Переход на стартовую страницу книги Гликмана А.Г. "Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия"
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En
 приобрести книгу 

2. О связи между частотой f0 гармонической составляющей сейсмосигнала и толщиной h соответствующего породного слоя

     Обнаружить колебательную систему на упругих колебаниях в породах угленосной толщи удалось благодаря простому везению. Оно заключалось в том, что при самом первом измерении мы столкнулись с сейсмосигналом, сформированным одной-единственной колебательной системой, что является довольно редким случаем. Если бы колебательных систем в зоне наших первых измерений оказалось несколько, наличие гармонических составляющих могло остаться незамеченным.
     Угленосная толща, в условиях которой проводились первые измерения, является принципиально слоистой средой. И сам угольный пласт, и слои вмещающих уголь пород - это все более или менее плоскопараллельные структуры, существенной характеристикой которых являются их толщины (или, как говорят геологи, мощности). Прозвучивая породный слой кровли, мы получили, как уже было показано выше, значение собственной частоты, равное примерно 1КГц. Совершенно случайно оказалось, что измерение проводилось рядом с разведочной скважиной, пробуренной сверху вниз, перед заложением шахты. Обратившись к геологическому описанию этой скважины, мы выяснили, что кровля угольного пласта вблизи точки бурения представлена слоем песчаника мощностью 2,5м. Предположив, что в роли колебательной системы оказался этот породный слой, я провел аналогию между общеизвестными разного рода полуволновыми системами (как в оптике, так и в электродинамике), размер которых связан с длиной волны. Длина волны , как известно, является отношением скорости С, характеризующей соответствующее физическое поле, к частоте f. Допустив, в соответствии с этим, что мощность породного слоя h пропорциональна , можем написать:

h    
или  h  =  k  /  f0       (2-1)

     Для первого измерения коэффициент k, имеющий размерность скорости, оказался равен 2500м/с. Как этот коэффициент был связан со скоростью, характеризующей упругие свойства песчаника, было неясно. А кроме того, поскольку выводов по одному измерению делать никогда нельзя, мы стали искать в различных угольных шахтах другие места для измерений, с тем же условием, чтобы вблизи точки измерения была разведочная скважина. Поскольку других способов узнать строение породного массива не существует.
     Интересно, что когда мы стали искать для измерений такие места в шахтных выработках, чтобы находиться рядом с разведочной скважиной, то оказалось, что это крайне сложная задача. Расстояние между разведочными скважинами обычно не меньше 500 м, и при бурении стараются заложить их так, чтобы они не проходили через капитальные выработки (штреки). Так что действительно, надо было признать, что везение при первом нашем измерении было необыкновенным.
     Тем не менее, места такие были найдены. В результате нескольких таких измерений было установлено следующее:

  1. Роль колебательных систем действительно выполняют породные слои;
  2. Зависимость между собственной частотой f0 породного слоя как колебательной системы и его мощностью h действительно имеет вид соотношения (2-1);
  3. Коэффициент k оказался на удивление постоянным. Независимо от материала породного слоя, от слабого аргиллита и до прочнейшего песчаника и известняка, на различных глубинах залегания, в различных технологических условиях, его величина не более чем на ±10% отличается от 2500м/с;
  4. Во многих случаях породная толща проявляет свойства не одной, а нескольких колебательных систем. При этом соотношение (1) принимает вид:

    hi  =  2500  /  f0i  ,        (2-1')

    где i - номер соответствующего породного слоя, в соответствии с рис.2-1. За исключением единичного породного слоя h1 , все остальные слои являются составными.


Рис. 2-1

     Таким образом, было установлено, что собственное звучание слоя-резонатора можно обнаружить только в том случае, если сейсмоприемник касается непосредственно этого слоя. По этой причине звучание находящихся внутри массива породных слоев-резонаторов выявлено быть не может. Это свойство многослойной среды оказалось весьма существенным при создании методов спектральной сейсморазведки, о чем подробнее будет сказано в разделе 7 (во второй части работы).
     По сути, в этих четырех пунктах уже изложены основные принципы спектральной сейсморазведки. Однако для того чтобы их осознать и сформулировать, понадобилось несколько лет. Тому были объективные причины. Изложим их.

2.1. О сейсмоприемниках

     Непременным участником всех акустических и сейсмоизмерений является акустоэлектрический преобразователь (сейсмоприемник). При этом оказалось, что совершенно не все равно, какой именно сейсмоприемник используется для выполнения спектрально-сейсморазведочных измерений. Понятно, что для таких измерений необходимо, чтобы спектр электрического сигнала, снимаемого с сейсмоприемника, не отличался от спектра акустического сигнала в точке контакта сейсмоприемника с горным массивом. Первые же измерения показали, что если в одной и той же точке использовать поочередно несколько различных сейсмоприемников, то получаемые спектры сейсмосигналов будут различны. Какой из спектров является истинным - непонятно.
     Для того чтобы разобраться с этим, проблема сейсмоприемника была рассмотрена с точки зрения метрологии.

2.1.1. О проблеме датчиков

     Научный уровень рассмотрения любой области физики определяется уровнем оснащенности соответствующими датчиками. Датчик - это устройство, на выходе которого считывается информация, которая должна быть соотнесена с конкретной физической характеристикой, эталон которой хранится в Палате Мер и Весов.
     Например, весы являются датчиком массы. Считывая со шкалы весов полученное при взвешивании эталона значение, мы можем оценить погрешность нашего датчика.
     Измерение - это сравнение с эталоном. Однако далеко не все субстанции, с которыми мы имеем дело в жизни, могут быть измерены. Познание бесконечно развивается, полностью проблема датчиков никогда не будет решена, и целый ряд физических характеристик на сегодняшний день просто еще не имеет своих эталонов.
     Ну, скажем, такая популярная субстанция как биополе. Армия экстрасенсов исследует биополя, беседуют о нашей с вами энергетике. И даже некоторые ученые участвуют в этих диспутах. При этом или забывая, или не зная о том, что датчика биополя либо средства определения энергетики не существует. Грубо говоря, единственно правильный подход при изучении физики можно сформулировать так: нет датчика - нет научной проблемы.
     Так вот, что касается акустики, то, к сожалению, не имеет своих эталонов ни один из базисных параметров поля упругих колебаний в твердых средах. Базисные параметры поля упругих колебаний - это аргументы волнового уравнения, которое является главным инструментом изучения этого поля. Это величина смещения колеблющихся в звуковой волне частиц, а также скорость и ускорение их смещения, а также величина механического напряжения в упругой волне. На сегодняшний день ни одна из этих субстанций не имеет своего эталона, и, стало быть, померена быть не может.
     Следствие такого положения дел заключается в том, что акустика твердых сред вообще и сейсморазведка в частности не входят в компетенцию метрологических служб.
     Неизбежно должно возникнуть недоумение: а что же сейсмоприемники?.. Ведь сейсмоприемники существуют, они снабжены паспортами, характеризуются чувствительностью и даже используются для регистрации определенных типов упругих колебаний.
     Да, действительно, сейсмоприемники изготавливают и применяют очень широко. Даже существуют лаборатории, которые осуществляют метрологическую аттестацию сейсмоприемников. Но на самом деле, к метрологии это не имеет никакого отношения. От того, что кто-то получил неизвестно на каком основании право ставить печать о метрологической поверке, эталоны базисных параметров не появились, а стало быть, сейсмоприемники датчиками какого-либо параметра поля упругих колебаний не являются. Иначе говоря, какой физической субстанции пропорционально электрическое напряжение, снимаемое с сейсмоприемника, пока что никому неизвестно.
     Представление о том, что ось электродинамического приемника должна совпадать с вектором смещения колеблющихся частиц, кажется настолько очевидным, что, собрав систему из трех взаимно перпендикулярных сейсмоприемников, осуществляют измерения траектории их движения. Увы, эти измерения не имеют под собой ни малейшей метрологической основы. И известное всем экспериментаторам отсутствие повторяемости результатов измерений, выполненных с помощью таких преобразователей не должно вызывать удивления.
     Было бы неплохо, если бы с помощью сейсмоприемника можно было хотя бы определять спектральный состав сейсмосигнала, но, к сожалению, как оказалось, и для этого он не годится. Ну, чтобы быть точным, не годился до начала наших разработок.
     Так сложилось, что все описанные в литературе свойства сейсмоприемников определены не в результате измерений, а путем математической обработки различных мысленных построений. Так, описание спектральных характеристик сейсмоприемников возникло из целого ряда очевидностей5. Как-то само собой, из каких-то логических построений, уже очень давно возникла уверенность, что если интересующий нас частотный диапазон находится существенно ниже собственной частоты сейсмоприемника, то в таком случае данный сейсмоприемник можно считать широкополосным и неискажающим спектр. Увы, измерения это не подтверждают. На самом деле, как оказалось, искажение спектра происходит при наличии колебательности сейсмоприемника при любых значениях его собственных частот.
     В отношении электродинамических (самых распространенных) сейсмоприемников также существует непонятно откуда взявшаяся уверенность в том, что применение различных демпферов (механического и электрического) уничтожает собственную колебательность сейсмоприемника. Надо сказать, что это заблуждение снимается очень просто. Достаточно воздействовать на такой сейсмоприемник коротким ударом (падение на его поверхность с примерно 30-сантиметровой высоты 2-мм стального шарика), и посмотреть форму снимаемой при этом с сейсмоприемника ЭДС. Мы увидим длительный, медленно затухающий колебательный процесс, наличие которого однозначно свидетельствует о том, что данный сейсмоприемник является колебательной системой. Этого уже достаточно, чтобы понять, что такой сейсмоприемник нельзя использовать как источник информации о спектре сейсмосигнала.
     Для осуществления спектрально-сейсморазведочных измерений оказалось необходимым создать сейсмоприемник, который не имеет собственной колебательности, а следовательно, гарантирует отсутствие спектральных искажений. Об этом речь пойдет далее, и в частности, в разделе 5.


5 Не откажу себе в удовольствии напомнить, что, как следует из методологии развития научного познания, очевидность в науке - это путь в тупик.

2.2. О смысле числителя в основном расчетном выражении

     Каждый шаг в начальный период разработки спектрально-сейсморазведочного направления делался в неведомое. Для коллег, а тем более, для разного рода научного руководства каждый мой шаг представлялся безусловно ошибочным. Ведь каждый результат из уже перечисленных исследований противоречил существующим представлениям... Одним из таких результатов было обнаружение постоянства скорости в выражении (2-1).
     Согласно существующим представлениям, никакая скорость, характеризующая поле упругих колебаний, не может сохранять такого высокого постоянства в различных горных породах. Так, скорость распространения продольных волн в песчанике, согласно справочникам, может иметь значение, изменяющееся в зависимости от месторождения, от 1900 до 7000м/с. Однако поскольку постоянство коэффициента К устойчиво подтверждалось в различных углевмещающих породах, различных угольных регионах и на различных глубинах, то выражение (2-1') несколько лет использовалось как чисто эмпирическое, без понимания его физики и смысла коэффициента К, стоящего в числителе. Даже более того, я старался, как мог, чтобы никто не заметил, что этот коэффициент имеет размерность скорости.
     Как показали дальнейшие исследования, К - это не что иное, как скорость поперечных волн. А также удалось доказать, что величина ее действительно обладает большим постоянством. Это будет показано в разделе 3.

2.3. О принципиальной невозможности реализовать колебательную систему при однородном материале плоско-параллельной структуры

     Одно дело - применять физический эффект, физика которого непонятна (надо сказать, что немало из применяемых эффектов именно таковы), и совсем другое - применять эффект, невозможность существования которого доказывается элементарно просто.
     Именно так и произошло на первом этапе разработки спектральной сейсморазведки.
     Никакого сомнения нет в том, что в однородном по вещественному составу и по акустическим свойствам слое (пластине) механизма преобразования удара в синусоиду нет и быть не может. Единственно, что может быть в таком слое - это многократное отражение зондирующего сигнала от его границ.
     При этом сложилась такая ситуация, что несмотря на бывшую у меня уверенность в физической невозможности используемых эффектов, начался процесс внедрения разработанной нами методики прогнозирования устойчивости кровли (подробно описанной во второй части работы) в угольную промышленность. В результате, возникло очень серьезное противоречие.
     Методика оценки и прогнозирования горнотехнической ситуации в угольных шахтах должна была сохранять жизнь шахтерам. Однако вся методика была построена на использовании колебательных (или, иными словами, резонансных) свойств породных слоев, которых, согласно существующей парадигме, просто не существует. И что было бы, если бы в один прекрасный день (на самом деле, это было бы для нас черным днем), методика не сработала, потому что основана она на эффектах, которых быть не может. Это привело бы к гибели людей. Осознав это, я приостановил внедрение методики.
     У меня были сомнения - следует ли рассказывать в настоящей работе о разного рода личностных моментах, которые возникали при ведении научного поиска. Думаю, что в данном случае это имеет смысл.
     Дело в том, что взаимоотношения между наукой и производством (в частности, с шахтами) таковы, что в подавляющем большинстве случаев наука ничего не дает производству. Совсем наоборот, наука, а точнее, научные работники находятся в прямой зависимости от производства. Так, получить официальное подтверждение о якобы внедрении кому-то якобы нужной научной разработки, без чего не состоялись бы ни защиты диссертаций, ни заключения договоров на проведение научных исследований, можно только при очень личной заинтересованности руководства производством. Делается это негромко, и система взаиморасчетов за взаимные услуги отработана годами и вполне. В данном же случае о внедрении методики оценки и прогнозирования устойчивости кровли попросили сами геологи угольных шахт. Это событие уникальное. И когда я начал противодействовать внедрению нашей разработки в практику шахтных геологов, начался вселенский скандал. Никто не собирался вникать в причины и мотивы моих намерений. Предполагалось,
     что это мой каприз, и, исходя из этого, на меня осуществлялось воздействие. Воздействие было достаточно сильным, чтобы простимулировать, по-видимому, усиление моей умственной деятельности. Что потом, естественно, многократно обыгрывалось. Так, родился афоризм: «Чтобы в голову пришла толковая мысль, следует по этой голове как следует ударить».
     В чем же заключалась возникшая мысль...
     Для того чтобы решить какую-то головоломную задачу, необходимо в первую очередь отказаться от всего, в чем нет уверенности, и наоборот, стоять насмерть в том, что сомнению не подлежит.
     Что мы имели на тот момент:
  1.      Наличие акустического гармонического затухающего процесса, возникающего при ударном воздействии на плоскопараллельный объект, материал которого является однородной по вещественному составу средой - стекло, металл или сплав, керамика или горная порода;

  2.      Уверенность в том, что в однородном по акустическим свойствам слое нет механизма преобразования ударного воздействия в гармонический отклик.

     Вот в том-то эта мысль и заключалась, что сосуществовать эти два положения могут только в том случае, если однородная по вещественному составу среда является неоднородной по акустическим свойствам. Однако что же это за неоднородность акустическая?
     Задачу эту удалось разрешить, а как - будет описано в разделе 4.

2.S. Выводы по разделу 2

Что обнаружено

Что из этого следует

Летом 1977 года во время первого же шахтного эксперимента в составе сейсмосигнала был обнаружен признак наличия гармонического затухающего процесса. Из этого был сделан вывод о том, что плоскопараллельная структура в виде породного слоя проявляет свойства колебательной системы. Чисто экспериментально, без понимания физики, была обнаружена связь между толщиной слоя и его собственной частотой.

С позиций традиционной теоретической акустики плоскопараллельная структура вообще и породный слой в частности в принципе не может проявлять свойства колебательной системы. Поскольку результат эксперимента опровергнуть не удалось, оказалось необходимым искать ошибочное положение среди общепринятых теоретических постулатов.

     Выявленная на чисто эмпирическом уровне, без понимания физики, связь между толщинами породных слоев и их собственными частотами или, иначе говоря, между спектром сейсмосигнала и строением породной толщи - позволила начать разработку методов спектральной сейсморазведки и спектрально-акустической дефектоскопии. И только потом, после теоретической проработки вопроса были выявлены физические предпосылки и закономерности этой связи.


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: