Переход на стартовую страницу книги Гликмана А.Г.
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En
 приобрести книгу 

ГЛАВА II
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ИНФОРМАТИВНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОЛЯ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ

     Осуществляя какие-либо измерения, мы каждый раз эксплуатируем какие-то конкретные, уже известные к моменту проведения исследований, реально существующие физические эффекты. Так, например, измеряя стрелочным прибором электрический ток, мы эксплуатируем эффект Ампера, то есть рассчитываем на то, что находящаяся в магнитном поле рамка с током повернется на угол, величина которого зависит как от напряженности этого поля, так и от величины тока. Результаты этих измерений повторяемы, и осуществление анализа их погрешности труда не составляет, что, собственно, и является непременным условием того, чтобы осуществляемые с помощью измерительной аппаратуры действия могли называться измерениями.
     Я это к тому говорю, что, если подойти с таких позиций к традиционным сейсмоизмерениям, то будет совершенно непонятно, какой эффект при этом эксплуатируется. Расчета на регистрацию эхо - сигнала быть не может, так как экспериментально он никогда зарегистрирован не был, а как было показано в разделе VI.9, и в принципе не существует. Но в таком случае совершенно непонятно, какую же информацию можно было бы извлечь из временнóго изображения сейсмосигнала.
     Поскольку временнóе изображение сейсмосигнала меняет свои очертания при любых малейших изменениях условий сейсмоизмерений, то о метрологическом обеспечении традиционных сейсмоизмерений также говорить не приходится. Ну и, в конце концов, нельзя забывать о том, что традиционные сейсмоизмерения не являются и в принципе не могут являться источником конкретной, определенной информации, не зависящей от априорных данных. Именно в силу этого общеизвестного факта ни один опытный сейсморазведчик не станет осуществлять интерпретацию своих измерений, не имея надежной информации о фактическом строении земной толщи в данном месте. Отметим, что для того, чтобы никому не пришла мысль о ненужности сейсмоизмерений, в отчете будет отсутствовать информация о том, что сейсмоизмерениям предшествовали какие-либо другие исследования.
     Совершенно иное дело, когда речь идет о спектрально - акустических и, соответственно, спектрально - сейсморазведочных измерениях.
     Поскольку непосредственным объектом измерений является не временнóе, а спектральное изображение сейсмосигнала, то при условии отсутствия спектральных искажений у сейсмоприемника (а эта задача решена [14]) метрологическая оценка спектрально - акустических измерений не является проблемой.
     Однозначная зависимость спектра сейсмосигнала от конкретных параметров исследуемых объектов имеет своим следствием однозначность и независимость от априорной информации результатов спектрально - сейсморазведочных измерений.

VII. ПРИНЦИПЫ СПЕКТРАЛЬНО - АКУСТИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

     Изложенный в предыдущих разделах материал позволяет разработать методы акустического исследования, основанные на использовании резонансных свойств исследуемых объектов. Здесь представляются следующие два основных направления:

  1. Спектрально - акустическое исследование горных пород в условиях их естественного залегания и
  2. Спектрально - акустическая дефектоскопия.

     Различие между этими двумя направлениями определяется различием в протяженности исследуемых объектов. В акустике различие в протяженности объектов оказалось столь существенно, что и методики, и результаты возможных исследований в обоих случаях различаются принципиально.

VII.1. Спектрально-акустические исследования горных пород

     Сконцентрируем применительно к слоистой среде осадочных пород основные спектрально - акустические принципы, изложенные в предыдущих разделах. Это будет выглядеть следующим образом:

  1. Ударное воздействие на поверхность слоистого горного массива вызывает возникновение сейсмосигнала, спектральный состав которого определяется строением этого массива, а именно, мощностями слагающих его породных слоев;
  2. Зависимость между собственной частотой f0i гармонических затухающих колебаний, возникающих в каждом породном (не только простом, но и составном) слое и мощностью hi этого слоя с точностью до ±10% имеет следующий вид:

          (VII.1)

         Это выражение упоминалось уже дважды (I.1 и VI.7), но поскольку оно является основным расчетным соотношением при спектрально - акустических исследованиях, удобно его иметь также и в этом разделе;

  3. Собственные упругие колебания, возникающие в слоистом массиве в результате ударного на него воздействия, распространяются вдоль поверхностей напластования со скоростью, по величине близкой к Vсдв, отражаясь от границ, прерывающих залегающие в массиве породные слои;
  4. Границы между соседними породными слоями, выявляемые спектрально - акустическими измерениями, обусловлены не изменением величины удельного акустического сопротивления, а возможностью проскальзывания по этим границам соседних сред.

VII.2. Физический смысл границ,
выявляемых спектрально-акустическими измерениями

     Физические свойства выявляемых границ являются ключевым моментом для любого геофизического, да и геологического метода.
     В период, когда мы выясняли, какие же границы позволяют выявлять спектрально - акустические измерения, шахтные геологи предложили нам осуществить эксперимент, направленный на решение этой задачи. Эксперимент заключался в том, что спектрально-акустические измерения осуществлялись в непосредственной близости от обнаженного среза пород. При этом предполагалось, что критерием правильности выявляемых с помощью спектрально-акустических измерений границ должно являться соответствие их границам, выявляемым визуально.
     При проведении предложенного эксперимента ситуация была следующая. Визуально на обнаженном 10-метровом срезе пород угленосной толщи прослеживался ряд очень четких горизонтальных, почти параллельных друг другу линий. Породы, находящиеся между этими визуально наблюдаемыми границами, различались по цвету. Однако ни одна из визуально наблюдавшихся границ не подтвердилась в результате проведенных спектрально - акустических измерений. Более тщательное исследование, осуществленное с помощью выбуривания керна, показало, что 10-метровая породная толща сложена однородными алевролитами, не содержащими никаких включений. То есть визуально наблюдаемые границы образовались всего лишь в результате изменения цветности весьма однородных по своему составу пород.
     При выбуривании керна и его исследовании границы выявляют на основании наблюдаемого изменения вещественного состава пород, изменения величины зерна, изменения цвета, прочности, по факту излома керна и т. д.
     С помощью геофизики можно выявлять лишь те границы, которые соответствуют свойствам используемого физического поля. При использовании, скажем, электроразведочных методов выявляются границы, которые разделяют среды с различной электропроводностью. А вот какие границы выявляются при использовании спектрально-акустических измерений - долгое время оставалось неясным.
     Вернемся к рис. V.1. Здесь очень четко видна граница на расстоянии 7 м от обнажения между песчаником и песчанистым алевролитом, хорошо видна граница на расстоянии 17,3 м от обнажения между алевролитом и известняком, но не видна граница на глубине 12,5 м между алевролитом и песчанистым алевролитом. Кроме того, бурением не подтверждаются выявленные спектрально-акустическими измерениями крайне резкие границы на глубинах 2,2 и 3 м.
     Для выяснения природы выявляемых спектральной акустикой границ мы в течение нескольких лет на различных шахтах обследовали породы кровли в обрушенном пространстве. При этом оказалось, что выявляемые с помощью спектрально-акустических измерений границы соответствовали поверхностям, по которым шло отслоение пород, предшествующее их обрушению. В большинстве случаев эти поверхности были обусловлены наличием тонких и сверхтонких (доли мм) углистых, мергелистых, слюдяных и прочих прослоек. Иногда эти поверхности бывают приуроченными к зеркалам скольжения, сформированным еще во время осадконакопления, и тогда они являются, по сути, сомкнутыми трещинами при полном отсутствии изменения в них состава материала.
     Таким образом, на основании анализа соответствия границ, выявляемых спектрально-акусти-ческими измерениями, фактическому строению пород, был сделан вывод о том, что выявляемые границы представляют собой поверхности фактического или потенциального расслоения. В связи с этим, было введено понятие поверхностей ослабленного механического контакта (ОМК) как объекта, подлежащего изучению с помощью спектрально - акустических измерений ([18]).
     Необходимо отметить, что если границы, залегающие в терригенных породах, выявляются спектральной акустикой, то это происходит только в том случае, если соседствующие породы резко различны по прочности (на рис.V.1 такая граница находится на глубине 7 м). Между терригенными и карбонатными (на глубине 17,3 м) границы выявляются спектральной акустикой всегда, поскольку эти породы никогда не "прилипают" друг к другу. Иначе говоря, границы с известняком методами спектрально-акустических измерений выявляются с наиболее высокой степенью надежности.
     Поверхности ОМК могут быть выявлены другими, не спектрально-акустическими методами только в отдельных, частных случаях. Так, граница между терригенными и карбонатными породами надежно выявляется бурением. Если соседствующие породы резко отличаются по своей электропроводности (например, аргиллиты и песчаник), то и электроразведкой. Однако тонкие и сверхтонкие прослои кроме спектрально - акустических методов не могут быть выявлены никакой другой геофизикой.
     При керновом бурении керн по всем поверхностям ОМК, как правило, ломается. Если эти поверхности обусловлены не сменой литотипа, а какими-то прослоями, то материал этих прослоев в результате вращения обломков керна истирается и вымывается промывочной жидкостью и, в конце концов, причина излома керна остается неизвестной. А поскольку причину излома керна установить не удается, то считается, что излом керна происходит из-за некачественного бурения.
     Как показал опыт, резкие границы, подобные выявленным на рис. V.1, на глубинах 2,2 и 3 м, на угольных месторождениях почти всегда обусловлены углистыми прослоями, которые раньше, до создания спектрально-акустического направления, выявлять не удавалось. Таким образом, можно утверждать, что спектрально-акустические методы являются единственным техническим средством, позволяющим выявлять поверхности ОМК независимо от их происхождения.
     Кроме перечисленных, считаем необходимым назвать еще один механизм формирования поверхностей ОМК. В ряде случаев поверхности ОМК образуются тогда, когда в процессе осадконакопления (седиментации) возникает разрыв этого процесса следующим образом. Скажем, в результате очень холодной зимы может замерзнуть входящая в состав находящихся на поверхности (на тот момент времени) осадочных пород связанная вода. Связанная вода, как известно, существует в мелкодисперсных средах и, замерзая при очень низких температурах (ниже -30°С), оттаивает лишь при достаточно высоких температурах (выше +20°С). И если после этой холодной зимы лето было недостаточно теплым, то при дальнейшем осадконакоплении из-за наличия не оттаявшей связанной воды не произойдет диффузия вышележащих пород в нижележащие. В результате, имеем очень четкую поверхность ОМК, которую вместе с тем невозможно увидеть даже при тщательном визуальном исследовании стенок скважины.
     Применение метода спектральной сейсморазведки в условиях выхода на поверхность кристаллических пород (гранита) показало, что этим методом подлежат выявлению так называемые постельные трещины. Визуально их выявить невозможно. Происхождение их на сегодняшний день остается неизвестным, а выявляются они только тогда, когда уже изготовленное изделие ни с того ни с сего вдруг разваливается по этой самой трещине.

VII.3. Спектрально - сейсморазведочное профилирование (ССП)

     Многослойная среда осадочного чехла по акустическим свойствам представляет собой совокупность слоев - резонаторов. Основу спектрально - сейсморазведочного профилирования составляет тот факт, что информация о толщинах (мощностях) этих слоев, о наличии в них разного рода неоднородностей и о характере границ между ними содержится в спектре отклика этого массива на ударное воздействие.
     Вместе с тем, при разработке метода ССП казался весьма сложным следующий вопрос. Если в точке исследования присутствует множество породных слоев (а так оно обычно и бывает), то при ударном воздействии на поверхность земной толщи возникнет множество гармонических составляющих. Вопрос в том, как, в какой очередности расположить выявленные по спектру отклика породные слои различных толщин. Задача разрешилась сама собой при первом же измерении на слоистом массиве. Это проиллюстрировано на рис.VII.1.
     На рис. VII.1. показан мысленно сконструированный объект, представляющий собой совокупность из трех свободно лежащих одна на другой плоскопараллельных бесконечно протяженных структур, материал которых одинаков, и характеризуется значением Vsh=2500 м/с, что близко к значению скорости сдвиговых колебаний в осадочных породах.


Рис. VII.1

     Граница между слоями h2 и h3 (проведена жирной линией) отличается от двух других тем, что между этими слоями - смазка. Слой h3 лежит на безграничном массиве из того же материала.
     При нанесении удара по поверхности такой структуры собственные упругие колебания возникнут во всех трех слоях h1, h2 и h3, а также в составных структурах (h1+h2), (h1+h2+h3) и (h2+h3) на частотах, соответствующих всем этим мощностям.
     Наша задача - научиться по спектральному изображению сейсмосигнала получать информацию о строении изучаемого массива.
     Обилие возникающих в многослойных средах собственных колебательных процессов, казалось бы, должно было бы эту задачу усложнить. Однако оказалось, что, несмотря на то, что все эти собственные колебания действительно возникают, сейсмоприемник, установленный на поверхности массива, воспримет собственные колебания лишь тех структур, которых он касается. А именно, h1, h12 и h123. Собственных колебательных процессов слоев - резонаторов, не касающихся сейсмоприемника, зафиксировано не будет. То есть оказалось, что канализация вдоль слоев-резонаторов идет без просачивания собственных упругих волн в соседствующие с ними структуры.
     Это упрощает решение задачи и позволяет получать разрез многослойной среды непосредственно по спектрограмме сейсмосигнала, которая в данном случае будет иметь вид, подобный приведенной на рис.VII.2.


Рис. VII.2

     Спектрограмма синтезирована с учетом приведенного выше описания трехслойной среды, и имеет две оси абсцисс: слева направо - ось частот f, а справа налево - ось мощностей h, соотносящихся между собой в соответствии с величиной скорости Vсдв. Ось ординат проградуирована в значениях Q (см. параграф VI.8). Каждая из структур характеризуется своим значением Q. Наибольшее значение имеет Q, соответствующая структуре h12, что является следствием наличия смазки между слоями h2 и h3. Кроме того, видно, что экстремум, соответствующий структуре h1, несколько больше, чем h123. Так может быть потому, например, что по нижней границе прижим, определяемый собственным весом, больше, чем по границе верхней.
     На практике, в природе, таких резких, отчетливых, плоскопараллельных границ не бывает. Наличие в земной толще разного рода включений, выклинивания, нарушения разрывного типа - все это приводит к тому, что для повышения информативности спектрально - акустических измерений необходимо выполнять не одно измерение, а вести как бы профиль, повторяя измерения через определенный шаг. При этом совокупность спектрограмм образует рисунок, содержащий информацию об исследуемом массиве.
     Такое исследование называется спектрально - сейсморазведочным профилированием (ССП). Рисунок же, который получается при этом, называется ССП-разрезом.
     Для примера, рассмотрим результат профилирования, осуществленного под Выборгом, в городе Советск. Полученный при этом ССП-разрез изображен на рис.VII.3.


Рис. VII.3

     Измерения производились в Выборгском р-не Ленинградской обл., где мощность осадочного чехла не превышает 50м, а в ряде случаев, кристаллический фундамент (гранит) выходит на поверхность. Максимальная глубинность обследования была ограничена 100 метрами. Профилирование осуществлялось с шагом (расстоянием между точками измерения) 1м.
     На рис. VII.3,а ССП-разрез дан в неискаженном виде, когда вертикальный и горизонтальный масштабы одинаковы. Как правило, для того, чтобы рассмотреть детали разреза, приходится разрез искажать, как это сделано на рис VII.3,б, где отношение масштабов 1:3.

     На участке профиля 0 - 7 м глубина залегания гранита составляет примерно 25 м, а на участке 19 - 28 м - примерно 30 - 35 м. Участок профиля 8 - 18 м очень интересен, так как представляет собой классическое тектоническое разрывное нарушение.
     Левое, поднятое крыло нарушения на участке 9 - 12 м ограничено субвертикальной поверхностью сместителя, а участок 13 - 18 м, отделяющий сместитель от правого крыла, не содержит четко выраженных поверхностей, поскольку представляет собой зону дробления.
     Здесь очень важно отметить, что выявление отдельных геологических объектов на ССП-разрезах осуществляется путем наблюдения рисунка, образованного совокупностью множества отдельных спектральных изображений сейсмосигналов, и наличие или отсутствия границы на отдельно взятом единичном изображении практически не несет информации.
     Отметим, что в таком явном и наглядном виде тектонические нарушения, не выходящие на поверхность, нельзя увидеть никаким другим геофизическим методом. Как показало применение метода ССП, зоны тектонических нарушений имеют большое количество самых неожиданных свойств, что будет рассмотрено в главе VIII.

VII.4. ПРИНЦИПЫ СПЕКТРАЛЬНО - АКУСТИЧЕСКОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

     Назначение спектрально - акустической дефектоскопии состоит в получении информации о нарушенности материала исследуемого объекта, о наличии и местонахождении скрытых от глаз трещин, а также о кинематических характеристиках материала.
     В основе спектрально - акустической дефектоскопии конкретных объектов лежат следующие моменты:

  1. Количество собственных частот исследуемого объекта определяется количеством его размеров в совокупности с залегающими в нем границами;
  2. Добротность каждого из собственных колебательных процессов определяется параметрами соответствующих границ.

     Проиллюстрируем эти положения на конкретных примерах. Естественно, двигаясь от простого к сложному.

VII.4.1. Прямоугольный параллелепипед

     На рис. VII.4 приведен пример спектрально - акустической дефектоскопии гранитного блока в виде прямоугольного параллелепипеда. Показанный на этом рисунке график является частотным спектром сигнала с той особенностью, что по оси абсцисс отложена частота, пересчитанная в размеры блока по формуле (VII.1). Как показали эксперименты, принимая для гранита величину Vсдв равной 2500 м/с, мы обеспечиваем погрешность определения размеров не больше, чем 10%.
     По оси ординат отложена величина Q. Различные величины трех экстремумов, соответствуют различию качества обработки поверхностей блока. Наибольший экстремум соответствует размеру между отполированными поверхностями, средний - между поверхностями, только одна из которых отполирована, наименьший - между поверхностями, не подвергнутыми полировке.
     Величина флюктуаций между экстремумами определяется уровнем микронарушенности (микротрещиноватости) гранита. Наибольшего значения эти флюктуации достигают в начале оси абсцисс и определяют размер зерна минералов, составляющих гранит.
     Для сравнения со случаем, проиллюстрированным рис. VII.4, рассмотрим исследование другого, внешне практически такого же блока.


Рис. VII.4


Рис. VII.5

     В отличие от спектрограммы, приведенной на рис. VII.4, на которой трем размерам гранитного блока соответствуют три экстремума, на спектрограмме рис. VII.5 видны еще два экстремума, соответствующих размерам 60 и 90 см. Они свидетельствуют о наличии еще одной границы (поверхности ОМК) в пределах блока. Эта поверхность ОМК обусловлена имеющейся в блоке сомкнутой трещиной. За поведением этой трещины мы наблюдали в течение всего цикла обработки блока. Проявляясь на спектрограммах при проведении спектрально - акустической дефектоскопии, трещина визуально себя не обнаруживала вплоть до самого конечного момента обработки блока, когда блок по ней развалился на две части.
     Если сравнивать две спектрограммы, то можно обратить внимание на то, что уровень флюктуаций, то есть уровень трещиноватости гранита в обоих случаях примерно одинаков. То есть трещина во втором блоке возникла не как следствие вообще повышенной нарушенности гранита (возникшей, например, в результате взрывов при отколе блока), а существует как отдельный объект. По форме поверхность, образовавшаяся после того как блок развалился на две части, близка к плоскости. Как считают камнеобработчики, так выглядит и ведет себя постельная трещина, которая залегает в гранитном массиве примерно горизонтально, визуально неразличима и проявляется только на последней стадии обработки изделий.
     Невозможность заблаговременного выявления постельных трещин приводит к большим издержкам при изготовлении ответственных изделий из строительного камня. Однако теперь, с созданием спектрально - акустической дефектоскопии эта проблема может быть решена.

VII.4.2. Дефектоскопия сложных объектов

     Спектрально - акустическую дефектоскопию можно осуществлять на объектах, имеющих какие угодно размеры и любую конфигурацию. Но в тех случаях, когда объект имеет достаточно сложную форму (разного рода отливки и детали, а также узлы машиностроительной промышленности), может и не получиться каждому из экстремумов придать смысл конкретного размера. В таком случае представляется целесообразным осуществлять сравнительную дефектоскопию. То есть, взяв за образец спектрограмму заведомо качественного изделия, сравнивать с ней спектрограммы других изделий, разумеется, идентичных по своей форме и размерам.
     Подобного рода исследования были осуществлены на вагоностроительном заводе, где большая номенклатура отливок и изделий подвергается проверке с помощью рентгеновского просвечивания.
     При обследовании нескольких групп различных металлических изделий метод спектрально - акустической дефектоскопии показал себя более эффективным, чем метод рентген-диагностики. Дело в том, что рентген, давая информацию о кавернах, не видит сомкнутых трещин. При использовании метода спектрально-акустической дефектоскопии все эти объекты одинаково выявляемы.
     Кроме того, при полной экологической безопасности акустических методов, они оказались во много раз более экономичными и производительными, чем рентген-диагностика. Так, отливка средней сложности под рентгеном исследуется около 8 часов. Спектрально - акустические измерения позволяют обследовать партию из 10 отливок в течение не более чем 1 часа.
     К сожалению, высокая экономическая эффективность при наших принципах хозяйствования не является положительным свойством метода, и руководители предприятий, убедившиеся в эффективности метода спектрально-акустической дефектоскопии обычно предпочитают те методы, которые, возможно, и не являются столь же информативными, но позволяют им "осваивать" бóльшие средства.

VII.4.3. Определение кинематических характеристик

     Согласно материалу, изложенному в разделе III, объективными кинематическими характеристиками поля упругих колебаний, к которым могут быть применены общепринятые метрологические оценки, являются: скорость распространения фронта упругих колебаний Vфр, скорость объемных (продольных) колебаний Vпр и скорость сдвиговых (поперечных) колебаний Vсдв.
     Определение скорости Vфр при использовании импульсного источника осуществляется путем регистрации момента первого вступления, и достоверность получаемого значения зависит от того, насколько точно выявленный момент соответствует моменту первого вступления. Здесь погрешность определения момента первого вступления определяется уровнем помех и скоростью нарастания сигнала. Однако это чисто аппаратурный момент. Принципиальный же момент состоит в том, что регистрируя момент первого вступления в объектах из подавляющего большинства твердых сред, мы определяем не скорость распространения фронта зондирующего сигнала, а скорость распространения сложного поля, основная часть которого - это поле собственных упругих колебаний, возникших под воздействием зондирующего сигнала.
     О скорости распространения именно зондирующего сигнала можно говорить только при лабораторных измерениях с применением направленного источника. Сама же определяемая величина Vфр при этом будет зависеть от наличия и количества зон h, которые встретятся на пути сигнала. И поскольку эти зоны возникают при образовании трещин (в том числе, и сомкнутых), то сравнивая значения этой скорости в различных геометрически идентичных объектах, также можно сравнить эти объекты по нарушенности их материала.
     Участок сигнала, соответствующий первому вступлению, размывается в результате наличия в исследуемом образце рассеивающих неоднородностей. Эти неоднородности уменьшают направленное действие источника зондирующего сигнала, что и приводит к размыванию начального участка сигнала. Сравнивая очертания первых вступлений различных, геометрически идентичных объектов, можно сделать вывод о различном уровне их нарушенности.
     Скорости продольных и поперечных волн не есть скорости распространения, и определяются лишь в режиме стоячих волн. Определение скоростей Vпр и Vсдв возможно в объектах лишь достаточно простой формы - в пластинах или цилиндрах, поскольку измерения заключаются в выявлении критических частот. А именно, при определении Vпр - частоты монохроматора, и при определении Vсдв - собственной частоты. Эти измерения по смыслу аналогичны измерениям, описанным в параграфе VI.2, которые осуществлялись при наблюдении эффектов монохроматора и АРП.
     На рис. VII.6 показана схема, которая может применяться для получения информации о кинематических характеристиках сред путем исследования объектов в виде цилиндра.
     Образец 1 исследуется с помощью трех пьезопреобразователей.
     Преобразователь 2 - излучатель; преобразователи 3 и 4 - приемники.
     При определении скорости Vфр используется импульсный генератор, сигнал с которого возбуждает излучатель 2, и используется при этом только один приемник 3, с помощью которого регистрируют момент первого вступления.
     При определении скоростей Vпр и Vсдв для возбуждения излучателя 2 используется генератор синусоидального сигнала, частота которого может изменяться по усмотрению оператора, и оба приемника (3 и 4).
     При определении скорости Vсдв нужно найти такую частоту излучения, при которой минимальному значению сигнала с приемника 3 соответствует максимум сигнала с приемника 4. При определении скорости Vпр сигнал должен иметь такую частоту, когда максимум сигнала наблюдается одновременно на обоих приемниках.
     Характер получающихся при этих измерениях частотных зависимостей сигналов, поступающих на входы осциллографа, подобен изображенному на рис. VI.3. На практике такие зависимости наблюдаются, когда образец - обработанный по высшему классу точности и чистоты поверхности стеклянный цилиндр с параллельными торцами.
     Снижение точности геометрии образца и чистоты обработки его поверхности, а также наличие в материале исследуемого образца неоднородностей (в частности, трещиноватости) приводит к смазыванию экстремумов и смещению их на частотной оси. Учет этих искажений позволяет количественно оценить как уровень трещиноватости, так и качество обработки поверхностей.
     Определение скорости Vсдв осуществляется лишь в тех объектах, материал которых имеет приповерхностные зоны h. В противном случае, если необходимо определить Vсдв в средах с активной звукопроводностью, эти зоны необходимо создать искусственно.

VII.5. Поперечные волны в жидкостях и газах

     Характеризуя, поперечные волны, Пуассон определил их как упругий процесс, направление распространения которого ортогонально с направлением смещения колеблющихся частиц. При этом, как ни странно, он не охарактеризовал поперечные волны как мнимую составляющую поля упругих колебаний. Но ведь это же было бы естественно, так как если процесс характеризуется ортогональностью между направлениями воздействия и реакции на это воздействие, то процесс этот следует описывать на мнимой оси. Однако для акустики такой подход был не принят.
     При рассмотрении эффекта АРП мнимость оказалась необходимой как средство описания поперечных волн. В самом деле, при нормальном прозвучивании слоя - резонатора возникает колебательный процесс, распространяющийся в ортогональном направлении относительно первичного потока. О том, что это именно мнимый процесс, свидетельствует также необъяснимо низкое затухание поперечных волн, распространяющихся вдоль слоев - резонаторов (см. рис. V.3, график б.).
     Здесь уместна аналогия с распространением электромагнитного поля. Электромагнитное поле характеризуется двумя взаимно ортогональными векторами - Е и Н, и в силу этого, является мнимым, что, в частности, определяет его совершенно незначительное затухание. Так, например, радиосигнал от одноваттного передатчика может быть принят практически на неограниченных расстояниях, что и используется радиолюбителями.
     К сожалению, при общении на конференциях и семинарах мои замечания о том, что поперечные упругие колебания представляют собой мнимую составляющую поля упругих колебаний, остаются не понятыми. И, как ни странно, в первую очередь, потому, что Пуассон об этом не говорил. И даже более того, по той же причине не воспринимается и эффект АРП. Как видно из рис. VI.2, сигнал, излучаемый торцами пластины-резонатора, идет через воду и воспринимается приемником 4. Так вот, как же, дескать, поперечные колебания через воду пройдут? И действительно, не могут же поперечные колебания идти вопреки мнению Пуассона...
     На самом деле, как показано на рис. VI.12, при наличии у слоя двух приграничных зон h, обладающих реактивной звукопроводностью, слой становится резонатором, каков бы ни был его материал. В том числе, даже если материал этот жидкий или газообразный.
     Мы можем превратить водяной слой в резонатор, если ограничим его двумя пластинами из материала ряда стекла. Скажем, так, как это показано на рис. VI.12. Однако водяные слои - резонаторы встречаются и в природе.
     В том случае, если в водной толще имеет место участок, в пределах которого скорость распространения звука в воде V изменяется с глубиной так, как это показано на рис. VII.7, то формируется некий слой толщины H, который проявляет резонансные свойства.
     Для того, чтобы слой воды проявил резонансные свойства, необходимо, чтобы на его краях были две симметричные зоны h, в пределах которых скорость распространения звука плавно изменяется так, как это показано на рис. VII.7.
     Эти резонансные свойства слоя заключаются в том, что шум, попадающий в этот слой - резонатор, спектрально преобразуется в звук, имеющий частоту, равную собственной частоте этого слоя f0, который распространяется вдоль слоя, не выходя за его пределы.
     Наличие такого слоя - резонатора известно. В Индийском и Тихом океанах на глубине 1000-1200 м существует канал сверхдальнего распространения звука. Формируется этот канал на глубине, где существует зависимость скорости звука от глубины, подобная приведенной на рис. VII.7. До создания надежных радионавигационных средств этот канал даже использовали для определения местонахождения терпящих бедствие судов. Сброшенная в критический момент с борта судна глубинная бомба взрывалась в пределах этого слоя, и находящиеся вблизи берегов океанов специальные береговые гидроакустические станции принимали доходящие до них сигналы. Имея неоправданно большую амплитуду, сигналы эти представляют собой слабо затухающую длительную синусоиду, которая распространяется вдоль слоя со скоростью, примерно вдвое меньшей, чем скорость распространения звука в воде. Распространяющийся вдоль этого слоя звук за пределы слоя не выходит. Все это является доказательством того, что канал сверхдальнего распространения звука является слоем - резонатором.
     Для людей, знакомых с основами гидроакустики здесь есть спорный момент. Дело в том, что действие канала сверхдальнего распространения принято объяснять рефракцией, то есть изгибанием звуковых лучей в зоне с плавным изменением скорости распространения звука. Однако при таком подходе, во-первых, оказывается необъяснимым звукоизолирующее свойство слоя. А во-вторых, не имеет объяснения происхождение гармонического характера распространяющегося вдоль этого слоя сигнала.
     Однако, как оказалось, подобные слои - резонаторы иногда формируются и вблизи поверхности моря ([19]). Распределение скорости звука по глубине, подобное показанному на рис. VII.7, возникает иногда, и при этом ненадолго, после шторма. При наличии такого слоя - резонатора вблизи от поверхности моря может оказаться так, что исчезнет акустический контакт между надводным и подводным кораблями.
     Если подводная лодка находится ниже этого слоя - резонатора, а надводный корабль - выше, между ними акустического контакта не будет. Шум винтов каждого из этих объектов распространяется во все стороны, а та часть, которая приходит к слою-резонатору, преобразуется в его собственное звучание и распространяется вдоль этого слоя, не выходя за его пределы. То же происходит и с зондирующим импульсом гидролокатора подводной лодки. Оказавшийся на его пути слой - резонатор искажает зондирующий импульс так, что отражение от надводного объекта на экране гидролокатора будет отсутствовать. Это может привести к тому, что гидроакустика подводной лодки при ее всплытии не даст информацию о наличии находящегося на ее курсе надводного объекта. И, следовательно, к их столкновению. Именно таким образом произошло столкновение подводной лодки "Курск" с авианосцем "Адмирал Кузнецов" 12.08.2000г, которое привело к гибели 118 моряков.
     В том же месяце американская лодка при всплытии по той же причине ударила японское судно.
     Явление формирования в толще воды слоя - резонатора легко моделируется в лабораторных условиях, и после некоторого первичного изучения я решил передать всю эту информацию ученым - гидроакустикам, считая, что она могла бы способствовать решению проблемы уменьшения аварийности подводных лодок. Однако, увы, мне не удалось найти ученых - гидроакустиков, которых интересовало бы что-нибудь кроме собственных диссертаций. А поскольку в их диссертациях этого материала нет, то и интереса быть не может.

VII.6. О горных ударах и землетрясении

     Разновидностей проявлений горных ударов довольно много. Иногда их можно ощущать как удары по пяткам. При увеличении их силы возможно подбрасывание отдельных объектов. Во время моего наблюдения в штреке шахты "Распадская" горные удары воспринимались как периодические легкие удары, но вдруг амплитуда резко увеличилась, очередным ударом был подброшен угольный добычной комбайн, который при падении придавил шахтера. На шахте "Первомайская" Луганской области горные удары были в виде сильного грохота, но без каких-то механических проявлений. Так же выглядят горные удары в главном стакане аэрации в Ольгино. На Североуральском бокситовом руднике (СУБР) горные удары разрушают выработки и обходятся многими жизнями.
     Но как бы ни проявлялись эти техногенные микроземлетрясения, они всегда происходят в зонах тектонических нарушений.
     В таких зонах грунт имеет пониженную несущую способность, вследствие чего инженерные сооружения в этих местах имеют бóльшую скорость осадки, что и вызывает их разрушение. Условием перехода от ускоренной осадки к горному удару является наличие динамических составляющих в воздействии на грунт со стороны сооружения, а также большое значение добротности низкочастотной гармонической составляющей в зоне тектонического нарушения. Перечислим некоторые установленные факты.
     а). Горные удары происходят только во время работы добычной, проходческой или другой вибрирующей техники, либо при проведении промышленных взрывов.
     б). Осадка тоннелей Петербургского метрополитена в районе пл. Мужества в предаварийный период из плавной перешла в толчкообразную, то есть, в виде горных ударов, и завершилась разгерметизацией тоннелей. Произошло это непосредственно в зоне тектонического нарушения, на протяжении не более чем 40м.
     в). В настоящее время с горными ударами можно познакомиться в Ольгино, под Петербургом, на Северных очистных сооружениях. Основные механизмы этой станции оказались установленными непосредственно в зоне тектонического нарушения.
     г). Горные удары по разрушительному действию могут приблизиться к природным землетрясениям. Пример тому - авария на Чернобыльской АЭС. Два толчка, зарегистрированные сейсмологами в момент аварии [20] есть не что иное как горные удары, которые возникли вследствие того, что 4-й блок АЭС, оказывающий на грунт мощное вибрационное воздействие, был воздвигнут непосредственно в зоне разлома.
     В поисках физики перехода от плавного погружения инженерных сооружений в слабый грунт к толчкам мы обратили внимание на то, что в зонах тектонических нарушений встречаются участки, на которых возможны резонансные явления.
     На рис. VII.8а приведен ССП-разрез, полученный в результате исследования территории Ольгинских очистных сооружений в зоне горных ударов. Большое значение Q, то есть большая добротность колебательных процессов, из которых состоят сигналы, свидетельствуют о возможности резонансных явлений. Так, вид сейсмосигнала, скажем, в точке 660м профиля (рис. VII.8б) вполне соответствует ситуации, подобной тому классическому примеру, когда следствием строевого шага воинского подразделения было разрушение моста.


Рис. VII.8

     Частота высокодобротной гармонической составляющей равна 16Гц (160 м). Наличие высокодобротной колебательной системы со столь низкой собственной частотой безусловно может создать предпосылки для разного рода резонансных явлений при работе насосов и другой вибрационной техники.
     Резонанс - это совпадение частоты внешнего воздействия с собственной частотой объекта. Резонансное явление заключается в увеличении амплитуды колебаний при неизменной амплитуде колебаний внешнего воздействия. При этом, поскольку горные породы являются ломкими, разрушающимися при самых минимальных нагружениях, то резонансное увеличение амплитуды колебаний приводит к макроразрушению, которое проявляется в виде резкого, удароподобного проваливания или просто удара со стороны грунта.
     Таким образом, прогноз горных ударов состоит в том, чтобы выявить тектонические нарушения, а также участки в пределах зон этих нарушений, где существуют высокодобротные колебательные системы. Зная эти участки, можно предусмотреть такие меры, которые исключат условие формирования горных ударов. Ну, например, уменьшить или даже исключить динамическое воздействие в таких зонах, или изменить частоту внешнего воздействия, чтобы избежать резонансных явлений.
     Одной из разновидностей динамического воздействия на грунт является воздействие со стороны проходящего по рельсам поезда. Установив сейсмоприемник вблизи железнодорожных путей, мы увидим, что при прохождении поезда возникает периодический процесс, частота которого определяется скоростью поезда, а также расстояниями между колесными осями. Понятно, что если эта частота совпадет с собственной частотой высокодобротной колебательной системы, оказавшейся в земной толще в данном месте, то возникнет резонансное явление. Оно проявится таким образом, что по мере прохождения поезда через эту зону амплитуда колебаний будет возрастать от вагона к вагону, и если превысит некую критическую величину, то возможно разрушение пути и, соответственно, крушение поезда. Причем, крушение очень характерное, когда первая часть поезда проходит, и только вторая его часть сходит с рельс.
     Такие аварии действительно происходят. Мы обследовали два таких случая - под г. Гагариным Московской области, и в Литве, под Клайпедой. В обоих случаях участок разрушения пути находился в зоне тектонического нарушения при очень больших значениях добротности низкочастотных составляющих сейсмосигнала.
     Разгадав механизм горных ударов, имеем два следствия. Во-первых, исследуя методом ССП зоны возможного воздействия вибрационной техники, можно выявить удароопасные зоны. А во-вторых, имеем основание предложить гипотезу природных землетрясений.
     Теперь что касается природных землетрясений.
     В предыдущей редакции я высказал гипотезу, что механизм природного землетрясения мог бы быть подобным механизму землетрясений техногенных. И только один момент здесь оставался неясным. А именно, было неизвестно, существует ли источник внешнего периодического воздействия. Однако на конференции "Четвертые геофизические чтения имени В.В. Федынского", проходившей в Москве 28 февраля - 02 марта 2002 г в докладе "Оценка напряженного состояния земной коры в районе острова Сахалин и близлежащих территорий" Попов Е.А. и Солодилов Л.Н. сообщили о том, что ими зарегистрировано с помощью гравиметорв внешнее периодическое воздействие с периодом порядка минут.
     Кроме того, в докладах посвященных изучению землетрясений, сделанных на традиционном летнем семинаре 1-5 июля 2002 г "Геомеханика и геофизика", организованном Институтом геофизики СО РАН, указывалось на наличие затухающих высокодобротных периодических колебаний с периодом порядка минут.
     Представляется, что вся эта информация подтверждает конструктивность высказанной выше гипотезы формирования природных землетрясений.


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: