О техногенных и природных землетрясений и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Планета Земля как совокупность колебательных систем
и техногенные и природные землетрясения как следствия из этого

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
1 февраля 2010, Санкт-Петербург

ЧАСТЬ I

     Физика в целом есть не что иное, как совокупность физических эффектов и явлений, и развитие физики происходит в основном за счет обнаружения новых физических эффектов. Обнаружение каждого физического эффекта - событие экстраординарное. С одной стороны, оно нарушает спокойный ход развития науки, поскольку неизбежно в какой-то степени перечеркивает предыдущий уровень знаний. С другой стороны, любой физический эффект информационно бесконечно глубок, и осознается обычно в течение многих лет, несколькими этапами.
     Сейчас, по прошествии более чем 32 лет, мне становится понятным, что самое первое мое сейсмоизмерение, осуществленное в условиях угольной шахты, было, по сути, вообще самым первым метрологически корректным измерением акустических параметров породной толщи в условиях естественного залегания горных пород. Все предыдущие сейсмоизмерения, которые осуществлялись с самого начала ХХ века, были направлены не на исследования акустических свойств земной толщи, а подчинялись одной задаче - подтверждению правильности идеи сейсморазведки. Все, что не соответствовало этой идее, отбраковывалось. А поскольку, как выяснилось со временем, идея сейсморазведки является полностью ошибочной, то либо при измерениях отбраковывались все объективные результаты, либо измерения вовсе не проводились, так как зачем осуществлять исследования, если уже заранее понятно, что они не подтвердят то, что нужно [1].
     Естественно, что самое первое в какой-то области знания метрологически корректное измерение должно дать новый, наверняка неожиданный и неизвестный ранее результат, что и случилось при первом же измерении затухания поля упругих колебаний в породах кровли угольной шахты [2].
     Так сложилось, что все представления о свойствах поля упругих колебаний возникли в результате неких очевидностей и мысленных моделей. Так, сформировалась в качестве очевидной, уверенность в том, что затухание поля упругих колебаний в горных породах увеличивается не только с трещиноватостью, но и с частотой. Поскольку, как оказалось, измерений таких никогда не было, то получить информацию о возможных зависимостях затухания от частоты при проектировании измерительной аппаратуры взять было неоткуда. Поэтому первая аппаратура, предназначенная для получения этой информации, имела заведомо избыточные параметры. Частотный диапазон генератора был от 20Гц до 20кГц, а динамический диапазон индикатора составлял 120 дБ.
     В результате этих измерений, вопреки стихийно установившейся уверенности, что характер частотной зависимости должен иметь вид, подобный кривой а, приведенной на рис.1, была получена зависимость, имевшая вид кривой b. По оси ординат отложено относительное значение амплитуды сигнала, регистрируемого индикатором.

характер частотной зависимости
Рис. 1

     Чтобы объяснить смысл того, что получилось, необходимо дать небольшой экскурс в историю развития физики. Как показывает история развития науки, различные области физики развиваются с различной скоростью. Например, электротехнические науки, имеющие совершенно незначительный возраст, оказались по уровню понимания и оснащенности средствами измерений далеко впереди имеющей огромную историю механики и акустики. И если для сейсморазведчиков кривая b ровным счетом ни о чем не говорит, то для радиофизиков и математиков, знакомых со спектральными преобразованиями, это совсем не так.
     Согласно спектрально-временным представлениям, частотная или, иначе говоря, спектральная зависимость, геометрически подобная кривой b на рис.1, является спектральным изображением затухающего синусоидального сигнала [3].
     Физический смысл этого заключается в том, что если усилитель или вообще любой четырехполюсник имеет частотную зависимость своего коэффициента передачи (коэффициента усиления, проходной характеристики - это все синонимы), геометрически подобную кривой b, то при подаче на вход короткого импульса, на выходе будет затухающий гармонический (синусоидальный) сигнал.
     Как известно, любой изменяющийся во времени процесс может быть представлен как на временной оси, так и на спектральной плоскости. На рис.2 приведены два изображения одного и того же затухающего гармонического сигнала - временное (а) и спектральное (b).

изображения одного и того же затухающего гармонического сигнала - временное (а) и спектральное (b)
Рис. 2

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

Q = n / α = A(f0)   (1)
a       b

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

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

     Так сложилось, что то, что является азбукой для радиофизиков и что преподают им на 2-м курсе, совершенно неизвестно сейсморазведчикам, да и вообще механикам. В этом нетрудно убедиться, если попытаться получить изложенную выше информацию из научной или учебной литературы, скажем, по сейсморазведке. Во всяком случае, если бы сейсморазведчикам в курсе математики хотя бы давали спектрально-временные преобразования, то им было бы известно, что гармонический затухающий сигнал невозможно получить с помощью интерференции. Синусоидальный сигнал - это неразложимый информационный кирпичик, и получить его можно только при наличии колебательной системы.
     Это очень важный момент, так как современная сейсморазведка утверждает, что все сейсмосигналы, принятые в ходе сейсмоизмерений, сформировались в результате сложения (интерференции) множества отраженных сигналов. Это имеет место (по мнению сейсморазведчиков), и тогда, когда сейсмосигнал имеет вид затухающего гармонического сигнала.
     Таким образом, по причине вышеизложенных обстоятельств, тотчас же после того как в 1977 году было установлено, что сейсмосигнал представляет собой один или несколько затухающих гармонических сигналов, стало однозначно понятно, что земная толща представляет собой не совокупность отражающих границ (что является основой сейсморазведки), а совокупность колебательных систем.
     Когда в электротехнике возникло понимание электрического контура, стало ясно, что невозможно рассматривать электрические цепи без учета возникновения собственных колебаний. Однако при этом законы постоянного тока остались в виде частного случая. Здесь же, в акустике твердых сред, когда оказалось, что земная толща проявляет свойства совокупности колебательных систем, то никакого частного случая не осталось. И рассматривая земную толщу как совокупность колебательных систем, уже в принципе нельзя рассматривать ее как-то иначе. А именно, модель земной толщи как совокупности отражающих границ является полностью ошибочной, что и объясняет нулевую эффективность сейсморазведки, идея которой оказалась основанной на этой ошибочной модели.
     Само по себе, это весьма революционный результат, поскольку одно дело, если мы существуем на земной тверди, и совсем другое, если все инженерные сооружения построены на совокупности колебательных систем. Сразу, как наиболее логичный, здесь лежит вывод о том, что в таком случае становятся возможными резонансные явления при эксплуатации сооружений, оказывающих на грунт динамическое (вибрационное) воздействие. Это разного рода энергетические установки - электростанции, насосные станции и пр. То есть, вообще говоря, сооружения, которые определяют уровень цивилизации.
     Однако к этому выводу удалось прийти позже, а тогда, в самом начале, было необходимо понять, какие именно объекты, залегающие в земной толще, играют роль колебательных систем.
     Ответ на этот вопрос был получен чрезвычайно быстро. Дело в том, что первые наши измерения осуществлялись в условиях угольных шахт при пологом залегании угольных пластов, а в таких условиях земная толща сложена плоскопараллельными породными слоями. Поэтому здесь просто не было никаких других вариантов, кроме как предположить, что колебательными системами (иначе говоря, резонаторами) являются породные плоскопараллельные структуры, толщина (мощность) которых h должна быть жестко связана с длиной волны λ регистрируемого сейсмоприемником собственного колебательного процесса:

h = n λ = k / f0           (2)

     Эта пропорциональность длине волны определяется коэффициентом k. Как показали шахтные исследования, соотношение (2) выполняется для всех горных пород при k=2500м/с с погрешностью, не превышающей 10%.
     Обнаружение зависимости (2) позволило начать разработку спектрального принципа сейсморазведки, с помощью которой оказалось возможным получать информацию о строении земной толщи путем измерения спектра сейсмосигнала. И, что оказалось в дальнейшем самым главным, картировать зоны тектонических нарушений (ЗТН). К настоящему времени на этом принципе выкристаллизовался отдельный, самостоятельный исследовательский метод, получивший название спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [4]. Разрез земной толщи, который получается с помощью этого метода, называется ССП-разрезом.
     Обнаружить новый физический эффект - это очень важный момент. Но не менее важным является установление причинно-следственных связей, позволяющих эксплуатировать этот эффект осмысленно. И вот здесь за кажущейся простотой описанного эффекта скрывалась масса подводных камней. Дело в том, что в соответствии с основными положениями акустики твердых сред, да и просто со здравым смыслом, плоскопараллельная структура, материал которой является однородным и монолитным, не должна проявлять свойства резонатора.
     В самом деле, при ударном воздействии на поверхность породного слоя, должен возникнуть короткий упругий импульс, который многократно переотразится внутри слоя от его поверхностей. Такая вот затухающая последовательность коротких импульсов не имеет ничего общего с затухающей синусоидой. Но при ударе-то возникает все-таки синусоида! Все попытки опровергнуть это наблюдение терпели провал. Значит, все-таки, должен быть какой-то механизм преобразования удара в синусоидальный отклик. На поиск решения этого противоречия ушло несколько лет.
     Большую помощь при решении этой проблемы оказал тот момент, что есть материалы, объекты из которых не являются резонаторами. Одним из таких материалов является оргстекло. При воздействии на пластину из оргстекла коротким ударом, отклик представляет собой именно последовательность коротких, затухающих по амплитуде импульсов, как и быть должно.
     Сравнение между собой объектов-резонаторов и объектов-нерезонаторов показало принципиальную разницу между их акустическими свойствами. Объекты из подавляющего большинства твердых сред (металлы и сплавы, стекло, керамика, горные породы) являются резонаторами, и особенность их в том, что у них имеются приповерхностные зоны, в которых скорость распространения фронта упругих волн Vfr не является величиной постоянной. На рис.3 показан слой-резонатор толщиной h в разрезе, и характер изменения скорости Vfr в приповерхностных зонах Δh. Величина зон Δh составляет единицы мм, так что ни о каких атомарных и молекулярных явлениях говорить не приходится.

Сравнение между собой объектов-резонаторов и объектов-нерезонаторов показало принципиальную разницу между их акустическими свойствами
Рис. 3

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

Схема установки, служащей для изучения эффекта Акустического Резонансного Поглощения (АРП)
Рис. 4

     Образец - пластина 1 нормально прозвучивается пьезокерамическим дисковым преобразователем 2, который используется и как излучатель, и как приемник. Как приемник, он регистрирует отражение сигнала от образца и позволяет определять коэффициент отражения β. На канале I осциллографа 6 зондирующий и отраженный сигналы показаны как процессы а и b. Приемник 3 комбинированный. Он состоит из пьезокерамического преобразователя k и пьезопленочного преобразователя p. Приемник 3 позволяет определять коэффициент прохождения α. Зондирующий сигнал - импульсно-гармонический, с изменяющейся частотой заполнения, что обеспечивается свип-генератором 5. Временные отсчеты на всех трех каналах осциллографа смещены так, чтобы все процессы были видны одновременно.
     Исследованиям формирования собственного колебательного процесса в образце-резонаторе предшествует калибровка устройства, для чего осуществляется наблюдение эффекта монохроматора. Монохроматор формируется чисто интерференционными процессами. Его аналогом в оптике является оптический монохроматор или, иначе говоря, просветляющая оптика. При целом количестве продольных полуволн, укладывающихся на толщине h, пропадает отражение сигнала (процесс b), а проходящий через пластину 1 сигнал (процесс с) имеет амплитуду точно такую же, как если бы образца 1 не было вовсе. Частота монохроматора - fmh. Сигналы, снимаемые с пьезокерамики и пьезопленки пьезоприемника 3, синхронны и синфазны. Эффект монохроматора можно наблюдать в пластинах из любых твердых материалов. Пронаблюдав все описанные явления, можем приступать к наблюдению эффекта АРП.
     Частота эффекта АРП - f0. Величина этой частоты процентов на 15-20 больше, чем fmh. На этой частоте исчезает та часть сигнала, проходящего сквозь пластину 1, которая регистрируется пьезокерамическим преобразователем приемника 3. Эта часть поля, которая не проходит сквозь образец, переориентируется на 90°, и регистрируется пьезокерамическим приемником 4. Эффект АРП имеет место только при прозвучивании слоев-резонаторов. При прозвучивании пластин из оргстекла эффект АРП не возникает. На рис.5 показаны частотные характеристики коэффициентов отражения α, прохождения β и напряжения U, снимаемого с пьезоприемника 4 в случае исследуемой в качестве образца 1 пластины-резонатора.

На рис.5 показаны частотные характеристики коэффициентов отражения, прохождения и напряжения, снимаемого с пьезоприемника 4 в случае исследуемой в качестве образца 1 пластины-резонатора
Рис. 5

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

I0 = ReI + jI,

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

h = Vsh / f0 ,      (2*)

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

схема слоистой среды
Рис. 6

     Точки 1-6 - это точки расположения сейсмоустановки (сейсмоустановка - это сейсмоприемник + источник ударного воздействия). Так вот, четкость прорисовки на ССП-разрезе  границы h5 не будет зависеть от того, сколько границ находится выше ее. Но при этом следует помнить, что выявлены на ССП-разрезе будут только те слои-резонаторы, которых будет касаться сейсмоприемник. То есть, отдельно слой h2-h1 или, скажем, h5-h2 и прочие слои-резонаторы, не имеющие верхней своей границей дневную поверхность, в случае сейсмоприемника, находящегося на дневной поверхности, выявлены не будут.
     Это происходит потому, что собственный колебательный процесс слоя-резонатора распространяется вдоль слоя-резонатора, не выходя за его пределы, и стало быть, чтобы зарегистрировать собственные колебания какого-либо резонатора, нужно его касаться сейсмоприемником.
     Эта модель была подтверждена при проведении учеными института Геофизики СО АН РФ измерений с привлечением излучателя «вибросейс». Излучатель находился под Новосибирском, а сейсмоприемник - в Казахстане, на удалении примерно в 1000км. Излучался гармонический сигнал, частота которого очень медленно изменялась от единиц до десятков герц. Цель проведения эксперимента - подтверждение модели традиционной, лучевой сейсморазведки. То есть, предполагалось, что сигнал, который приходит к сейсмоприемнику, излучаясь в точке передачи, отражается от какой-то глубоко залегающей границы, .
     Однако в процессе проведения этого эксперимента оказалось, что есть ряд частот, на которых сигнал не проходит от точки излучения к точке приема. А вот это как раз и подтверждает нашу модель, которая заключается в том, что распространение поля упругих колебаний происходит вдоль породных слоев-резонаторов, и при этом, на частоте этих слоев резонаторов. И если для какой-то частоты нет соответствующего ей слоя-резонатора (в соответствии с формулой (2*)), то и распространения от точки излучения до точки приема не будет.
     К сожалению, в отчете по этому эксперименту факт отсутствия прохождения сигнала на нескольких частотах, скрыт, поскольку этот факт не подтверждает модель традиционной сейсморазведки.
     Итак, следовательно, поле упругих колебаний, возникающее при ударном воздействии на поверхность земной толщи, представляет собой совокупность гармонических затухающих процессов, и распространяется вдоль этой поверхности. Вглубь не распространяется ничего, и, стало быть, ожидать какой-либо информации в русле логики традиционной сейсморазведки нелогично.

ЧАСТЬ II

     Начиная с некоторых пор, на Земле стали происходить техногенные катастрофы, необъяснимые с позиций установившегося, общепринятого уровня знания о свойствах нашей планеты. У этих катастроф есть одна общая черта. Она заключается в том, что непосредственно перед аварией возникает вибрация, амплитуда которой увеличивается до колоссального уровня, и дальнейший рост ее останавливается самим актом разрушения инженерного сооружения. И еще одно общее у всех этих аварий: разрушаются инженерные сооружения, которые оказывают на опору не только статическое, но и динамическое (вибрационное) воздействие.
     Разрушения, прерывающие рост вибрации, происходят настолько мгновенно, взрывоподобно, что часто воспринимаются как следствие именно взрыва. При этом либо в грунте образуется воронка, в которую проваливается само сооружение, либо вибрирующее устройство (например, динамо-машина или насосное устройство) срывается с опор и разрушает все вокруг.
     В эту схему укладывается то, что предшествовало аварии Чернобыльской АЭС в 1986 году, когда в ходе изменения режима турбины возникла вибрация, которая быстро увеличилась до огромного уровня и прервалась сейсмособытием (толчком), которое было зарегистрировано сейсмостанциями. И только примерно через полминуты после этого толчка взорвался реактор.
     На Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году на фоне возросшей вибрации, в ходе плавной остановки гидроагрегата (ГА-2) начался рост амплитуды вибрации, который завершился тем, что гидроагрегат сорвало с опор. Как оказалось, то же самое уже имело место в 1983 году на Нурекской ГЭС.
     Время от времени происходят весьма необычные железнодорожные аварии, когда без всяких видимых причин поезд на всем ходу рвется на две части. Это происходит следующим образом: внезапно, мгновенно и взрывоподобно под каким-то из вагонов поезда образуется воронка, в которую проваливаются столь же мгновенно разрушившиеся шпалы, и при этом рвутся рельсы. Естественно, что вагоны не могут проскочить через такое препятствие, и отрываются от тех вагонов, которые эту зону прошли еще до образования этой воронки.
     На самом деле, это происходит при пересечении некоей зоны, в которой вибрация тела насыпи увеличивается от вагона к вагону по мере прохождения поездом этой зоны. Вибрация увеличивается до столь колоссального уровня, что происходит мгновенное, описанное выше разрушение насыпи.
     Допустим, имеется некий механизм, оказывающий на свою опору динамическое (вибрационное) воздействие с какой-то амплитудой колебаний. Если эта опора является колебательной системой, то как только происходит совпадение частоты вибрации механизма с собственной частотой колебательной системы (резонанс), начинается рост амплитуды колебаний. Рост будет плавным, как если бы мы раскачивали качели, и каждым толчком увеличивали бы амплитуду их отклонения.
     Предельное значение амплитуды колебаний на резонансе превышает исходную амплитуду вибрации в Q раз. В принципе, любое увеличение вибрации снижает надежность и долговечность эксплуатируемого объекта, но если добротность Q невелика (скажем, до 10), то такое увеличение вибрации, скорее всего, не вызовет внезапной аварии. Можно назвать такой случай низкодобротным резонансом.
     Реальные значения добротности колебательных систем, залегающих в земной толще, могут достигать 200 и более. Столь значительное увеличение амплитуды вибрации может оказаться невозможным, так как при этом будет превышен предел упругих деформаций материала опоры вибрирующего механизма. На практике, это выглядит следующим образом. Обычно, по непонятным причинам возникает вибрация грунта, которая плавно, но довольно быстро увеличивается по амплитуде, достигая значений, при которых у людей возникает страх, паника, и они стремятся покинуть объект. В какой-то момент рост вибрации прерывается мгновенным, удароподобным, взрывоподобным разрушением.
     Что именно при этом разрушается, зависит от конкретной ситуации. Чаще всего, в грунте мгновенно образуется воронка, в которую проваливается вибрирующее устройство. Это может сопровождаться пожаром, взрывом и т.п., в зависимости от того, что это за устройство. Если опора вибрирующего механизма - не грунт, а железобетон, как это бывает, например, при установке турбины на тело плотины ГЭС, то при повышении вибрации может сорвать турбину с опор. Если вибрирующее устройство стоит в жилом доме, под которым в земной толще залегает высокодобротная колебательная система, то дом может разрушиться [6].
     Если низкодобротный резонанс может существовать все время, воспринимаясь просто как повышенная вибрация, то высокодобротный резонанс может существовать только как переходной процесс, в состоянии нарастания амплитуды. Поэтому резонансное разрушение происходит обычно тогда, когда по каким-то причинам изменяют частоту вибрации (скорости вращения), уходя от обычного рабочего режима, и при этом случайно попадая в высокодобротный резонанс. Так было, когда изменяли режимы генераторов на 4-м блоке ЧАЭС в 1986 году, а также когда решили плавно остановить гидроагрегат на Саяно-Шушенской ГЭС...
     Резонансные разрушения инженерных сооружений известны как горные удары или техногенные землетрясения. 
     Неизбежно возникает вопрос: почему мы не слышим никогда о резонансе, когда идет разбор случившихся аварий. О наличии сильной вибрации информацию встретить можно, а вот о резонансе как причине вибрации нигде услышать нельзя. Почему так?
     Причина этого очень проста. Для того, чтобы говорить о резонансе, нужно знать о наличии колебательной системы. Ведь резонанс - это ситуация, когда имеет место совпадение собственной частоты колебательной системы с частотой внешнего (вибрационного) воздействия.  Таким образом, если нет колебательной системы, то и резонанса быть не может. Но согласно общепринятой парадигме, в земной толще нет и быть не может никаких колебательных систем.
     В настоящее время сложилась ситуация, когда, с одной стороны, имеется масса экспериментальных данных, а также технические средства, доказывающие,

  • что земная толща представляет собой именно совокупность колебательных систем;
  • что в зонах тектонических нарушений добротность этих колебательных систем достигает весьма значительных величин, и
  • что энергетические установки, находящиеся в этих зонах, в любой момент могут оказаться мгновенно разрушенными.

     С другой же стороны, признание земной толщи как совокупности колебательных систем приведет к потере работы великого множества людей, которые кормятся от идеи сейсморазведки, в основе которой лежит утверждение, что земная толща по акустическим свойствам представляет собой совокупность отражающих границ.
     Познание бесконечно, и независимо от уровня цивилизации, развитию познания соответствует постоянное противодействие ему.
     Точно так же, как когда-то величайшие, признанные ученые были заинтересованы в сохранении неподвижности Земли на фоне вращающихся вокруг нее планет и звезд, и пытались не допустить вращения нашей планеты, так и сегодня весь цвет науки всею мощью своего авторитета противодействует экспериментально установленным фактам, доказывающим то, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем.
     Сила авторитета - против эксперимента... Интересное противостояние. Как утверждают философы, самый невзрачный эксперимент может оказаться могильщиком прекрасной, математически обоснованной теории. Но может быть, философия устарела?..
     Что ж, действительно за последнее время много что изменилось. И если раньше противодействие развитию познания преодолевалось ценой жизни отдельных подвижников, то сегодня - ценой многих и многих безвестных и ни в чем невиновных землян. Сколько же еще должно погибнуть людей в чернобыльских и саяно-шушенских катастрофах, в невских экспрессах и других резонансных техногенных катастрофах, чтобы вершители судьбы научного познания обратили свое высочайшее внимание на те невзрачные экспериментальные данные, которые существуют независимо от их воли?!..

ЧАСТЬ III

     В соответствии с рис.6, величина hi может достигать любых размеров, вплоть до размеров нашей планеты. Вся же планета Земля как отдельный резонатор может быть уподоблена шару, и если правомерно для такого объекта брать Vsh=2500м/с, а диаметр Земли - 12742км, то ее собственная частота будет составлять

f0 = Vsh / h = 2,5 / 12742 ≈ 200 мкГ     а период     T ≈ 85 мин.

     В конце-концов, абсолютные размеры объектов-резонаторов не имеют никакого значения. И если в лаборатории исследованиям подлежат колебательные свойства стеклянного шара диаметром около 5см, то он вполне может рассматриваться как модель другого шара-резонатора, хоть бы и планетарного масштаба.
     Собственные частоты объектов-резонаторов, залегающих в земной толще, могут иметь значения как очень малые, так и весьма значительные. Так, собственная частота породного слоя толщиной 1м - 2500Гц. Если предположить глубину границы ядра с мантией порядка 3000км, то этой границе соответствует частота около 0,8 миллиГерц (0,8·10-3Гц).
     При наличии в теле нашей планеты колебательных систем столь широкого частотного диапазона, существуют различные возможности реализации резонансных явлений. Суть же резонансных явлений не зависит от значения частот, на которых они происходят.
     Одно из свойств зон тектонических нарушений - наличие в этих зонах планетарной пульсации. Это явление было обнаружено с помощью аппаратуры космической геодезии уже более 10 лет тому назад [7, 8], но то, что проявление этой пульсации имеет место именно в зонах тектонических нарушений, было обнаружено при совместном использовании метода ССП и метода космической геодезии. Амплитуда колебаний планетарной пульсации может достигать колоссальных значений - до 10см. Однако поскольку частота их очень мала, то обнаружить это явление можно только с помощью специальной аппаратуры. Планетарная пульсация не является стабильным, стационарным процессом. Как амплитуда, так и частота ее изменяются в широких пределах. Зачастую обнаруженная пульсация пропадает на следующий день, а затем возникает вновь, в той же зоне, но уже с ощутимо другой частотой и амплитудой.
     Планетарная пульсация представляет интерес, в первую очередь, потому что она является фактором, объясняющим весьма высокую вероятность разрушения инженерных сооружений, оказавшихся в ЗТН [9]. Однако некоторые наблюдения позволили предположить, что планетарная пульсация является механизмом, развязывающим природные землетрясения.
     Достаточно давно уже сейсмологи стали замечать, что землетрясениям предшествуют некие колебания1. Эти колебания происходят с нарастанием амплитуды, которое обрывается землетрясением. Далее, при записи самого землетрясения иногда наблюдаются афтершоки, которые представляют собой всплески гармонических колебаний. Так, после Спитакского землетрясения афтершоки продолжались примерно полтора года. С позиций рассмотренных выше явлений, эти эффекты укладываются в следующую логику.
     Источником планетарной пульсации не является какая-либо колебательная система, поскольку в таком случае было бы невозможно изменение частоты пульсации. Но для возникновения резонансных явлений внешнее воздействие не обязательно должно быть гармоническим. Так, в том же классическом примере разрушившегося моста воздействие со стороны группы шагающих в ногу людей не было гармоническим. Достаточно, чтобы оно было ритмическим.
     Источником знакопеременного воздействия, проявляющегося на поверхности Земли планетарной пульсацией, могут оказаться какие-то глубинные процессы, происходящие внутри земного ядра,. Типа, скажем, булькающего на огне какого-то варева. Это «бульканье» одинаково «слышно» во всей земной толще. Однако если в какой-то промежуток времени это воздействие имеет ритмический характер, то резонансное явление будет происходить в той залегающей в земной толще колебательной системе, частота которой окажется близкой к ритму воздействия.
     Тогда начнется рост амплитуды вплоть до того значения, когда произойдет разрушение соответствующей породной толщи. То есть, возникнет сейсмотолчок. При этом колебания срываются до нуля, и если частота ритмического воздействия не изменяется, то начнется новый рост амплитуды колебаний, который закончится новым толчком. Интенсивность, количество и периодичность последующих толчков будет определяться постоянством периода планетарной пульсации.  
     На рис.7 показана зависимость, иллюстрирующая многие сообщения сейсмологов, наблюдавших землетрясения. По этим рассказам, землетрясению предшествует рост амплитуды пульсации A, который завершается сейсмособытием - землетрясением в момент t = 0. В ряде случаев, увеличение амплитуды пульсации сопровождается изменением (увеличением или уменьшением) ее частоты f. Не имеет значения, уменьшается частота или увеличивается. Главное, что она приближается к собственной частоте некоей колебательной системы.
     Как видим, процесс подготовки природного землетрясения в принципе не отличается от подготовки техногенного резонансного землетрясения.

зависимость, иллюстрирующая многие сообщения сейсмологов, наблюдавших землетрясения
Рис. 7

     Итак, получается, что природные землетрясения также имеют резонансную природу, как и резонансные техногенные землетрясения. Значит, внешней вибрацией, которая усиливается резонансным механизмом, служит планетарная пульсация. Которая, как выше сказана, проявляется только в ЗТН.
     Но тогда, если эта гипотеза верна, то при землетрясениях любой силы, даже в эпицентре сколько-то сооружений должны оставаться неразрушенными. А ведь это действительно так... Вот рассказ одного из очевидцев землетрясения 1988-го года в Ленинакане: «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».
     Очевидец объясняет это случайностью. Это естественно, он же не знал тогда о свойствах зон тектонических нарушений...
     Мне довелось проводить исследования в Ленинакане. Сейчас этот город вернулся к своему историческому имени - Гюмри. Армения находится в очень сложных экономических условиях, и поэтому состояние города за 20 лет не изменилось. Много домов, разрушенных только частично. Половина, скажем, дома находится в нормальном состоянии, а половина - разрушена до состояния кучи мусора.
     Мне представилась возможность обследовать территорию около средневекового храма, в одной из стен которого во время землетрясения образовалась система трещин. Как оказалось, зона трещиноватости, в точности совпала с зоной тектонического нарушения.
     Таким образом, ситуация с природным землетрясением такова, что техногенное резонансное землетрясение, которое нетрудно создать и, стало быть, изучать, вполне может служить его моделью. Изучение же модели явления - это путь к его прогнозированию.
     Еще несколько слов о планетарной пульсации. Активность этого процесса очень изменчива, но это сказывается не на интенсивности землетрясений (их частоте и магнитудах), а на количестве техногенных катастроф. Так, известны периоды, когда количество техногенных катастроф на Земле резко увеличивается относительно средней статистики. Это внезапные разрушения инженерных сооружений, уже разрушенных до такой степени, что находятся как бы в состоянии неустойчивого равновесия. Увеличение же амплитуды планетарной пульсации является лишь спусковым механизмом для их разрушения. Одна из типичных аварий, происходящая под воздействием этого спускового механизма - это обрушение крыши. Так, в 2006 году обрушилась крыша Басманного рынка в Москве. Практически одновременно с этим, аналогичные аварии произошли в Чехии, Швейцарии, Германии, в Сибири...
     Что же касается природных землетрясений, то количество их определяется количеством случайных совпадений периода планетарной пульсации с собственными периодами существующих в земной толще колебательных систем. Интенсивность же их зависит от размеров геологической структуры, работающей в качестве высокодобротной колебательной системы, амплитуда колебаний которой на резонансе возрастает до катастрофического значения.
     Подводя итог, можно сказать, что логика противодействия губительному воздействию землетрясений получается следующая. Прежде всего, следует исключить возможность какого-либо строительства в зонах тектонических нарушений. Уже одна эта мера исключает как техногенные катастрофы, так и уязвимость от землетрясений. Те сооружения, которые уже возведены, должны быть продиагностированы на предмет наличия под ними зон тектонических нарушений.
     Методика прогноза природных землетрясений, основанная на идеях, высказанных в настоящей статье, не представляется особо сложной. Выявление крупных зон тектонических нарушений на поверхности Земли - задача вполне реальная. Метод регистрации в этих зонах сверхнизкочастотной пульсации и регистрация факта увеличения ее амплитуды также может быть разработан. Однако, если вся предыдущая работа могла быть выполнена по сути, с минимальной затратой сил, и без каких-либо субсидий, то заключительная ее фаза безусловно требует привлечения каких-то дополнительных сил, а также финансирования.
     Изучение любого объекта должно соответствовать его реальным свойствам. Изучение свойств земной толщи и нашей планеты в целом может идти только в русле ее колебательных свойств, поскольку она представляет собой не что иное, как совокупность колебательных систем. Осознание этого - процесс длительный. И пока это будет происходить, состоится еще не одна техногенная катастрофа, и не одно землетрясение.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. "Сейсморазведка - это очень просто".
  2. Гликман А.Г. "Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия".
  3. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: Связь, 1957.
  4. Гликман А.Г. О принципах спектральной сейсморазведки.// Геофизика XXI столетия: 2003-2004 годы. Сборник трудов Пятых и Шестых геофизических чтений имени В.В. Федынского.- Тверь.: ООО «Издательство ГЕРС».- 2005.- 381с., с.370-375.5. АРП
  5. Гликман А.Г. "Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний".
  6. Гликман А.Г. "Авария на Саяно-Шушенской ГЭС - это очень просто".
  7. Гликман А.Г. "Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН)".
  8. 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.
  9. Гликман А.Г. "Планетарная пульсация как механизм формирования тектонических процессов".

[1] К сожалению, конкретных ссылок на работы сейсмологов я дать не могу, поскольку мне не удалось найти публикации, в которых разного рода высказывания на конференциях и семинарах на эту тему были бы четко зафиксированы.


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: