1. Зоны тектонического нарушения - как объект, подлежащий выявлению методом ССП

     Геотектоника как наука объединяет огромный массив знаний о тектонических движениях и деформациях. Однако, как оказалось, все эти представления носят чисто гипотетический характер. А те немногие экспериментальные данные, которыми эта наука оперирует, представляют собой не что иное, как результат сейсморазведочных изысканий.
     Так сложилось, что занимаясь последние 30 лет разработкой принципов спектральной акустики и спектральной сейсморазведки, мы пришли к выводу, что традиционная (называемая еще лучевой) сейсморазведка является научным заблуждением. Подобнее об этом - в работах [2, 3]. Но если это так, то получается, что наука о тектонических процессах и нарушениях является полностью гипотетической. Однако несмотря на это, как следует из учебников по геологии и геофизике, практически все геофизические методы претендуют на способность картировать тектонические нарушения. Придуманы различные классификации тектонических нарушений, а также сформировались мнения о том, как влияют тектонические нарушения на возводимые над ними инженерные сооружения. Больше того, мнения эти даже вошли в строительные нормы и правила (СНиПы). В результате, произошло то, что всегда и происходит, когда характеристики явления возникают прежде, чем начинается его фактическое изучение. А именно, полное несоответствие реальных свойств тем, которые были придуманы априорно.
     На самом деле, тектонические нарушения, представляющие собой разного рода трещины либо зоны трещиноватости в кристаллических породах (граниты, гнейсы и т.п.), являющихся фундаментом для осадочного чехла, могут наблюдаться геологами с дневной поверхности только при отсутствии осадочного чехла. Кроме того, визуальный осмотр тектонических нарушений возможен в тех случаях, когда в кристаллических породах существуют подземные выработки. При этом тектоника видна либо при осмотре стенок этих выработок, либо их кровли и почвы. Там, где осадочные породы закрывают собой кристаллический фундамент, однозначно судить о наличии тектонических нарушений до сих пор было невозможно.
     Таким образом, получилось, что метод ССП оказался первым аппаратурным методом, с помощью которого стало возможно выявление, а затем и изучение тектонических нарушений. При использовании метода ССП в условиях небольших мощностей осадочного чехла оказалось возможным увидеть тектоническое нарушение во всей его реальности. На рис.1 показан один из таких случаев. Здесь, на глубине 35-42 м, отчетливо видна граница между гранитом и осадочными породами. Граница эта весьма изрезана, но даже на фоне такой неровной поверхности хорошо видно разрывное нарушение на участке профиля 30-40м, которое и называют тектоническим.

ССП-разрез при профилировании под Выборгом

Рис. 1

     В первый раз тектоническое нарушение столь наглядно мы увидели еще в 1997 году, при использовании метода ССП под Выборгом, в городе Советске, когда выполнялась задача отыскания трещин в кристаллическом фундаменте (граните). Трещины же были необходимы для того, чтобы с помощью пробуренной там скважины получать воду. Это так называемые месторождения воды трещинного типа, и оцениваются они как наиболее стабильные источники воды хорошего качества.
     Чаще всего непосредственно нарушение в кристаллических породах не видно. Виден только обнаруженный нами признак его, в виде воронкообразного (V-образного) объекта. Пример такого случая показан на рис.2. Здесь также на глубине 30-40м видна кровля гранита. А на участке профиля 13,5-25,5м прорисовался V-образный объект, острие которого (вблизи 21-го метра профиля) оказалось на глубине 70м. Первоначально этот воронкообразный объект был воспринят нами как показатель местонахождения границы между гранитом и осадочными породами. Однако в дальнейшем, в результате бурения вблизи 19,5м профиля, оказалось, что граница между гранитом и осадочными породами в этом месте находится на глубине около 35 м, и что этот воронкообразный объект не соответствует какой-либо геологической границе. Граница же на глубине 35м не отобразилась на ССП-разрезе потому, что гранит в этом месте раздроблен и не имеет единой границы. Что касается вышележащего V-образного объекта, находящегося на глубинах 25-40 м, то и он не отражает какого-либо геологического объекта.

ССП-разрез в условиях малых мощностей осадочного чехла

Рис. 2

     С увеличением мощности осадочного чехла кровля кристаллических пород перестает прорисовываться, а при пересечении тектонического нарушения на ССП-разрезе прорисовывается либо V-образный объект, либо одна его образующая. Мы не знаем на сегодняшний день, почему зона тектонического нарушения на ССП-разрезе проявляется именно воронкообразным объектом. Но то, что наличие этого объекта обязательно соответствует наличию тектонического нарушения - это точно, и проверено многократно, в самых различных геологических условиях. В порядке проверки этого соответствия, мы проводили измерения в самых различных условиях - от отсутствия осадочных пород (под Выборгом, под Мончегорском и в Нижнем Тагиле), и до 5-километровой его мощности (под Оренбургом). При этом глубины, на которых прорисовывается V-образный объект - это, как правило, от 50 до 200м. На рис.3 показан такой типичный объект. Участок ССП-разреза, изображенный на этом рисунке, получен при профилировании в геологических условиях полигона "Красный Бор".

Рис. 3

     Мы помечаем прорисовывающиеся объекты штриховыми линиями, чтобы они были виднее для тех, кто еще не привык к подобному изображению. Опыт показывает, что люди очень быстро начинают видеть их, и когда мы раздаем неотмеченные штриховыми линиями ССП-разрезы, то все отмечают одни и те же объекты, и разночтения почти не бывает.
     Бывает так, что образующие V-образного объекта разнесены на некоторое расстояние, а бывает, что на ССП-разрезе прорисовывается только одна образующая или несколько параллельных образующих, подобных тому, как это показано на рис.4. Участок ССП-разреза, изображенный на этом рисунке, получен при профилировании также в геологических условиях полигона "Красный Бор".

Рис. 4

     Исходная причина формирования ЗТН и, соответственно, V-образного объекта - глубинная. Но если V-образный объект прорисован до поверхности, то это значит, что влияние ЗТН в настоящий момент уже распространяется до самой поверхности.
     По нашим предположениям, V-образный объект прорисовывается на ССП-разрезе при разрывном тектоническом нарушении без смещения. В случае грабена возникает V-образный объект с разнесенными образующими. Наличие только одной образующей соответствует нарушению со смещением.
     С точки зрения физики, которая лежит в основе метода ССП, любой рисунок на ССП-разрезе, и в том числе, воронкообразный объект или одна его составляющая, возникают в том случае, когда на соседних точках профиля отдельные гармонические составляющие имеют повышенную добротность. Добротность гармонического сигнала (или отдельной его гармонической составляющей) показывает, насколько быстро затухает эта составляющая. Чем медленнее происходит затухание, тем добротность выше. Добротность гармонической составляющей Q может быть определена как при временнóм изображении сигнала, так и при спектральном. Это иллюстрируется с помощью рис.5.

Схема перехода временное изображение сигнала - спектральное - разрез

Рис. 5

     Сигнал, изображенный на рис.5а, описывается следующим выражением:

,     (2)

где - коэффициент затухания:

- коэффициент затухания, приведенный к периоду, и называемый декрементом затухания.

     На рис.5b - спектральное изображение этого сигнала. Частоту гармонического сигнала f₀, как видим, при спектральном его изображении определить гораздо проще - просто по местонахождению экстремума. Рисунки 5b и 5c по информативности абсолютно идентичны. Различие их состоит только в том, что на рис.5с ось частот дополнена осью глубин, в соответствии с формулой (1), и спектральное изображение сигнала повернуто на 90^o, чтобы ось глубин была вертикальна, как ей положено на геологических разрезах. Кроме того, спектральное изображение сигнала искусственно, штриховкой дополнено до симметричной картины. Частота штриховки определяется тем, с каким дискретом просматриваются глубины. Мы стараемся просматривать строение земной толщи с таким дискретом, чтобы штриховка была не видна. Как на всех предыдущих рисунках.
     В соответствии с рис.5, добротность может быть определена следующими способами:

,     (3)

     Определить добротность по временнóму изображению и по соотношению (3b) можно лишь в том случае, если гармоническая составляющая одна-единственная. В реальности такого практически не бывает. Сейсмосигнал обычно состоит из нескольких гармонических составляющих, и единственная возможность определить добротность - это использовать соотношение (3,с). Больший раздув на вертикальной оси означает бóльшую величину добротности данной конкретной гармонической составляющей в данной точке (N-S; E-W) измерений.

     Таким образом, первое свойство зон тектонических нарушений (ЗТН) заключается в том, что при пересечении их профилем на ССП-разрезе прорисовывается либо воронкообразный объект, либо одна его составляющая.
     Как показывает опыт картирования ЗТН, они, как правило, являются удлиненными структурами. Если в пределах площади картирования встречается несколько ЗТН, то чаще всего, они оказываются примерно параллельными друг другу. Но бывает и так, что они пересекают друг друга. В точках пересечения ЗТН свойства их (которые мы будем рассматривать далее) усиливаются.