдем ни в статьях, ни в диссертациях. Более того, необходимый для защиты «акт о внедрении» будет содержать свидетельство того, что эта проблема решена. Дальнейший путь этой липы очевиден. Она попадает в учебники, в нормативные документы и т.д. А теперь представим себе, что исследовательский метод, созданный на основе нового физического эффекта, действительно позволяет прогнозировать обрушение пород. Понятно, что все эти великие ученые, которые считаются людьми, решившими эту проблему, приложат все силы, чтобы не потерять свой статус разработчика методики.

Вот примерный перечень методов воздействия на виновника сложившейся ситуации. То бишь, на меня. Остановка финансирования работы моей группы, уничтожение моих отчетов, отстранение от чтения курса, который я читал студентам, а также на факультете повышения квалификации шахтным геологам, принятие решения о запрете моих публикаций, попытки увольнения, угрозы физического воздействия... Всё это шло с самого что ни на есть верха, от самогó ректора ЛГИ. Естественный и неизбежный вопрос: как же мне удалось противостоять всему этому потоку негатива?

Дело в том, что главное направление моей работы, которое возникло сразу после обнаружения этого главного физического эффекта - это разработка методики прогнозирования обрушения пород кровли в подземных выработках. Работа эта велась мною на нескольких шахтах в различных угольных бассейнах, причем в постоянном контакте с шахтными геологами и при их помощи и поддержке. Еще раз скажу, что это важнейшая работа для обеспечения безопасности шахтеров. Вот шахтные геологи и оказались той стеной, об которую разбивались все попытки враждебных к моей работе сил.

Это как-то получилось само собой. Когда я пришел читать геологам, как я полагал, последнюю свою лекцию, и сказал им, что отныне тематика исследований завершается по таким вот причинам, то они, не сказав ничего мне, отправили информацию об этом в Отдел Науки ЦК КПСС, и меня на какое-то время оставили в покое. Это был 1983 год. Я это знаю, потому что когда нас, наконец, всё-таки уволили из ЛГИ, был 1993 год, и мои коллеги, которые (в отличие от меня) всё помнили, предложили отметить 10-летие этого события. Я этот прием использовал потом несколько раз, до тех пор, пока не исчез этот самый ЦК...

Для того, чтобы иметь основание и право написать о нашей работе хотя бы в таком популярном виде, приходится непрерывно, начиная с самого 1977 года отрабатывать метрологические аспекты всего того, что у нас получается. Ведь когда мы произносим слово «измерение», всегда следует помнить и учитывать, что измерение - это сравнение с эталоном. И без понимания погрешности измерений не может быть самих измерений. Но с другой стороны, не может существовать эталона в той области знания, которая только зарождается. При том, что без метрологической проработки невозможно получить повторяющиеся результаты при многократном исследовании одного и того же объекта.

Соблюдение метрологических принципов при проведении исследований - это отдельный детектив, сопутствующий основному, и не менее увлекательный.

Когда мы читаем захватывающий детектив, и горло перехватывает от страха за судьбу героя, мы всё равно понимаем, что автор не даст ему пропасть. Здесь же автор - Природа, коварству которой нет предела. И только тебе покажется, что начинаешь что-то понимать, как немедленно получаешь щелчок по носу. С Природой можно договориться, но только на очень короткое время, и вся жизнь в этом детективе - от щелчка до щелчка. Зато положительные эмоциональные переживания в промежутках между ними не сравнимы ни с чем.

Так, когда я пришел к выводу, что скорость движения фронта поля упругих колебаний в объектах из большинства твердых сред должна уменьшаться с приближением к границам, то первым делом возник вопрос: а как в этом убедиться? Нужно определить изменение скорости ВНУТРИ объекта. А как туда попасть, не нарушая сплошность, не создавая дополнительной границы? В принципе, такие задачи решаются методом мозгового штурма. Для того, чтобы решить головоломную задачу, нужно многократно произнести ее вслух в присутствие умных критиков. При таких условиях решение может прийти само. Но в данном случае, сама идея возможности непостоянства скорости представлялась настолько бредовой, что желающих обсудить ее не было.

Промучившись месяц, я нашел решение. И умирал от смеха, настолько оно оказалось простым. Ведь скорость не измеряется. Она вычисляется. Скорость - это отношение расстояния, пройденного объектом (не важно, вещественный это объект или поле) к временн?му интервалу, в течение которого объект преодолеет это расстояние. Иными словами, определяемая в эксперименте скорость всегда есть СРЕДНЯЯ скорость. Она усреднена по заданному расстоянию. Так ведь ясно же, что если скорость во всех точках объекта одинакова, то средняя скорость, определяемая путем сквозного прозвучивания пластин, не будет зависеть от толщины пластины. А если существуют приповерхностные зоны, в которых скорость движения фронта уменьшается при приближении к границе, то чем тоньше пластина, тем влияние приповерхностной зоны больше, и тем средняя скорость меньше.

А дальше произошло нечто очень интересное, но уже в психологическом плане. Взял я стальной пруток диаметром около 6см и отрезал на токарном станке три ломтика разной толщины. Обработал их на плоско-шлифовальном станке, и собрал установку для сквозного их прозвучивания и определения скорости распространения фронта волны. И когда осталось только включить аппаратуру и произвести измерения, я понял, что не могу это сделать. Ну, просто руки не повиновались. Вот уж не ожидал я от себя такого малодушия. Я не могу объяснить этого состояния. Одним словом, попросил я своих коллег осуществить эти измерения, а сам ушел бродить по городу. Если точнее, то по залам Эрмитажа, благо что от Горного института до Эрмитажа 20 минут ходьбы по самой на Свете красивой набережной Невы. О психотерапевтическом воздействии некоторых мест Эрмитажа мне известно давно.

Вернулся я в конце дня, и застал своих коллег в лаборатории, измеряющими скорость во всех трех пластинах. Здесь дел-то на две минуты, неужели надо было этим заниматься целый день? Оказывается, они действительно все сделали за две минуты, но обнаружили, что скорость в пластинках разная. Чем толще пластинка, тем больше скорость... Поскольку такого быть не может, то они переругались и целый день перепроверяли.

Это всё лишний раз показывает, что человек может воспринять, может услышать только привычную информацию. А то, что я им говорил, что скорость должна уменьшаться с уменьшением толщины, они просто не услышали.

1993 год, когда мы лишились работы, стал очередной точкой отсчета. Что творилось в России, известно. Страшная безработица, большинство организаций просто исчезло. Мы потеряли вместе с работой также и допуск в шахты. Прежде чем окончательно погибнуть как исследовательской группе, мы сделали попытку осуществить спектрально-сейсморазведочное профилирование (ССП) так же, как до сих пор это делали в подземных выработках, но, как принято говорить, с дневной поверхности, по травке.

Надежды, что из этого что-нибудь получится, не было, так как очень уж различаются геологические условия при работе с поверхности или на большой глубине. На глубине, в шахтных условиях, горные породы резко отделяются одна от другой. Как говорят геологи, породы литофицированы. То, что залегает на малых глубинах, нельзя даже назвать породами. Супеси, суглинки...

Тем не менее, километровый профиль был сделан, и на ССП-разрезе была видна слабая горизонтальная слоистость, естественная для осадочных пород. Кроме того, на этом разрезе прорисовалось четыре объекта, имевшие воронкообразный (V-образный) вид. Острия воронок находилось на глубине около 150м, а верх - на 50м. Что бы это было такое? Подобные объекты геологам были неизвестны. И только радоновая съемка показала очень большое превышение уровня радона в этих зонах, что является признаком проявления тектоники. Таким образом, выяснилось, что аппаратура ССП способна выявлять зоны тектонических нарушений (ЗТН).

Это оказалось интереснейшей темой. Согласно существующей литературе, наука о тектонике, в общих чертах, уже завершена (уже интересно). Согласно, опять же, литературе, тектонику выявляют практически все геофизические методы. На деле, оказалось несколько иначе.

Необходимо остановиться на заявлении о завершении развития какой-либо области знания. Познание бесконечно, и никакая область знания не может оказаться завершенной. Более того, как это известно из истории физики, как только возникает такое мнение, происходит рывок в познании, и это заявление предстает смешным мифом на детском уровне.

Итак, о тектонике. В результате проведения самого первого ССП-профиля мы обнаружили, что сооружения, находящиеся в непосредственной близости от воронкообразных объектов, имеют явные признаки разрушения. В стенах домов были видны субвертикальные и косые, между углами оконных переплетов, трещины. Четыре совпадения из четырех возможных - это уже не просто совпадение. Это закономерность. Механизм разрушения инженерных сооружений в ЗТН был непонятен, но тем не менее, мы начали осуществлять планомерные проверки этой закономерности.

Подтверждение получилось практически стопроцентное. Причем, с двух сторон. С одной стороны, мы осуществляли ССП-профилирование в непосредственной близости от визуально наблюдаемых разрушений, а с другой, делали исследования участков, отведенных под стройплощадки, и делали прогноз характера разрушения того сооружения, которое еще не начали строить.

Пусть мы тогда еще не знали тех механизмов, которые вызывали разрушение сооружений, но тем не менее, метод ССП оказался первым исследовательским методом, который способен прогнозировать разрушения инженерных сооружений. Никакой другой метод, в том числе, и из инженерно-геологических методов, на это неспособен.

Несколько слов об инженерной геологии. Эта область знания возникла где-то в середине XIX века, когда было обнаружено, что разрушения инженерных сооружений имеют тенденцию происходить в одних и тех же местах. На основании этого возникло предположение, что причины разрушений следует искать в геологическом строении. В течение последующих 150 лет не удалось существовавшими методами найти эту связь, и за всё это время не было сделано ни одного прогноза разрушения инженерных сооружений. Не знаю, как в других странах, но в России это не помешало созданию огромного количества инженерно-геологических организаций, бурная деятельность которых, по свидетельству строителей, обходится в сумму, составляющую около 10% от стоимости всего строительства.

Впрочем, механизм разрушения инженерных сооружений в ЗТН вскоре был найден.

Механизмом разрушения инженерных сооружений в ЗТН оказалась планетарная пульсация. В результате сотрудничества с геодезистами удалось выяснить, что планетарная пульсация имеет место исключительно в зонах тектонических нарушений. И сразу стал понятен механизм разрушений инженерных сооружений в ЗТН. В самом деле, если часть, скажем, фундамента дома окажется в ЗТН, в условиях подвижного грунта, а часть - на неподвижном грунте, то на границе ЗТН в фундаменте возникают знакопеременные изгибные напряжения, которые вызовут разрушение фундамента и формирование в несущих конструкциях вертикальных трещин.

Надо сказать, что прочнейшие железобетонные конструкции, выдерживающие колоссальные давления, совершенно не выдерживают изгибных напряжений. Поэтому так часты разрушения сооружений, возведенных по технологии монолитного строительства. Поэтому так часто лопаются железобетонные плиты, на которых возводятся дома, причем, даже еще до начала возведения домов. Здесь имеет место парадокс: чем более прочный фундамент, тем больше вероятность его разрушения в ЗТН.

Тектоническое нарушение, как оказалось, представляет собой строго вертикальный геологический объект, уходящий вглубь Земли на колоссальные глубины. Планетарная пульсация разрушает также и горные породы, и поэтому вертикальная структура тектонического нарушения состоит из разрушенных горных пород.

Вертикальность объектов, разрушенных в результате тектонических процессов горных пород обнаруживается и доказывается очень просто. Осуществив разведку с помощью ССП на предмет выявления ЗТН с поверхности земли на шахтном поле, мы тем самым даем информацию о местонахождении участков подземных горных выработок либо уже разрушенных, если профиль прошел над уже пройденными выработками, либо тех, которые будут разрушены после проходки. Эти работы используются в горной промышленности для прогнозирования горнотехнической ситуации. Сравнивая местонахождение контура ЗТН на поверхности с фактическим местонахождением границ зон аварийной ситуации под землей, можно убедиться в том, что структура тектонического нарушения вертикальна.

Обнаружив на дневной поверхности контуры ЗТН, можно быть уверенным, что в пределах этой зоны будет разрушаться не только наземный, но и подземный объект на ЛЮБОЙ глубине.

Поскольку грунт и горные породы в ЗТН находятся в состоянии повышенной нарушенности, то несущая способность грунта в этих зонах имеет пониженное значение, и дома, попавшие целиком или частично в такую зону, целиком или частично уходят в грунт. Разного рода «пизанские» башни, тонущие крылечки и т.п. феномены.

Разрушение инженерных сооружений часто происходит в результате их раскачивания планетарной пульсацией. При этом обрушаются крыши, этажные перекрытия... У таких аварий есть предвестник - образование трещин в полу.

И, наконец, еще два очень интересных свойства ЗТН. Одно из них непосредственно касается нашего здоровья. ЗТН являются геопатогенными зонами. В этих зонах из земли выходят глубинные газы, которые роковым образом воздействуют на всё живое. Больше всего от этого страдают жители первых этажей как наиболее близких к источнику этих газов. В домах, которые оказались в ЗТН, на первых этажах аномально большое количество онкологических больных. Ослабить вредное влияние этих геопатогенных зон можно с помощью постоянного проветривания подвалов. Когда в подвале сквозняк, вредные глубинные газы оттуда выдувает, и они не попадают в дом.

Второе же свойство может быть использовано и во благо. Дело в том, что если забуриться в ЗТН, можно получать воду. Как правило, превосходного качества и в большом количестве. Это свойство широко используется на дачных участках, где до этого положение с водой было просто катастрофическим.

И еще одно очень важное свойство зон тектонических нарушений, физику которого я не могу рассказать подробно в рамках столь легкомысленного повествования. Да, действительно, ВСЯ Земля является совокупностью колебательных систем. Но свойства колебательных систем, залегающих в ЗТН, таковы, что только там возможны резонансные разрушения. И если когда-нибудь возникнет потребность уменьшить количество аварий, обусловленных резонансным разрушением, то с помощью ССП будет возможно выбирать место для вибрирующих установок так, чтобы этих аварий не было.

Я хочу остановиться отдельно на проблеме прогнозирования разрушения инженерных сооружений. Если обратиться к поисковикам, то окажется, что на Земле практически каждый день происходят, что называется, ничем немотивированные разрушения. Но мы нигде не найдем причин этого. Меня поражает, что люди не просто мирятся с этим, но даже наоборот, сопротивляются, если мы показываем эти причины. Ну парадокс же! Теряют своих близких, теряют деньги, жилища... И никакого интереса.

И даже более того, как удалось установить, возникновение аварийных ситуаций ВЫГОДНО, причем тем организациям, которые, по идее, должны с ними бороться. Так, МЧС совершенно открытым текстом объясняет, что его «бюджет зависит от количества не прогнозов, а завалов»... Строители очень любят, когда разрушаются построенные ими объекты, потому что «ремонт - это поток налички», это гораздо выгоднее, чем само строительство. Я мог бы приводить множество подобных фактов, но смысла в этом не вижу. Несчастная страна...

Начиная с 1993 года, с тех пор как мы проводим свои исследования с поверхности земли, зоны тектонических нарушений являются главным объектом наших исследований. При этом количество свойств ЗТН, обнаруженных с помощью ССП, растет год от года. Сейчас можно сказать, что ЗТН являются главным объектом, главным результатом метода ССП. Но возникает вопрос: чего же стоят все эти, в огромных количествах, научные труды, посвященные тектонике, не обнаружившие ни единого свойства этих объектов? Понятно, что среди этих ученых-тектонистов не найдется людей, которым были бы интересны результаты наших исследований.

Мне очень интересно бывает сейчас, после 20-летнего исследования ЗТН, посмотреть содержание высоконаучных трактатов по этой теме. И лишний раз убеждаюсь, насколько Природа изобретательнее любых фантазий.

Тектонические нарушения, или, иначе говоря, разломы, упоминаются во многих областях знания. Но наиболее часто - в разного рода мистических сказаниях. Вот, обсуждается участок дороги, на котором постоянно происходят беспричинные аварии. Не знаю, действительно ли там происходят аварии, но то, что по вине разломов - это точно. Правда, непонятно, как удалось установить там наличие ЗТН? Другого метода кроме ССП для этого не существует, а мы там не работали.

Сейчас вообще появился новый и очень перспективный бизнес. Предприимчивые люди создают для каждого города карту ЗТН, которую еще называют картой геопатогенных зон.

Первая такая карта появилась в СПб. Ее придумали два друга, два умельца, которые, надо сказать, являются видными, известными в городе геологами. Мы несколько раз проверяли соответствие информации, изложенной на этой карте, с фактическим положением дел. Совпадения не было ни разу.

А вот как себя чувствуют люди, обнаружившие по этой самой карте, что место, где они живут, является опасным для жизни... Такая информация не для слабонервных.

А вместе с тем, я сам являюсь свидетелем очень мрачных событий, которые действительно происходили под воздействием ЗТН.

Много лет назад мы снимали дачу в одной из деревень Оредежского района Ленинградской области. Там, в этой деревне была покосившаяся изба, в которой всё время умирали жившие там люди. И взрослые, и дети... От какой болезни - не знаю, но все въезжающие в эту избу, довольно быстро умирали. Когда мы в очередной раз приехали на дачу, на этом месте избы не было. Место, где она стояла, заросло бурьяном, а изба, как нам рассказали, после того как там все умерли, провалилась под землю.

Не скрою, что при всей моей, да и всей нашей семьи атеистичности и неверии в нечистую силу, было нам не по себе. Лишний раз мимо этого места мы старались не ходить. Сейчас мне понятно, что мощная зона тектонического нарушения способна на такие дела. По-видимому, там была мощнейшая геопатогенная зона, убивавшая людей, а погружение в грунт мы наблюдаем повсеместно. Те же крылечки, веранды, да и целые избы.

Сейчас, по сути, такой процесс идет на месте 4-го блока Чернобыльской АС. То, что осталось от 4-го блока, заключили в прочнейший саркофаг. Но он неуклонно погружается в землю и при этом столь же неуклонно разрушается. Типичная история для ЗТН. Да и само резонансное разрушение, которое произошло там в 1986-м году, могло произойти только в ЗТН.

Я случайно узнал, что сейчас в Украине решается вопрос финансирования строительства другого, еще более прочного саркофага. Но дело в том, что не существуют материалы, способные устоять против планетарных сил. Так что можно быть уверенным, что и следующий саркофаг точно так же будет разрушаться.

Вот уже более 35 лет я нахожусь в подневольном состоянии. Меня влечет стремнина научного детектива. С моей точки зрения, это нормальный режим при занятии наукой. Что может быть более увлекательным и интересным, как не создание нового знания! Однако с этой точкой зрения не согласно подавляющее большинство ученых. Кто прав? Наверное, каждому свое. Однако находясь в таком вот режиме постоянного поиска, человек существует в полном одиночестве. При этом нет ничего проще, чем впасть в заблуждение и укрепиться в нем. Для того, чтобы минимизировать этот риск, необходимо искусственно создавать себе общение. Стараться делать доклады, читать лекции, писать статьи.

Занимаясь практически непрерывно написанием статей, я обнаружил интереснейший феномен. Когда я подхожу к необходимости написания статьи, я имею твердое знание, о чем я собираюсь писать. Но по мере того, как она создается, начинаю понимать, что я был неправ. У меня происходит какой-то как бы диалог со статьей, и в конце концов, она как бы САМА вывозит совсем не туда, куда я собирался ее направить.

У меня каждая статья - это жуткое мучение. Я каждый раз буквально до самого конца не знаю ее содержания, и чем всё закончится. Я начал понимать поэтов, когда они утверждают, что стихи пишутся сами. Вот и у меня так же. В процессе написания статьи, как правило, у меня возникают мысли, которых до этого не было.

Нет ничего полезнее, чем вопросы, которые задают во время докладов. Это позволяет увидеть свое дело как бы со стороны. А иногда в процессе общения со слушателями возникают интересные решения. Так, на одном из семинаров, когда я рассказывал о том, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем, у меня спросили, какими размерами ограничиваются размеры самой большой геологической структуры, которая является колебательной системой. Я, не долго думая, сказал, что это диаметр Земли, и мы вместе со слушателями подставили в соотношение (1) (в первом разделе) величину диаметра Земли D, равного, как известно, примерно 12700км (12,7 x 106м). Получился период Т, равный:

T = D / 2500 = 12,7*106 / 2500 ≈ 5000 сек ≈ 83 мин

Результат очень интересный, потому что, по данным сейсмологов, сигнал именно с этим периодом они постоянно наблюдают. Но происхождение его им было неизвестно. Оказывается, что это собственный период нашей планеты как колебательной системы.

Таким образом, возможный диапазон собственных частот колебательных систем, залегающих в земной толще, очень широк и, конечно же, включает в себя частоты планетарной пульсации.

Далее, как было указано, планетарная пульсация ощущается только в ЗТН. Значит ли это, что землетрясение может происходить только в зонах тектонических нарушений, и вне этих зон землетрясение не должно вызывать разрушения? Оказалось, что это действительно так.

В качестве полигона использовалась территория города Гюмри (Ленинакан), сильно пострадавшего во время землетрясения 1988 года, известного как Спитакское. В отличие от Спитака, в Гюмри восстановительные работы длительное время не проводились вовсе, да и сейчас проводятся очень слабо. Там можно увидеть рядом с полностью разрушенными домами сооружения, совершенно не тронутые ни одной трещиной. И вообще говоря, как известно, это так и происходит, когда после как угодно сильных землетрясений среди полной разрухи остаются совершенно нетронутые дома.

Вот несколько слов из описания последствий землетрясения писателя Санчука, бывшего там сразу после землетрясения: «Ленинакан не разрушен полностью. Первое, что повергает в изумление: необъяснимость, вот именно — стихийность случившегося бедствия, разрушившего, скажем, целиком девятиэтажный дом так, что от него осталась только огромная гора обломков и пыли, и при этом оставившего в полной неприкосновенности точно такое же здание в нескольких десятках метров от первого.»

Там же, в Гюмри, мне устроили очень интересную проверку. Мы обошли ССП-профилем храм Ваграмаберд, и выяснили, что в непосредственной близости к храму лишь в одном месте присутствует небольшая ЗТН. Когда после этого зашли в храм, то выяснилось, что именно в этом месте стена пронизана вертикальными трещинами. Как оказалось, это единственный след от землетрясения для этого храма.

Получается, что резонансное разрушение является причиной как природного землетрясения, так и  техногенной катастрофы. Целесообразно поэтому будет называть их соответственно природным и техногенным землетрясением.

После всех этих наблюдений прояснилась логика формирования природных землетрясений. Как уже было сказано в 1-м разделе, планетарная пульсация является принципиально нестабильным явлением. По мере изменения ее частоты, при приближении этой частоты к собственной частоте залегающей в данном месте в Земле колебательной системы начинает увеличиваться вибрация. Если эти частоты приближаются к совпадению, то есть надвигается резонанс, амплитуда вибрации может вырасти до такого уровня, что произойдет разрушение сплошности горного массива, то есть, возникнет сейсмотолчок. Если частота планетарной пульсации останется той же, то опять начнется рост вибрации и произойдет еще один сейсмотолчок. Если частота планетарной пульсации будет уходить от резонанса, следующий толчок будет слабее первого, и его назовут афтершоком.

То есть, дальнейшие события будут зависеть от соотношения частоты планетарной пульсации с частотой резонанса. Контролировать эту частоту не представляет труда, и таким образом, прогноз характера землетрясения не представляется проблемой. Но в любом случае, разрыв сплошности горных пород в зоне землетрясения и зоны наибольших разрушений будут исключительно в ЗТН.

Ну вот, собирался в этом разделе рассказывать только про тектонику, но, видимо на нашей Земле, когда заходит речь о динамических событиях, без резонансных явлений не обойтись.

Занимаясь научным поиском, постоянно ощущаешь бесконечность познания. Обнаружив какое-либо явление или свойство, немедленно сталкиваешься с тем, как эта вновь обнаруженная информация неуправляемо разрастается. Так, не проходит года, чтобы не обнаружилось какое-то новое свойство ЗТН. Только в прошлом, 2012-м году их было обнаружено два.

Первое касается решения проблемы водоснабжения. Как оказалось, если каждая ЗТН является центром разрушения любого инженерного сооружения, то не каждая является точкой водопритока. Так, работая в этом году в Кременчуге, я обнаружил, что мощная зона тектонического нарушения, разрушающая находящиеся в непосредственно близости дома, заборы и пр., при бурении воду не дала. Это очень важный момент. Он заставляет пересмотреть нашу точку зрения, согласно которой, поскольку на Земле нет сколько-нибудь существенных пространств, в которых не было бы ЗТН, то и безводных зон быть не должно. Ну правильно, иногда мы забываем, что Природа хитра, и получаем, в порядке напоминания, щелчок по носу.

Второе же свойство ЗТН, обнаруженное в этом году, носит, я бы сказал, чуть ли не мистический характер. Оно себя обнаружило при установке ветровых электростанций. Первоначально считалось, что ветрогенераторы являются самым надежным и экологически чистым источником электричества. Однако по мере роста количества ветряков в Европе, всё больше стало случаев, когда эти сооружения разрушаются. С наших позиций, это нормально. В том случае, когда ветряк попадает в ЗТН, он должен разрушаться.

Однако сам факт того, что в ЗТН оказался ветряк, не ограничивается его разрушением. Попадание ветряка в ЗТН является причиной заболевания животных в находящихся в этом районе фермах. Причем на расстояниях до 2-3 км от ветряка. Заболевание протекает по следующей схеме. У животных падает аппетит, куры перестают нестись, они становятся агрессивными, на свинофермах и птицефермах начинается каннибализм, у коров падает качество молока. Далее начинается массовая гибель животных.

Как оказалось, аналогичная ситуация возникает, если в ЗТН не ветряк, но любой вертикальный протяженный объект. Будь то мачта ретранслятора или сотовой телефонной связи.

Вот это свойство ЗТН совершенно непонятно. Но непонимание ничего не меняет. Понятно или непонятно, учитывать его необходимо. Как учитывать - понятно. Не строить в ЗТН сооружения, вызывающие заболевания животных.

Несколько слов о понятных и непонятных эффектах. За прошедшие с 1973-го года 40 лет было обнаружено много нового как в области физики поля упругих колебаний, так и в производных областях, возникших в результате эксплуатации новых физических эффектов. Почти все эти находки вначале были совершенно непонятными. И каждый раз я думал, что мне не хватит жизни, чтобы их понять. Я искренне считал, что ничего страшного в этом нет. По мнению историков физики, из примерно тысячи открытых в течение всей нашей цивилизации физических эффектов около половины так и остаются непонятными по сей день. Но это не мешает их эксплуатировать.

Интересно то, что потихоньку и не торопясь, шаг за шагом, удалось разобраться почти со всеми этими нашими непонятками. Я всегда считал, что в жизни всё происходит само собой, и это постоянно подтверждается в ходе моей детективной истории.

Зоны тектонических нарушений - это болевые точки планеты. Как и болевые точки организма, они требуют тщательного изучения и бережного к ним отношения. Не сомневаюсь, что со временем будут созданы научные центры, изучающие их соответствующей аппаратурой и на должном метрологическом уровне.

Так может выглядеть на ССП-разрезе зона тектонического нарушения при пересечении ее ССП-профилем:

Так может выглядеть на ССП-разрезе зона тектонического нарушения при пересечении ее ССП-профилем
Рис. 3

Профилирование делалось с шагом 1м. Каждый вертикальный объект на этом разрезе есть не что иное, как спектральное изображение сейсмосигнала, полученного в данной точке. Частоты спектра пересчитаны в глубины с помощью соотношения (1). Каждый раздув - это изображение одной спектральной составляющей. Чем больше раздув, тем более сокрушительным будет резонансное разрушение.

3. Тема скорости

Сейсморазведка - это, по сути, модификация локационного метода. Ударным воздействием создается упругий импульс, который распространяется в земной толще, отражается от залегающих там границ и возвращается к земной поверхности, где стоят сейсмоприемники. Определяя время, потраченное импульсом на прохождение до отражающей границы и обратно, а также зная скорость этого распространения, мы без труда определим глубину залегания этой отражающей границы. Ведь это локация в чистом виде! Идея сейсморазведки столь проста и прозрачна, что никаких препятствий для получения информации не видно.

Локация вообще очень простой и наглядный метод, будь то радиолокация, гидролокация или звуколокация (в воздухе). Чем точнее мы знаем скорость распространения соответствующего поля, тем точнее можно определять расстояние до отражающего объекта. Поэтому измерение скорости - это очень важный момент для реализации локационного метода.

Понятно, что первая лабораторная работа, которая пришла мне в голову - это определение скорости распространения упругой волны в образцах различных твердых сред. Дело это казалось очень простым. Поделив размер образца l на время Δt, в течение которого поле упругих колебаний преодолевает это расстояние, получим скорость. Понятно, что это средняя скорость. Она усреднена по размеру образца l.

Принцип определения этой скорости тот же, что и для бегуна, время пробега которого - от момента старта до момента, когда он порвет финишную ленточку. Момент разрыва финишной ленточки называют еще моментом первого вступления. Применительно к распространяющемуся полю - такую скорость называют скоростью распространения фронта волны Vfr.

Как предполагалось, задача этой лабораторной работы заключалась в том, чтобы показать, что если материал образца однороден, то поле упругих колебаний распространяется внутри этого образца во всех направлениях с одинаковой скоростью. То есть, Vfr есть величина постоянная и не зависит ни от размера образца, ни от направления распространения поля. Это специально нигде не оговаривается, поскольку одинаковость скорости распространения фронта Vfr в однородных изотропных средах не может подвергаться ни малейшему сомнению. Вот это я и хотел, чтобы студенты это свойство различных материалов подтвердили своими руками.

Но в ходе постановки этой лабораторной работы я опять вынужден был воскликнуть: «Не может быть!». И опять превратился из заурядного преподавателя-почасовика в детектива.

Более однородного материала, чем обычное стекло, представить себе трудно, и я назначил на роль модели стеклянный лист размером метр на метр и толщиной 2см. Схема эксперимента и его результаты приведены на рис.4.

Более однородного материала, чем обычное стекло, представить себе трудно, и я назначил на роль модели стеклянный лист размером метр на метр и толщиной 2см. Схема эксперимента и его результаты приведены на рис.4
Рис. 4

и - источник импульса. Им может служить либо падающий с небольшой высоты маленький (2-3мм) стальной шарик, либо кусочек пьезокерамики, возбуждаемый коротким электрическим импульсом. При этом результат измерений будет один и тот же.

п - пьезокерамические приемники. (Известно, что пьезокерамика обратима, то есть один и тот же кусочек пьезокерамики может работать как излучателем, так и приемником). Значок  означает, что приемник воспринимает сигнал при сквозном прозвучивании модели.

При сквозном прозвучивании стеклянной модели скорость в секле Vfr≈6000м/с. Это вполне соответствует представлениям о скорости продольных волн Vl в стекле. Но вот если посмотреть распространение поля вдоль модели, то увидим, что скорость, определяемая с помощью приемника п=5, равна примерно половине Vl.

Половина продольной скорости... Может быть, речь идет о том, что вдоль пластины распространяются поперечные волны, скорость которых как раз и равна примерно половине скорости продольных волн? В литературе встречается по этому поводу что-то неотчетливое. Во всяком случае, у всех, с кем я пытался консультироваться, возникло предположение, что с уменьшением величины l скорость должна бы приближаться к Vl.

Однако с приближением приемника к излучателю определяемая скорость стала уменьшаться. На расстоянии l0, когда погрешность увеличивается до предельного разумного значения (что показано толщиной графика 1), определяемая скорость уменьшилась чуть ли не в 10 раз, до 0,1Vl.

Здесь стало окончательно понятно, что ничего непонятно. При дальнейшем развитии подобных измерений понимание происходящего уменьшилось еще более.

Так, при проведении подобных измерений на геометрически подобных объектах из различных материалов оказалось, что в пластинах из подавляющего большинства материалов зависимость скорости от l такая же, как в стекле (график 1). Но при этом оказалось, что в некоторых материалах величина определяемой скорости постоянна и не зависит от l (график 2). К таким материалам относится оргстекло.

Опять это оргстекло! Оно ведет себя как отличник в классе, где все остальные - живые ученики (их принято называть разгильдяями). У меня стало складываться впечатление, что наука о поле упругих колебаний писана только для оргстекла. Собственные колебания в нем не возникают, и скорость одинакова во всех точках...

Естественно, что первым делом я стал консультироваться по этому поводу с коллегами. Реакция на график 1 была однозначна. По мнению коллег, мои измерения не являются метрологически корректными, поскольку я не соблюдал соотношение между размером образца и длиной волны. Это, как мне известно, является универсальным возражением на все случаи, когда результаты измерений не удовлетворяют взыскательную аудиторию.

Но на самом деле, ведь длина волны - это отношение скорости волнового процесса к частоте этого процесса. В данном же случае, когда объектом исследования является момент первого вступления, понятие длины волны не имеет смысла. Ведь момент - это всего лишь отрезок времени, стремящийся к нулю. Он разделяет два состояния - отсутствия и наличия сигнала. Он не характеризуется собственной частотой. Но тем не менее, эта абракадабра так прочно застряла в мозгах высоколобых коллег, что никакие возражения и аргументы не помогали. Тогда я избрал другую тактику.

Я поставил две совершенно одинаковые лабораторные установки, подобные показанной на рис.4. На одной из них можно было исследовать лист стекла, а на другой - лист оргстекла. Демонстрация лабораторной работы с оргстеклом, завершающаяся получением графика 2, вопросов не вызывала. Это измерение признавалось метрологически корректным. Переход к исследованиям стеклянного листа ставил коллег в тупик. Назвать метрологически некорректной установку со стеклом после того как точно такие же измерения с оргстеклом были признаны корректными, язык всё-таки не поворачивался. Из чего я понял, что подобные измерения никто никогда не делал.

Но что-то такое непонятное при определении скорости известно. Дело в том, что на любой геофизической конференции обязательно возникает спор о том, как следует определять скорость распространения упругих колебаний. Существует три предложения. Первое - это определение скорости методом регистрации момента первого вступления. То есть, так же, как это делаем мы. Второе - по моменту прохождения первого «сильного» экстремума при плавном нарастании колебательного процесса в точке приема. И третье - по моменту прохождения «центра тяжести» колебательного процесса в точке приема.

Все эти споры бесконечны, но ведутся они между людьми, которые практическими измерениями не занимаются...

Судьба этой лабораторной работы была очень непростой. Студентам я ее дать не мог, потому что и сам не понимал и не мог объяснить то, что мы получали с ее помощью. Но ясно было, что результаты измерений как-то связаны с тем, что модель из оргстекла является нерезонатором, тогда как модели из других материалов резонаторы.

Некоторый путь к пониманию этих результатов измерений обозначился при знакомстве с затуханием поля упругих колебаний.

4. Затухание поля упругих колебаний

Не открою Америки, если скажу, что поле упругих колебаний при своем распространении уменьшается по амплитуде, то есть, затухает. Но вот за счет чего?

Необходимость рассмотреть отдельно физику затухания поля упругих колебаний возникла при измерениях, позволяющих определять скорость распространения фронта упругих колебаний вдоль плоскопараллельной структуры. Дело в том, что при проведении измерений скорости распространения сигнала вдоль стеклянного слоя амплитуда вполне достаточна, чтобы получать надежные результаты, а при подобных же измерениях в оргстекле амплитуда уменьшается очень быстро.

При этом, при сквозном прозвучивании амплитуды сигналов одинаковы в стекле и в оргстекле.

На рис.5 показаны зависимости амплитуд от расстояния l до излучателя. Измерительная установка использовалась та же самая, что и при определении скорости (рис.4).

На рис.5 показаны зависимости амплитуд от расстояния l до излучателя.
Рис. 5

Ось ординат - амплитуда сигнала в относительных значениях. За максимальную амплитуду берем значение, получаемое на минимально возможном расстоянии от излучателя (l0)

График а получается для листа из оргстекла. В полном соответствии с общепринятым подходом, при l≤h фронт волны имеет сферическую форму, и амплитуда сигнала затухает пропорционально увеличению площади сферического фронта. Далее, при l≥h фронт волны имеет цилиндрическую форму, и скорость затухания (dA/dl) уменьшается. В оргстекле амплитуда сигнала с удалением от источника уменьшается настолько, что на расстоянии, большем, чем 2÷3h, она соизмерима с помехами. Это определяется не затуханием (поглощением) в материале, а исключительно геометрическим фактором - увеличением площади фронта.

При исследовании стеклянной пластины амплитуда сигнала сначала, при малых значениях l уменьшается с такой же скоростью, что и в оргстекле, но затем, при дальнейшем увеличении l начинается рост(!!) амплитуды, и при l≈h наблюдается положительный экстремум. Он раза в полтора превышает значение амплитуды при l=l0. Затем, при дальнейшем удалении приемника от излучателя амплитуда сигнала сначала немного уменьшается, а затем почти не изменяется.

Здесь сплошное «не может быть». Увеличение амплитуды с удалением от источника - этого не просто не может быть. Это немыслимо. Так же точно, как постоянство амплитуды сигнала при увеличении l.

Если подойти методологически грамотно, то не может быть только того, что не подтверждается экспериментами. Но не до такой же степени!

На самом деле, главное «не может быть» - это ход развития или, правильнее сказать, режим существования раздела физики, посвященного полю упругих колебаний. И ведь нельзя пожаловаться на недостаток фундаментальной литературы по этой теме. Это отдельный том Фейнмановских лекций, том Ландау и Лифшица по теоретической физике, масса трудов по физике твердого тела, посвященных полю упругих колебаний...

Поразительно то, что все они представляют собой переписывание одного и того же материала. Вот это первое, что меня удивило при первом же знакомстве с этими, извините, первоисточниками. Когда мои коллеги по кафедре всю жизнь занимаются постоянным переписыванием одного и того же, это понятно. Ведь главным требованием к научной публикации, к диссертации является отсутствие чего-либо нового. Но Фейнман, но Ландау... Ну зачем бы мне писать статью или книгу, если в ней будет то, что уже всем известно?! Могу себе представить, что было бы, если бы писатели и поэты переписывали друг друга...

Во всех этих книгах масса математики без каких бы то ни было экспериментов. Я убежден, что если бы было хотя бы какое-то экспериментирование, то уж графики а и б на рис.4 им были бы известны. Это самая простая лабораторная работа, которая не требует никакой аппаратуры кроме осциллографа. И как за целый век существования области знания под названием «теория поля упругих колебаний» было не проделать таких элементарных измерений - не понимаю.

График б рис.5 прекрасно воспроизводится также и в условиях угольных шахт, и местонахождение экстремума позволяет определять мощность породного слоя, находящегося непосредственно над головами шахтеров. Аналогичные результаты мы получим при проведении измерений на льду замерзшего озера...

Из рассмотренного здесь эксперимента следует, что вдоль плоскопараллельных структур из стекла, металлов и сплавов, керамики, горных пород распространяется не созданное излучателем поле, а собственный колебательный процесс этих структур.

В структурах из оргстекла собственных колебательных процессов нет, а поле, созданное излучателем, затухает очень быстро и даже при незначительном удалении не чувствуется.

Следовательно, осуществляя измерение скорости распространения поля вдоль плоскопараллельных структур из стекла и т.п., мы определяем скорость распространения не поля, созданного излучателем, а собственного колебательного процесса слоя-резонатора.

Когда я пришел к этому выводу, я осуществил измерения скорости в породных слоях в условиях угольных шахт. При этом оказалось, что величина, к которой асимптотически приближается график 1 на рис.4 - это 2500м/с. Эта величина была получена в известняковых плитах на шахтах, добывающих горючие сланцы, а также на угольных шахтах при залегании в кровле песчаников, алевролитов, аргиллитов.

При этом возникло предположительное понимание того, почему скорость распространения вдоль слоев-резонаторов уменьшается вблизи источника поля. По всей видимости, это происходит потому, что вблизи точки ударного воздействия имеет место ближняя зона, которая является зоной формирования собственного колебательного процесса. Ну, а ближняя зона - она и в электродинамике, в курсе антенн является такой зоной, в которой далеко не всё понятно...

5. Эффект АРП

На всех моих докладах мне ставят в упрек отсутствие математического анализа. В связи с этим считаю необходимым сделать некоторые заявления.

Столько лет, сколько существует физика или, как раньше ее называли, натурфилософия, существует спор за лидерство между эмпириками (экспериментаторами) и теоретиками. На самом деле, теоретики всегда являются экспериментаторами или, по крайней мере, людьми, способными дать математическое описание экспериментам. Ведь теория, по определению, обязательно базируется на эксперименте и проверяется экспериментом. А те ученые, которые называют себя теоретиками, и при этом не владеют умением экспериментировать, на самом деле, являются просто математиками.

Научно - значит, опровергаемо. Математика же неопровергаема. Математика - это не наука. Это инструмент, позволяющий в лучшем случае формализовать логику, вытекающую из эксперимента. А в худшем и, к сожалению, в подавляющем большинстве случаев, направить науку по пути наукообразия.

Многие математики предлагали мне написать математический текст таким образом, чтобы обеспечить то научное направление, которым я занимаюсь, соответствующим статусом. Но дело в том, что математика может стать инструментом физики, только если аргументы уравнений могут быть определены экспериментально. К сожалению, в физике поля упругих колебаний таких аргументов нет.

Те аргументы, относительно которых написаны узаконенные уравнения этой области знания, экспериментально не выявляются. Это параметры смещения колеблющихся в поле упругих колебаний частиц (амплитуда, скорость, ускорение), которые измерению не подлежат, а также механические напряжения в упругой волне. Механическое напряжение - это давление в твердой среде, которое является векторной величиной. Его также экспериментально определить невозможно. Поэтому математическое описание поля упругих колебаний невозможно. А то, которое существует, служит для описания мысленных моделей, к физике никакго отношения не имеющих.

И всё-таки, несмотря на отсутствие математического обеспечения, нельзя сказать, что теория в данном случае отсутствует. По определению: «в теории каждое умозаключение выводится из других умозаключений на основе некоторых правил логического вывода. Способность прогнозировать - следствие теоретических построений». Это как раз то, что имело место, когда было сделано заключение о том, что в объектах-резонаторах скорость распространения фронта упругих колебаний должна быть неодинаковой в различных точках этого объекта.

Очередным направлением при создании лабораторных работ, необходимых для чтения курса шахтной геофизики было прозвучивание пластин ультразвуковым полем упругих колебаний. Назначение данного эксперимента - посмотреть реакцию пластины-резонатора на поле упругих колебаний на различных частотах. Двигаясь, по своему обыкновению, от простого к сложному, я решил сначала посмотреть хорошо известный из литературы эффект монохроматора.

Эффект монохроматора в акустике - это аналог монохроматора в оптике. Этот эффект известен фотографам как эффект просветленной оптики. В акустике эффект монохроматора выглядит следующим образом.

Обычно, при нормальном (перпендикулярно к плоскости) прозвучивании пластины часть поля проходит насквозь, а часть отражается и возвращается к излучателю. При прозвучивании гармоническим сигналом, на некоторой частоте (частоте монохроматора fmс) сигнал через пластину проходит целиком, без всякого отражения от пластины. Это происходит за счет суммирования (интерференции) излучаемого сигнала с многократно отраженным внутри пластины сигналом. Монохроматор наблюдается как в пластинах-резонаторах, так и в пластинах-нерезонаторах.

Далее, как оказалось, в пластинах-резонаторах на частоте, несколько превышающей fmс, исчезает не отражение от пластины, как в случае эффекта монохроматора, а сигнал, проходящий насквозь. Это происходит на собственной частоте пластины-резонатора f0. Иначе говоря, на резонансе. В том, что это именно собственная частота пластины-резонатора, можно убедиться, используя в качестве прозвучиваемой пластины-резонатора пьезокерамическую пластину.

Эффект монохроматора иллюстрирует закон сохранения энергии. На частоте fmс коэффициент прохождения равен единице, а коэффициент отражения равен нулю. Излученный сигнал равен сумме отраженного от пластины сигнала и сигнала, прошедшего через пластину. На резонансе же исчезновение сигнала, прошедшего через пластину, не сопровождается увеличением отражения. Налицо невыполнение закона сохранения. То есть, опять происходит то, чего быть не может.

Два года я искал, куда девался сигнал, который не прошел сквозь пластину-резонатор на резонансе, и при этом не вернулся к излучателю. Нашел случайно, как и почти всё в этой моей истории.

Не могу вспомнить, что меня заставило усовершенствовать эту лабораторную установку таким образом, чтобы установить дополнительный пьезоприемник со стороны торца прозвучиваемой пластины (см. рис.6).

Не могу вспомнить, что меня заставило усовершенствовать эту лабораторную установку таким образом, чтобы установить дополнительный пьезоприемник со стороны торца прозвучиваемой пластины (см. рис.6).
Рис. 6

1 - прозвучиваемая пластина; 2 - пьезокерамика, используемая как в режиме излучения, так и в режиме приема (для определения коэффициента отражения); 3 - пьезокерамика в режиме приема (для определения коэффициента прохождения); 4 - пьезокерамика в режиме приема.

При изменении частоты генератора и приближении ее к f0 исчезает сигнал на приемнике 3 и появляется на приемнике 4. То есть, поле, излучаемое излучателем 2, на резонансе переориентируется пластиной-резонатором и излучается торцами этой пластины.

Этот физический эффект был назван эффектом акустического резонансного поглощения (АРП). Физика знает несколько резонансных поглощений. Все они заключаются либо в изменении на резонансе спектра сигнала (электронный резонанс), либо в изменении направления поля (ферромагнитный резонанс и АРП).

С позиции существующих представлений, такого поворота поля упругих колебаний быть не может. В акустике твердых сред вообще очень мало твердых и однозначных определений. Но что касается появления поля в ортогональных направлениях при нормальном прозвучивании пластин, то здесь всё обстоит очень категорично. Ортогональные составляющие поля упругих колебаний при нормальном падении поля на плоскую поверхность не должны возникать. Это следует из закона Снеллиуса.

Надо сказать, что в пластинах-нерезонаторах эффект АРП отсутствует. Поскольку в нерезонаторах отсутствуют собственные колебания, то никакого резонансного эффекта в них быть не может. Но всё-таки, за счет чего же в пластинах-резонаторах возникает поворот поля?

Как показано на рис.1, в приповерхностных зонах объектов-резонаторов существуют зоны Delta;h, в которых происходит уменьшение скорости Vfr с приближением к поверхности. Как оказалось, модуль вектора скорости в этих зонах не изменяется, а изменяется только направление вектора скорости. То есть, изменяется только х-составляющая скорости, и появляется ортогональная, y-составляющая скорости. Вот эта ортогональная составляющая и обеспечивает поворот поля в направлении y.

Эффект АРП - это иллюстрация свойств поля упругих колебаний в объектах-резонаторах. Этот эффект позволяет метрологически корректно определять величину скорости, которая стоит в числителе выражения (1). Как показывают эксперименты, эта скорость равна скорости, к которой стремится график 1 с увеличением l на рис.4.

Возникла довольно второстепенная проблема, как назвать эту скорость. Поскольку она  равна примерно половине скорости продольных волн Vl, я подумал, что она будет легко восприниматься под названием скорости поперечных волн Vsh.

Здесь нужно понимать, что, строго говоря, ни продольных, ни поперечных волн не существует. Ведь продольные и поперечные волны различаются направлением движения колеблющихся частиц относительно направления распространения поля. Но определить направление колеблющихся частиц невозможно...

Я думаю, что важнее здесь другое. То, что мы назвали скоростью продольных волн, является скоростью распространения фронта упругих колебаний, созданных излучателем, при сквозном нормальном прозвучивании. То, что мы назвали скоростью поперечных волн - это скорость распространения собственного колебательного процесса вдоль слоя-резонатора, а также скорость, которая стоит в числителе выражения (1).

Ничто не вызывает такого возмущения у слушателей, как мое заявление о том, что скорость, равная 2500м/с, характеризует все горные породы. В лучшем случае, задают вопрос, какому типу колебаний эта скорость принадлежит. Все настолько свыклись с мыслью о большом количестве типов упругих колебаний и, в соответствии с этим, о большом количестве  значений скорости распространения колебаний, что заставить задуматься на эту тему просто не получается.

Откуда вообще взялась эта история со скоростями? Их ведь никто никогда не измерял. А дело в том, что интерпретация при проведении сейсморабот заключается в том, что подбирают значения скоростей таким образом, чтобы сейсморазрез совпал с геологическим разрезом, полученным при бурении или путем каких-то других исследований.

Значения скоростей, которые приходится подставлять для этого, варьируются в очень широких пределах. Для того, чтобы никто не подумал, что идет простая подгонка под ответ, сейсморазведчики истолковывают различные величины скоростей как принадлежащие различным типам колебаний.

Первое слово о типах упругих колебаний произнес Пуассон. Задав мысленно граничные условия для решения волнового уравнения, он получил выражения для двух типов упругих колебаний - продольных и поперечных. Но при этом он прекрасно понимал, что всё это построение находится в статусе гипотезы. В дальнейшем о том, что все типы колебаний есть результат не более, чем не подтвержденного экспериментом мысленного усилия, уже никто не говорил, и сейчас, когда я пытаюсь напомнить об этом, это вызывает почему-то очень отрицательную реакцию.

6. Формирование поля в реальной среде

Отсутствие прохождения поля сквозь слой-резонатор на резонансе при наблюдении эффекта АРП объясняет давно наблюдавшийся нами факт, заключающийся в том, что собственный колебательный процесс, распространяющийся вдоль слоя-резонатора, не выходит за его пределы.

Это очень важный момент, который позволяет понять волновую картину при сейсморазведочных измерениях. На рис.7 показана схема этого волнового процесса.

На рис.7 показана схема этого волнового процесса.
Рис. 7

Двигаясь от простого к сложному, рассмотрим этот процесс при исследовании массива, представляющего собой совокупность горизонтально залегающих плоскопараллельных структур.

Сейсмоприемник пр находится в непосредственной близости от источника удара и.

При ударном воздействии на совокупность колебательных систем, инициирующий импульс прямо в точке удара (или взрыва) преобразуется в совокупность гармонических затухающих процессов. Как если бы мы одновременно ударили по нескольку клавишам музыкального инструмента. То есть, сам импульс отсутствует.

В результате ударного воздействия на поверхность, во всех породных слоях (слоях-резонаторах) возникают собственные колебательные процессы, которые распространяются от точки удара радиально в пределах каждого слоя-резонатора. Слоями-резонаторами являются как отдельные слои (hi), так и составные, состоящие из набора слоёв, прижатых один к другому.

Получается масса затухающих синусоид, разобраться в которых было бы невозможно, если бы не последний из рассмотренных физических эффектов. Как было замечено, собственный колебательный процесс распространяется вдоль протяженной структуры, не выходя за её пределы. Следовательно, сейсмоприемник пр зарегистрирует сигналы (собственные колебательные процессы) только тех слоев, которых он касается. То есть простого слоя h1, составного слоя h2, и всех прочих составных слоев, верхняя поверхность которых касается сейсмоприемника.

Допустим теперь, что слой h1 по каким-то геологическим причинам обрывается на расстоянии l от нашей измерительной установки (и + пр). Тогда собственный колебательный процесс слоя-резонатора h1 достигнет этой границы, отразится от нее, и в виде эхо-сигнала пройдет в обратном направлении мимо измерительной установки и, естественно, будет зарегистрирован сейсмоприемником. Таким образом, можем утверждать, что эхо-сигналы, получаемые при сейсмоизмерениях, приходят не снизу, как всегда считалось, а сбоку.

Мне очень хотелось бы эту картину посмотреть в реальности. Но как это сделать? Все мои эксперименты требуют минимальных усилий и затрат. Иначе я поставить их не смог бы. Его Величество Случай пришел мне на помощь в лице Геофизического института Сибирского отделения АН РФ, в Новосибирском Академгородке.

Как оказалось, этот институт владеет целым арсеналом вибросейс-излучателей. Находится это всё в поселке Быстровка, под Новосибирском. В этом поселке стоит несколько вибросейс-излучателей, самый большой из которых весит 300 тонн.

Принцип работы таких излучателей заключается в следующем. На земле лежит мощная стальная плита, на которой установлен двигатель, который вращает тяжелый диск с эксцентриситетом. Скорость вращения в оборотах в секунду соответствует частоте излучаемого поля упругих колебаний. Частота излучения колеблется в пределах от единиц Гц до первых десятков Гц.

Эти излучатели в рабочем режиме вибрируют, излучая вниз, в земную толщу синусоидальный сигнал с заданной частотой.

Несколько лет назад с помощью 100-тонного излучателя был осуществлен эксперимент, о котором я мог только мечтать. Он выглядел следующим образом. Точка излучения находилась в Быстровке. Точка приема (местонахождения сейсмоприемника) находилась примерно в 1000км от Быстровки, на территории Казахстана. Излучался гармонический сигнал с частотой от единиц Гц до первых десятков Гц. Изменение частоты излучаемого сигнала было очень плавным и медленным. В точке приема оператор регистрировал частоту приема и амплитуду сигнала. Сигнал проходил хорошо, то есть отношение сигнал/помеха было достаточно большим.

Задача этого эксперимента заключалась в том, чтобы показать, что излученный сигнал доходит до какого-то глубинного горизонта, отражается от него, и ,отраженный от этого горизонта, воспринимается в точке приема. То есть, задача заключалась в том, чтобы подтвердить общеизвестный принцип сейсморазведки.

Всё шло нормально, только вдруг на частоте около 6Гц сигнал в точке приема пропал. Оператор в точке приема решил, что излучатель выключился, и по радиоканалу спросил о причинах этого. Однако излучатель работал. Когда его вернули на предыдущую частоту, сигнал в точке приема опять появился. При повторном проходе через эту частоту сигнал опять пропал. Далее, при дальнейшем росте частоты сигнал опять появился, а затем, еще на двух или трех (не помню) частотах сигнал опять исчезал.

Поскольку причина такой частотной избирательности была непонятной, то в отчет этот результат эксперимента не попал.

Кстати, вот эта повсеместная практика замалчивания неожиданных, вернее, неожидаемых результатов запроектированных экспериментов очень снижает эффективность науки. Если точнее, то в отчеты попадают только ожидаемые результаты экспериментов независимо от фактических результатов. С таким подходом открытия не сделаешь...

Так вот, с позиции нашего подхода, то, что получилось в эксперименте с вибросейсом, объясняется очень просто. Прохождение поля на 1000км будет в том случае, если данной конкретной величине частоты излучения соответствует реально существующая горизонтальная граница на глубине, определяемой выражением (1).

В земной толще залегают субгоризонтальные границы на очень многих глубинах, но не на всех. И если нет прохождения на частоте 6Гц, значит, на глубине 2500/6=417м нет границы.

То есть, эксперимент с вибросейсом, осуществленный для подтверждения идеи традиционной сейсморазведки, вместо этого, опроверг ее и подтвердил идею спектральной сейсморазведки.

Получается странная ситуация. Вокруг нас находятся почти исключительно объекты-резонаторы, а поле упругих колебаний рассматривается исключительно для объектов-нерезонаторов.

Так, сейсморазведка создавалась для земной толщи, которая состоит только из геологических объектов-нерезонаторов. Но такой земной толщи не существует, и именно этим и объясняется то, что сейсморазведка не дает никаких результатов.

Ну, в самом деле, мы создаем ударное воздействие на земную толщу, и рассчитываем на то, что возникающий в результате удара упругий импульс будет распространяться в земной толще, отражаясь от границ, разделяющих соседние геологические объекты. На самом же деле, как видим, возникает совсем другая картина.

А какую роль при этом играют границы между соседними слоями-резонаторами и каковы их свойства?

Как известно, границей при исследовании поля упругих колебаний является поверхность, по обе стороны которой имеет место различие акустической жесткости R, которая определяется как произведение плотности на скорость. Но это в случае отсутствия собственных колебаний. В том же случае, когда поле формируется объектами-резонаторами, границами являются совершенно иные объекты.

Границами в этом случае являются поверхности, по которым возможно взаимное проскальзывание соседних объектов. В земной толще смена литотипа не всегда сопровождается образованием такой границы. Если переход от одного породного слоя к другому переходит плавно, при взаимной диффузии соседствующих материалов, то такая граница при спектрально-сейсморазведочном профилировании будет просто отсутствовать и, естественно, видна не будет. Так происходит обычно в случае терригенных пород.

Если же между соседствующими породами нет ни диффузии, ни прилипания (адгезии), то такая граница будет видна. Так происходит на границах между терригенными и карбонатными породами, а также при наличии границ, обусловленных тонкими и сверхтонкими углистыми, слюдяными и мергелистыми прослоями, а также в случае границ в виде плоскостей скольжения.

Объекты-резонаторы ограниченных размеров реагируют на ударное воздействие не одной гармонической составляющей, а несколькими. Количество затухающих синусоид (гармонических или спектральных составляющих) равно количеству размеров. Так, параллелепипед имеет три размера - толщину, длину и ширину, и отклик на удар по этому паралелепипеду имеет также три спектральные составляющие. Частота каждой из них будет соотноситься с соответствующим размером согласно соотношению (1).

Если этот параллелепипед имеет скрытую трещину, то она тоже является границей, и при этом в сигнале-реакции на удар возникнут дополнительные спектральные составляющие. Так выглядит принцип спектрально-акустической дефектоскопии.

Объект, имеющий одну спектральную составляющую - это шар. У него всего один размер. Однако убедиться в этом и определить эту его частоту совсем непросто. Для этого шар не должен ничего касаться, а также и приемника, если в его состав входят резонаторы.

Далее, если у параллелепипеда-резонатора изменить какой-нибудь размер, то изменятся все три его собственные частоты. Здесь видна аналогия с электрическими контурами. В самом деле, параллелепипед - это совокупность трех колебательных систем в одном объеме. Аналогично системе из трех связанных контуров. Контура, которые находятся рядом, влияют один на другой, и изменение любого параметра одного из контуров, приводит к изменению параметров всех связанных с ним контуров.

Мы живем в мире связанных колебательных систем, и рано или поздно будут созданы методы исследования поля упругих колебаний, формирующегося и распространяющегося в таком мире. И здесь выходит на первый план создание сейсмоприемников, которые не искажают спектр исследуемого поля упругих колебаний.

Заключение

Существуя в этой области знания 40 лет, я настолько привык к тому, что каждый мой шаг делается в неизвестное, что когда поставил перед собой задачу дать простое и понятное описание этого пути, то не подумал, что в каждом разделе придется входить в конфликт с общепринятой точкой зрения.

Так откуда же взялась такая общепринятая точка зрения, которую приходится опровергать на каждом шагу, и почему столько раз «не может быть» оказалось при экспериментальном изучении свойств поля упругих колебаний, да еще настолько элементарным набором экспериментов? Да потому, что все представления об этом поле формировались на чисто мысленном уровне, на ничем не обоснованных аналогиях с другими полями, при полном отсутствии экспериментов. Мыслимое ли дело, чтобы ни одно положение целого раздела физики не имело экспериментального подтверждения!

Как же так? Общеизвестно, что физика - это совокупность физических эффектов. И при этом целая область физики оказалась лишенной какого-либо экспериментально подтвержденного физического эффекта.

Познание бесконечно, и чем больше мы узнаем, тем больше появляется вопросов. Спектральная акустика уже широко применяется, дает принципиально новую информацию, и позволяет применять совершенно новые технологические решения. Но при этом остаются нерешенными многие фундаментальные моменты.

Но я уверен, что двигаясь по-прежнему маленькими шагами, следующие поколения решат и эти задачи.


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: