Спектральная сейсморазведка как метод инженерной геофизики

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
май 2013, Санкт-Петербург

Доклад сделан на 1-й научной конференции молодых ученых по современным задачам геофизики, инженерной сейсмологии и сейсмостойкого строительства 12-16 мая 2013 в Цахкадзори (Армения)

Инженерная геология как область знания возникла в середине XIX века, когда было замечено, что существует тенденция повтора внезапных, немотивированных разрушений инженерных сооружений (ИС) в одних и тех же местах. Тогда возникло предположение, что причина разрушений - в каком-то специфическом геологическом строении. Сначала эта область знания называлась подповерхностной геологий, так как реализовывалась она бурением скважин глубиной 6-10м с последующим исследованием керна.

Поиски геологических признаков продолжались примерно 100 лет, и после того как стало ясно, что эти исследования зашли в тупик, во всем Мире отказались от обязательного выполнения инженерных изысканий, и сейчас они делаются только по желанию инвестора. Россия (СССР) пошла своим путем. Инженерно-геологические изыскания стали обязательными. Они обросли множеством камеральных исследований, инженерной геофизикой, возникли огромные НИИ (ПНИИИС). Но, не дав ни одного прогноза разрушения, они, тем не менее, стали выгодными для строителей. Строители, которые осуществили изыскания (а если точнее, оплатившие их), не несут никакой ответственности в случае разрушения дома. И это, пожалуй, единственное на сегодняшний день назначение инженерно-геологических изысканий. А то, что они должны давать прогноз разрушений ИС - об этом уже никто не помнит.

В 1993 году было обнаружено, что существуют зоны, в которых разрушаются любые ИС. Обнаружено это было с помощью геофизической аппаратуры спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). Принцип действия ССП основан на физическом эффекте, который заключается в следующем.

Как выяснилось еще в 1977 году, земная толща по акустическим свойствам представляет собой не совокупность отражающих границ (как постулирует сейсморазведка), а совокупность колебательных систем. Колебательная система - это объект, который на ударное воздействие реагирует сигналом в виде гармонического (синусоидального) затухающего колебательного процесса. Роль колебательных систем в земной толще играют слои из горных пород. Физика упругих колебательных систем этого типа рассмотрена в работе [1].

До того были известны следующие колебательные системы: маятник, камертон, электрический контур. А теперь вдруг оказалось, что свойствами колебательных систем обладают просто объекты из большинства твердых сред и, в частности, породные слои.

Частота f₀ синусоиды, возникающей в результате ударного воздействия на породный слой, связана с толщиной (мощностью) hэтого породного слоя обратной пропорцией: 

h = 2500 / f₀    (1)

Для объектов, обладающих свойствами колебательных систем, исследовательская аппаратура должна представлять собой спектроанализатор, чтобы в каждой точке измерения иметь информацию о частотном спектре сейсмосигнала. Спектр, пересчитанный по формуле (1), дает глубины залегания границ между породными слоями. На рис.1 приведен пример ССП-разреза.

Каждый вертикальный объект на ССП-разрезе - это спектральное изображение сейсмосигнала в каждой конкретной точке профиля. Ось Y получена пересчетом частот по формуле (1). ССП-разрез - это совокупность границ между соседствующими породами. Границы при спектрально-акустических измерениях - это поверхности, по которым возможно проскальзывание соседствующих сред.

Терригенные горные породы, как правило, переходят одна в другую плавно, и, стало быть, акустических границ между ними может и не быть. Чаще всего эти границы появляются либо в результате наличия тонких и сверхтонких прослоев (углистых, мергелистых, слюдяных), либо в результате деформаций в виде подвижек. Самые четкие границы - между терригенными и карбонатными породами, поскольку прилипания между ними нет. Поэтому они дают самые четкие (густо-черные) границы на ССП-разрезах.

Рис. 1

В ряде случаев, в ССП-разрезах прорисовываются V-образные (воронкообразные) объекты или отдельные их образующие. Как оказалось, таким образом проявляются зоны тектонических нарушений (ЗТН). На рис.1 эта зона показана на оси Х эллипсом красного цвета. Она приходится на участок профиля 14-29м. На то, что эти объекты являются именно зонами тектонических нарушений, указывает выход из земли в этих зонах радона и многих других глубинных газов.

Изучение ЗТН позволило обнаружить ряд неизвестных ранее и весьма интересных свойств этих зон [2]. В первую очередь, выяснилось, что любые инженерные сооружения, оказавшиеся в ЗТН, существуют в состоянии непрерывного разрушения. Видов разрушения существует несколько. Один из них - наклон ИС в сторону центра ЗТН. ССП-разрез, приведенный на рис.1, был пройден с целью выяснения причин наклона дома.

Второй вид - буквальное разрушение. То есть, формирование разного рода трещин, вплоть до полного разрушения. Механизм этого разрушения - наличие постоянной подвижности, постоянно существующего колебательного процесса в зонах тектонических нарушений.

Как оказалось, явление это давно известно геодезистам [3]. Они называют его планетарной пульсацией. При очень низкой частоте (период равен минутам), амплитуда этой пульсации может достигать 10см. Таким образом, имея аппаратурную погрешность, равную 1мм, геодезисты в отдельных местах не могут привязать репер с точностью, более высокой, чем несколько см. Такая огромная погрешность в современных геодезических измерениях совершенно недопустима.

Планетарная пульсация разрушает также и сами горные породы в зонах тектонических нарушений. Так, известно, что при  попадании разведочной скважины в ЗТН, материал если и будет извлечен, то в совершенно измельченном (разрушенном) виде. А сам буровой инструмент будет идти без сопротивления, и даже проскакивать через пустоты.

На рис.2 приведен ССП-разрез массива, в котором планетарная пульсация в ЗТН совершила колоссальные разрушения. Инженерное сооружение, находящееся там - дамба водохранилища в Башкирии. Для данного массива характерно наличие 40-метровой известняковой плиты на глубине 50-90м. На участке профиля 160-320м известняковая плита провалилась, образовав V-образный объект. На глубинах от 25 до 70м присутствует несколько образующих воронкообразного объекта. На совсем малой глубине, до 25м виден воронкообразный объект. Это след от просадки грунта. Таким образом, видим, что участок 160-320м - это зона тектонического нарушения.

Прорыв дамбы происходит хронически именно в пределах этой ЗТН. Все попытки увеличить прочность этой дамбы ничего не дают. И сейчас, когда мы знаем свойства ЗТН, понятно, что эти разрушения вполне естественны и логичны. Для того, чтобы удержать дамбу, она должна быть не прочной, а гибкой, чтобы она не противостояла планетарной пульсации и просадке грунта, а повторяла эти движения.

Современные материалы и технологии позволяют сделать дамбу гибкой. В этом смысле, очень интересен опыт Японии. Они широко используют гибкие материалы при строительстве дорог и возведении высотных домов. В результате, дома во время землетрясений не разрушаются, а только раскачиваются, а дороги очень редко требуют ремонта.

Рис. 2

Из-за подвижности грунта в ЗТН, в стенах домов и в фундаментах (в том числе, и в железобетонных плитах плавающего основания), оказавшихся в этих зонах, возникают вертикальные или субвертикальные трещины. Это происходит потому, что если фундамент дома попал частично в ЗТН, то возникают изгибные знакопеременные напряжения. На рис.3 показаны примеры таких трещин.

Рис. 3

Постоянное колебательное движение разрушает и сами горные породы, и создает вертикально ориентированные как бы каналы, соединяющие глубинные недра планеты с поверхностью, и горные породы в этих каналах находятся в разрушенном состоянии. Эти каналы проницаемы для газов и жидкостей, и в результате мы имеем выход из земли как глубинных газов, так и глубинной воды [4].

Разрушая горные породы, планетарная пульсация разрушает и инженерные сооружения, оказавшиеся в ЗТН. Это касается как сооружений, находящихся на поверхности, так и на любой глубине в недрах земли. Это разрушение происходит за счет того, что часть фундамента сооружения находится в условиях неподвижной опоры, то есть, опирается на грунт вне ЗТН, а часть - в условиях подвижного грунта. При этом происходит как бы раскачка сооружения. Вот этот механизм - раскачка - и является ключевым моментом при разрушении сооружений. Появление раскачивающего механизма означает возникновение динамической составляющей взаимодействия ИС с грунтом.

На рис.4 приведена фотография дома, характер разрушения которого объясняется тем, что его фундамент разрушался в результате раскачивания планетарной пульсацией в ЗТН.

Как оказалось, планетарная пульсация - явление принципиально нестабильное. Она всё время изменяется по величине вплоть до полного исчезновения. Поэтому разрушения ИС идут неравномерно, то усиливаясь, то ослабевая. Изменение амплитуды пульсации происходит примерно одинаково на всей планете, и когда амплитуда увеличивается, на Земле начинают падать крыши и перекрытия [5].

Рис. 4

В случае монолитного строительства может оказаться так, что плита плавающего основания одной своей частью опирается на подвижный грунт, а другой - на неподвижный, и оказывается под воздействием знакопеременных изгибных напряжений. Известно, что железобетон, обладающий значительной несущей способностью при воздействии на него усилием сжатия, оказывается очень слабым материалом при изгибных напряжениях.

При монолитном строительстве, как известно, железобетонные стены составляют единое целое с железобетонной плитой плавающего фундамента. Если происходит излом плиты, и она разламывается, допустим, на две части, то одна ее часть начинает свободно колебаться под воздействием планетарной пульсации относительно второй, неподвижной части, находящейся вне ЗТН. А поскольку стены вмонтированы в плиту, то в стенах образуется система сквозных трещин, образующих единое целое с трещиной, проходящей через плиту. Таким образом, часть дома, стоящая на колеблющейся части плиты, начинает колебаться относительно другой, неподвижной. Если трещину в стенах заделать, скажем, с помощью металлических стяжек, то колебаний плиты этим остановить не удастся, и в стенах немедленно возникнут другие трещины, наличие которых позволит стенам и дальше колебаться вместе с плитой.

В Петербурге, по-моему, все современные дома строятся по монолитной технологии, и большинство из них имеют трещины в стенах. Но ведь трещины в стенах в таких домах могут возникнуть только в том случае, если лопнула плита под домом.

На рис.5 приведена фотография фрагмента дома. Вот такими стяжками и анкерами скреплены снизу доверху углы всех четырех 17-этажных корпусов домов №40 на пр. Наставников, СПб. Стены разошлись сразу после строительства. Можно себе представить, в каком состоянии находятся железобетонные плиты под этими домами. А также, в каком состоянии находится здоровье жителей первых этажей этих домов.

Рис. 5

Дело в том, что, как следствие излома плиты плавающего основания, вступает в силу еще одно свойство ЗТН - формирование геопатогенных зон.

Если дом попал в ЗТН, то глубинные газы поступают в его подвал, и если подвал не вентилируется, то тогда эти газы попадают в квартиры первого этажа. Эти газы частично уходят в форточки первого этажа, а остальное поступает в квартиры 2-го этажа, и т.д. В результате, с ростом этажа губительное действие глубинных газов уменьшается, а уровень онкологии на первом этаже в 5 раз превышает средний уровень по городу.

Если речь о монолитном строительстве, то эти дома не имеют подвалов, и через трещины в плите газы прямиком поступают в жилые помещения. В результате, экологическая ситуация в монолитных домах просто катастрофическая.

Планетарная пульсация, по сути, добавляет к статическому нагружению несущих конструкций ИС еще и динамическую составляющую, которую при проектировании и расчете сооружения, естественно, никто не учитывает.

Но кроме динамического воздействия со стороны грунта может возникнуть еще одна динамическая составляющая - со стороны самого ИС. При наличии в пределах ИС вибрирующего механизма, добавляется еще и вибрация. И тогда результирующее динамическое воздействие на ИС резко ускоряет его разрушение. Чтобы оценить губительное воздействие вибрации, достаточно посмотреть, в каком состоянии находятся машинные залы практически всех электростанций. Такое впечатление, что там велись боевые действия.

При совпадении частоты вибрации механизма, работающего в ИС, с собственной частотой колебательной системы, залегающей в земной толще под ИС, возникают резонансные явления [6], что может привести к мгновенному, взрывоподобному разрушению ИС. Если вибрация вызвана не вращением какого-либо агрегата, а последовательностью коротких ударов (кузнечно-прессовое оборудование), то такой сигнал имеет широкий спектр, который захватывает и возможные резонансные области. При этом разрушительное действие вибрации усиливается.

Изучение каких-либо физических эффектов и явлений, а особенно таких, которые способствуют развитию аварийных ситуаций, предполагает создание методик противодействия этим эффектам. Или, по крайней мере, методику их контроля и прогноза. Находясь на сегодняшнем уровне развития, мы не можем противодействовать планетарной пульсации. Каким бы прочным ни был фундамент, он разрушится под воздействием этого явления. Даже более того, чем прочнее фундамент, тем сокрушительнее будет разрушение ИС. Ну что ж, если нельзя отменить пульсацию, значит нужно сделать «мягким» фундамент, чтобы он не сопротивлялся пульсации, а колебался бы вместе с ней.

Далее, если знать заранее, где находится ЗТН, то представляется логичным, чтобы границы между подвижными и неподвижными участками строительной площадки разделяли независимые друг от друга секции ИС, расположенные на разных блоках фундамента, что позволит исключить возникновение в процессе эксплуатации вертикальных трещин. Ну, и уж во всяком случае, не устанавливать в ЗТН какие-либо вибрирующие агрегаты.

Как показал 20-летний опыт использования метода ССП, основным объектом изучения которого являются ЗТН, выявление зон тектонических нарушений позволяет выбирать оптимальный участок для строительства ИС, а в случае, если сооружение уже построено, давать надежный прогноз состояния его и выбирать меры и средства для его безопасной эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гликман А.Г. Колебательные системы вокруг нас
2. Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН)
3. Сашурин А.Д. "Современная геодинамика и техногенные катастрофы." Сб. докладов международной конференции "Геомеханика в горном деле - 2002" Екатеринбург, Игд УрО РАН 19-21 ноября 2002 г, http://igd.uran.ru/geomech/, обновление 23.02.2003.
4. Гликман А.Г. Проблемы загрязнения литосферы
5. Гликман А.Г. Как и почему рушатся дома в мирное время
6. Гликман А.Г. Применение спектральной сейсморазведки для решения задач инженерной геологии.