Реферат по современной сейсморазведке

Адам Григорьевич Гликман,
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
12 октября 2012, Санкт-Петербург

Предыстория

Отправной момент этой тематики - 1977 год, когда я обнаружил физический эффект, который полностью изменил мою жизнь, а со временем, изменит жизнь всех жителей Земли. Эффект этот заключается в том, что слои горных пород (а в общем виде, объекты любой формы из подавляющего большинства твердых сред) проявляют свойства колебательных систем. Применительно к плоскопараллельным объектам собственная частота f₀ таких колебательных систем определяется следующим образом:

f₀ = k / h,       (1), где

h - толщина объекта, а k - коэффициент с размерностью скорости. Для всех горных пород эта скорость, как оказалось, с погрешностью, не превышающей 10%, равна 2500м/с.

При наличии у объекта нескольких размеров (скажем, шар имеет один размер, параллелепипед - 3 размера и т.д.), он будет проявлять свойства такого количества колебательных систем, сколько у него есть размеров, и частота каждой из них будет связана с соответствующим размером согласно приведенному соотношению.

Двигаясь от простого к сложному, рассмотрению будет подлежать идеализированная плоскопараллельная структура (слой, пластина), имеющая всего один размер - толщину h.

Любой физический эффект имеет множество следствий. Одно из следствий этого эффекта (назовем его эффект-1) связано с условиями жизни на нашей планете ее жителями, с формированием техногенных землетрясений и с прогнозом природных землетрясений. Подробнее, эффект-1 описан в работах [1-17].

Суть конфликта

Обнаружение практически любого нового физического эффекта в какой-то степени перечеркивает предыдущий уровень знания и, стало быть, является причиной конфликта с представителями этого предыдущего уровня знания. В данном случае, конфликт возник с учеными, занимающимися полем упругих колебаний (акустикой твердых сред) и сейсморазведкой, которая является основной ветвью этой области знаний.

Моё заявление об обнаружении физического эффекта вызвало следующие возражения:

1. В физике известно несколько колебательных систем. Это электрический колебательный контур, камертон, струна, маятник... Пластина из однородного изотропного монолитного твердого материала в этот перечень не входит. Такая пластина не может быть колебательной системой, так как не имеет механизма преобразования ударного воздействия в синусоидальный процесс.
2. При ударном воздействии на плоскопараллельную структуру или совокупность таких структур реакция на удар имеет вид короткого импульса или последовательности затухающих импульсов.
3. Короткий упругий импульс, возникающий в результате ударного воздействия на земную толщу, распространяется во все стороны в пределах земной толщи,  отражается и преломляется по законам геометрической оптики. Всё это составляет основу так называемой лучевой сейсморазведки, история которой насчитывает уже более 100 лет.
4. Какая бы скорость ни стояла в числителе выражения (1), в различных горных породах эта скорость не может иметь одно и то же значение. В этом можно убедиться с помощью справочников по свойствам горных пород. Так, для примера, скорость только в песчанике, в зависимости от месторождения, имеет разброс значений от 1500 до 7000 м/с.

Все эти возражения, по сути, составляют фундамент общепринятой на сегодняшний день, так называемой, лучевой сейсморазведки. Вместе с тем, ни одно из них экспериментально не доказано. Все эти положения представляются настолько очевидными, что как бы и не нуждаются в экспериментальной проверке [18-20].

В ходе формирования лекционно-лабораторного курса по шахтной геофизике для студентов Ленинградского Горного института (ЛГИ), при постановке лабораторных работ по этому курсу, а затем, и при проведении натурных измерений в условиях угольных шахт, удалось осуществить проверку этих положений. В результате этой многолетней проверки было обнаружено, что ни одно из этих положений не соответствует реальному положению дел, но взамен их был обнаружен ряд новых физических эффектов, явлений и свойств, которые на сегодняшний день являются основой новой, альтернативной, спектральной сейсморазведки.

Некоторые из них представлены далее в качестве аргументов против приведенных выше возражений.

Разрешение противоречий

Участвующие в споре стороны могут получать преимущество только в результате предъявления экспериментальных данных. Слово против слова в физике ничего не значит, и я в своей практике очень слежу за тем, чтобы не сказать что-либо, не доказанное экспериментально.

1. Колебательной системой является объект, который на ударное воздействие реагирует затухающим синусоидальным сигналом. Кто первый дал такое определение, я не знаю, но именно это свойство колебательной системы позволило лорду Кельвину в 70-х годах XIX века распознать (открыть) электрический колебательный контур.

Он не рассуждал, может это быть или нет. Увидев на осциллографе затухающую синусоиду, возникшую при коротком замыкании заряженного конденсатора, он с уверенностью заявил, что конденсатор является колебательной системой, несмотря на то, что конденсатор, по идее, не должен бы проявлять свойство колебательной системы. Не придав значения наличию индуктивности катушки амперметра (регистрирующего ток разряда), через которую шел разряд конденсатора. Он не распознал L как элемент колебательной системы, и считал, что разряд конденсатора осуществляется его коротким замыканием. Как гипотезу, он предположил наличие у конденсатора не только статической емкости (С), но и динамической. Он дал ей обозначение А.

В результате, выведенное Кельвином соотношение собственной частоты f₀ с параметрами контура имело вид:

И только спустя 10 лет после этого стала понятна роль индуктивности в колебательном контуре, и А было заменено на L [21].

Обнаружив (в 1977г) синусоидальный характер сигнала, возникающего при ударном воздействии на породный слой, я, многократно удостоверившись в этом (путем использования спектральных преобразований), стал искать механизм преобразования удара в синусоиду. В ходе этих поисков, которые длились около 10 лет, было обнаружено несколько новых эффектов.

2. В ходе поисков механизма преобразования удара в синусоиду было обнаружено, что это преобразование происходит в объектах из подавляющего большинства твердых сред - в металлах и сплавах, в стекле, керамике, горных породах. Есть также и несколько твердых сред, в объектах из которых в результате ударного воздействия синусоидальный сигнал не возникает, а возникает упругий импульс. Эти среды - некоторые пластмассы и некоторые сорта угля. Наиболее технологичный из них для проведения экспериментов материал - это полиметилметакрилат (оргстекло, плексиглас). В пластине из оргстекла кроме упругого импульса, возникающего в момент удара, действительно могут быть видны затухающие по амплитуде импульсы, возникающие за счет переотражения первичного импульса внутри пластины. С этих позиций, показалось удобным разделить твердые звукопроводящие среды на две группы. Одна группа стекла, другая группа оргстекла. В объектах группы стекла ударное воздействие преобразуется в гармонический (синусоидальный) затухающий процесс. Удобно использовать еще один термин. В соответствии с наличием или отсутствием гармонической реакции на удар, называть объекты резонаторами или нерезонаторами.

В ходе поисков механизма преобразования удара в синусоиду был обнаружен новый, неизвестный ранее эффект акустического резонансного поглощения (АРП). Эффект АРП заключается в следующем. Этот эффект может наблюдаться при нормальном (то есть, в перпендикулярном направлении) прозвучивании пластин из любого материала ряда стекла, то есть, пластин-резонаторов. Для прозвучивания используется гармонический сигнал с возможностью перестройки по частоте. На частоте, равной f₀ для данной пластины, поле не проходит сквозь пластину, а переизлучается через торцы этой пластины-резонатора. В пластинах-нерезонаторах (из оргстекла) эффект АРП не возникает. Подробнее эффект АРП описан в работах [22, 23].

Этот эффект предоставил еще одно доказательство того, что пластины могут проявлять свойства колебательных систем.

В 1-м возражении совершенно справедливо указано, что объект из однородного материала не может иметь механизма преобразования импульсного воздействия в гармонический отклик. Однако, как удалось выяснить, материалы из ряда стекла, однородные по вещественному составу, плотности и т.д., имеют при этом акустическую неоднородность. Эта неоднородность заключается в том, что в этих материалах в приграничных областях существуют зоны с непостоянным значением скорости распространения фронта упругих колебаний, благодаря которым и происходит преобразование импульсного воздействия в гармонический отклик 

При сквозном прозвучивании пластин-резонаторов, поле при удалении от первой границы ускоряется, затем распространяется внутри пластины-резонатора с постоянной скоростью, а затем, при приближении ко второй границе, замедляется. При прозвучивании пластин из материалов ряда оргстекла скорость постоянна. Подробнее об этом эффекте - в работе [24].

3. В ходе исследования свойств поля упругих колебаний, возникающего в результате ударного воздействия на земную толщу (представленную осадочными породами слоистого строения) выяснилось, что импульсное воздействие уже в зоне удара преобразуется в совокупность гармонических (синусоидальных) затухающих сигналов. Каждая из этих гармонических составляющих распространяется вдоль соответствующего породного слоя (в общем случае, в горизонтальных направлениях), отражаясь от его границ (от его краев). Таким образом, эхо-сигнал при проведении сейсморазведочных измерений приходит не снизу, как всегда считалось, а сбоку [25].

Гармонические процессы, распространяющиеся вдоль породных слоев характеризуются чрезвычайно низким затуханием, что позволяет регистрировать сейсмосигналы на очень больших расстояниях. Именно по этой причине сигналы, возникающие при землетрясениях, огибают Землю несколько раз.

Замечание

Спектральные характеристики поля упругих колебаний могут быть получены только при использовании сейсмоприемников, не имеющих в своем составе собственных колебательных систем. Все выпускавшиеся до сих пор сейсмоприемники содержат собственные колебательные системы и искажают спектр сейсмосигнала.

Созданный специально для спектрально-сейсморазведочных измерений сейсмоприемник свободен от этого недостатка [26].

4. В ходе исследований формирования и распространения поля упругих колебаний как в естественных условиях залегания горных пород, так и в лаборатории, были обнаружены эффекты, связанные с формированием кинематических характеристик поля.

Так, если исследовать путем регистрации момента первого вступления достаточно протяженную пластину из материала ряда стекла, то, в зависимости от того, как будут взаимно расположены точки излучения и приема, определяемая скорость может изменять свое значение на порядок (в 10 раз). Подробнее об этом - в работах [27].

В справочниках приводятся значения скоростей, полученные в лаборатории. Поскольку при этом не указана геометрия измерительной установки, то, по-видимому, этот эффект авторам публикаций был неизвестен.

Большое разнообразие значений скоростей распространения поля при сейсморазведочных работах сформировалось следующим образом. Дело в том, что сама процедура интерпретации результатов сейсморазведочных исследований заключается в том, чтобы «подтянуть» эти результаты к разрезу, полученному бурением. Делается это путем подбора величин скоростей. Эти величины бывают иногда столь экзотическими и несуразными, что приходится допускать наличие каких-то типов упругих волн, для которых эти скорости вполне реальны. Отсюда и большое количество типов упругих колебаний, которые, стати, экспериментально никто никогда не видел.

Использование эффекта АРП позволяет объективно и метрологически корректно определять значения скоростей продольных и поперечных волн [28].

Анализ показал, что на самом деле, как и предвидел Пуассон, существует только два типа упругих колебаний - продольные и поперечные. По крайней мере, экспериментально идентифицируются только эти два типа упругих колебаний. Подробнее об этом в работе [29].

Собственные упругие колебания залегающих в земле колебательных систем идут на поперечных волнах, и спектр сейсмосигналов вблизи точки ударного воздействия однозначно связан со строением земной толщи. Этот эффект лежит в основе геофизического метода, основанного на том, что при каждом сейсмоизмерении осуществляется спектральное преобразование сейсмосигнала (перевод его из временнoго представления в спектральное) и пересчет спектра по формуле (1). Этот геофизический метод назван спектральной сейсморазведкой или, иначе, спектрально-сейсморазведочным профилированием (ССП). Подробнее метод ССП описан в работах [30-31].

Экспериментальное использование метода ССП показало, что:

1. Понятие границы при спектрально-акустических измерениях радикальным образом отличается от общепринятого понятия акустических границ. Если всегда считалось, что акустической границей является поверхность, разделяющая среды с различными значениями удельной акустической жесткости R (где R=ρV), то при спектрально-акустических измерениях границей является поверхность, по которой возможно взаимное проскальзывание соседних сред. Это позволяет с помощью ССП определять также и микротрещины, что невозможно никаким другим неразрушающим методом [32, 33];
2. Основным объектом, подлежащим выявлению с помощью метода ССП, являются зоны тектонических нарушений (ЗТН).

Как оказалось, метод ССП стал первым геофизическим методом, с помощью которого возможно прямое выявление и изучение ЗТН. Свойства ЗТН, которые были выявлены с помощью ССП, были раньше неизвестны, поскольку средств для эмпирического изучения этих зон просто не существовало. Свойства ЗТН оказались таковы, что, если они в дальнейшем будут учтены, то коренным образом изменятся условия существования человечества. Свойства эти следующие [34]:

1. ЗТН являются зонами, в которых происходит разрушение любых инженерных сооружений. Скорость разрушения зависит от параметров ЗТН и колеблется от незначительной, лишь немного ускоряющей естественное разрушение, и до стремительного разрушения чуть ли не во время строительства [35]. Это является следствием того, что в ЗТН имеет место явление, известное как планетарная пульсация. Планетарная пульсация представляет собой колебания грунта. Частота этих колебаний настолько мала, что зарегистрировать это явление возможно только с помощью специальной аппаратуры. Амплитуда же этих колебаний очень велика, и может достигать 10см. Планетарная пульсация является существенно нестационарным процессом, с постоянно изменяющимися амплитудой и частотой. Когда увеличивается амплитуда планетарной пульсации, на всей Земле происходят обрушения крыш и этажных перекрытий [36, 37].
2. При любых параметрах ЗТН наличие динамической (вибрационной) составляющей нагрузки на грунт резко увеличивает скорость разрушения, вплоть до мгновенного, взрывоподобного разрушения. Механизм этих разрушений обусловлен резонансными явлениями, то есть, когда частота вибрации установленной на грунт силовой установки (электростанции, насосной станции и т.п.) совпадает с собственной частотой залегающей в земной толще колебательной системы. При этом начинается быстрый и плавный рост амплитуды вибрации в 100 и более раз. Рост амплитуды прерывается мгновенным, взрывоподобным разрушением, и часто резонансные разрушения воспринимаются как результат терактов [38].
3. Резонансные разрушения часто происходят при горных работах и называются горными ударами. По сути, это не что иное, как техногенные землетрясения. Это стало понятно в результате наблюдений за землетрясениями природными. Дело в том, что перед сейсмотолчком так же точно, как и перед техногенным землетрясением, возникает и увеличивается вибрация. И разрушения также происходят только в ЗТН. Различие в том, что частота этой вибрации многократно меньше, чем при техногенном землетрясении. Как оказалось, если источником вибрации, вызывающей техногенные землетрясения, являются вращающиеся и движущиеся объекты (поезда), то природные землетрясения развязываются планетарной пульсацией [39-41]. Техногенные землетрясения вызывают гораздо большие разрушения инженерных сооружений, так как центры природных землетрясений в большой степени приходятся на пустынные участки Земли, а техногенные - исключительно на центры цивилизации.
4. В ЗТН происходит выход из земли в атмосферу глубинных газов, что формирует геопатогенные зоны. Эти газы вызывают различные болезни вплоть до смертельного исхода. По мнению медиков, большинство тяжелейших заболеваний обусловлено воздействием на человеческий организм геопатогенных зон [42].
5. При заглублении (скважиной или колодцем) в ЗТН можно получать воду. Как показал анализ получаемой в ЗТН воды, это вода родниковая, с максимально возможным качеством и, как правило, в достаточном количестве, и даже зачастую, с выходом самоизливом. Как оказалось, ССП на сегодняшний день, является единственным эффективным аппаратурным методом поиска месторождения воды, который позволяет к тому же прогнозировать глубину бурения [43].

Заключение

Метод ССП позволяет выявлять плывуны и карсты, картировать зоны формирования оползней [44], а также прогнозировать разрушения инженерных сооружений, причем не только находящихся на поверхности земли, но и горных подземных выработок, что позволяет считать его инженерно-геофизическим методом [45-47].

Как показали исследования, наша планета проявляет свойства совокупности колебательных систем. Диапазон периодов этих колебательных систем - от миллисекунд и до 83 минут, что соответствует, согласно выражению (1), диапазону размеров h входящих в эту совокупность геологических структур - от толщины породного слоя в единицы метра, и до диаметра планеты, равного 12700км. Понятно, что это свойство нельзя не учитывать при использовании Земли как опоры для разного рода вибрирующих устройств, а также при проектировании всех возводимых инженерных сооружений.

Зоны тектонических нарушений являются центрами практически всех разрушений на земле, и без изучения их, картирования наиболее значительных, а также без мониторинга колебательных процессов, происходящих в них, дальнейшее развитие нашей цивилизации невозможно.

С тех пор как появился интернет, я все свои статьи публикую на сайте www.newgeophys.spb.ru. На некоторые из них даются ссылки в перечне литературы.

Литература

1. Гликман А.Г., Казакова В.Л. Метод спектрального анализа затухания звука  в горных породах. //”Физические процессы горного производства”, вып.7.- Л.:ЛГИ.-1979.-с.12-15.
2. Гликман А.Г. О связи звукопроводности горного массива со степенью его нарушенности. //”Механика горных пород”. Записки ЛГИ, том LXXXII.- Л.:ЛГИ.-1980.-с.113-115.
3. Овчаренко Б.П., Гликман А.Г., Казакова В.Л. Акустический метод определения мощности отслоения кровли очистного забоя. // ”Физические процессы горного производства”, вып.9.- Л.:ЛГИ.-1981.-с.55-59.
4. Гликман А.Г. Звучание плоскопараллельных геологических структур. // ”Геофизические исследования на калийных и каменносоляных месторождениях”.- Л.:ВНИИГ.-1983.-с.41-48.
5. Гликман А.Г., Казакова В.Л. Новые геоакустические методы оценки проявлений горного давления. //”Физические процессы горного производства. Управление горным давлением”.- Л.:ЛГИ.-1984.-с.106-111.
6. Борисов А.А., Гликман А.Г., Казакова В.Л. Геоакустические методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов.-  Л.:ЛГИ.-1984.-39с.
7. Гликман А.Г. Влияние границ на формирование поля упругих колебаний в твердых средах. /Л.:ЛГИ.-1984.-10с.-Деп.  в ВИНИТИ,М.,№ 111  МГ-Д84.
8. Гликман А.Г. Поля упругих колебаний в горных породах./ Л.:ЛГИ.-1985.-65с.-Деп. в ВИНИТИ, М.,№ 188 МГ-Д85.
9. Гликман А.Г. Физика возникновения гармонического процесса в ударно возбуждаемом  массиве горных пород. //”Горная геофизика”.Научно-технический семинар по горной геофизике 11-15 окт.1985г.  г.Батуми.- 1985.-с.119.
10. Гликман А.Г. Упругие волны в слоистых средах. // ”Использование  методов прикладной геофизики в калийной промышленности”.-  Л.:  ВНИИГ.-1986.-с.137-148.
11. Гликман А.Г. Поле упругих колебаний как исследовательский инструмент в горном деле. // ”Физические процессы горного производства”.- Л.:ЛГИ.-1989.-с.100-102.
12. Гликман А.Г. Предпосылки для уточнения сейсморазведочной модели горных массивов. // ”Петрофизика рудных месторождений”. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара (16-18 мая 1990г. г.Ленинград).-Л.:НПО"Рудгеофизика".-1990.-с.149-150.
13. Гликман А.Г. Проблемы исследования и использования поля упругих колебаний в горном деле.-Донецк:ДоФАТЭК.-1991.-125с.-Деп. в ВИНИТИ,М., № 3612-В 91.
14. Гликман А.Г. Экспериментальное изучение структурных и спектральных характеристик поля упругих колебаний.-СПб.:СПбГИ.-1992.- 18с.-Деп. в ВИНИТИ,М., № 3312-В 92.
15. Гликман А.Г. Влияние собственных колебательных процессов  на формирование сейсмосигнала.-СПб.:НТФ "Геофизпрогноз".-1994.- 18с.-Деп. в ВИНИТИ, М.,№ 800-В 94.
16. Гликман А.Г. Некоторые явления и эффекты, возникающие при формировании и распространении поля упругих колебаний в твердых средах.-СПб.:НТФ "Геофизпрогноз".-1995.-61с.-Деп. в ВИНИТИ, М., № 322-В95.
17. Гликман А.Г. Физические основы спектрально-акустических методов исследования.-СПб.:НТФ  "Геофизпрогноз".-1995.-169с.-Деп.в ВИНИТИ, М., № 2570-В 95.
18. Гликман А.Г. Методологический анализ некоторых аспектов современной теоретической акустики.-СПб.:НТФ "Геофизпрогноз".-1993.- 14с.-Деп. в ВИНИТИ,М., № 2500-В 93.
19. Гликман А.Г. О физических принципах сейсморазведки.// ”Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений”.- 1998.- № 7.- с.17-23.
20. Гликман А.Г. Сейсморазведка - это очень просто.// «Жизнь и безопасность».- 2003.- № 3-4.- с.537-541.
21. Гликман А.Г. Гимн синусоиде
22. Гликман А.Г. Особенности метрологического обеспечения сейсмоприемников. // ”Преобразователи акустической эмиссии к системам контроля горного давления”.- М.: ИПКОН АН СССР.-1990.-с.66-76.
23. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний.// Пятые геофизические чтения им. В.В. Федынского. Тезисы докладов.- М.: Центр ГЕОН.- 2003.- с.16-17.
24. Гликман А.Г. О физике слоя-резонатора
25. Гликман А.Г. О смысле мнимости в акустике
26. Патент № 2059266. Сейсмоприемник./ А.Г. Гликман, И.А. Симанский, А.А. Стародубцев.- Приор.  28.12.92. Опубл. Б.И. № 12 1996г. Патентообладатель А.Г. Гликман.
27. Гликман А.Г. Кинематические характеристики поля упругих колебаний
28. Патент № 2034241 Способ измерения скорости звука./А.Г. Гликман,И.А. Симанский, А.А. Стародубцев.- Приор. 11.03.90. Опубл. 30.04.95Б.И. № 12 1995. Патентообладатель А.Г. Гликман.
29. Гликман А.Г. О типах упругих колебаний
30. Гликман А.Г. О физических принципах спектральной сейсморазведки.// «Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений».- 1998.- № 12.- с.19-24.
31. Гликман А.Г. О новом принципе сейсморазведки.// Геофизика XXI столетия: 2002 год. Сборник трудов Четвертых геофизических чтений имени В.В. Федынского (28 февраля - 2 марта 2002 г., Москва).- М.: Научный мир.- 2003.- 468с., с.345-352.
32. Гликман А.Г. Практическое использование информативных возможностей поля упругих колебаний
33. Гликман А.Г., Стародубцев А.А. Решение задач дефектоскопии строительного камня спектрально-акустическими методами./ «Методика и техника разведки».- СПб: ВИТР.- № 8 (146).- 1998.- с.137-144.
34. Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН)
35. Гликман А.Г. Динамическая составляющая реакции грунта и ее влияние на разрушение инженерных сооружений
36. Гликман А.Г. Как и почему рушатся дома в мирное время
37. Гликман А.Г. Планетарная пульсация как механизм формирования тектонических процессов
38. Гликман А.Г. О применении метода ССП для прогнозирования геодинамических явлений.// Геофизика XXI столетия: 2002 год. Сборник трудов Четвертых геофизических чтений имени В.В. Федынского (28 февраля - 2 марта 2002 г., Москва).- М.: Научный мир.- 203.- 468с., с.270-277.
39. Гликман А.Г. Планета Земля как совокупность колебательных систем и техногенные и природные землетрясения как следствия из этого
40. Гликман А.Г. О геологической природе техногенных и природных землетрясений в свете японской катастрофы 2011 года
41. Гликман А.Г. О причинах роста техногенных катастроф
42. Гликман А.Г. Что такое геопатогенные зоны
43. Гликман А.Г. О физическом смысле V-образных объектов на ССП-разрезах (об источниках родниковой воды)
44. Гликман А.Г. Оползни - это очень просто
45. Гликман А.Г. Применение спектральной сейсморазведки для решения задач инженерной геологии
46. Гликман А.Г. Инженерные изыскания - быть или не быть
47. Гликман А.Г. Прогнозирование аварий угольных шахт средствами спектральной сейсморазведки