1.6. О связи между частотой f₀ и толщиной h 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 крайне редким случаем. Если бы колебательных систем в зоне наших первых измерений оказалось несколько, результирующее спектральное изображение сигнала по своим очертаниям могло бы и не ассоциироваться с изображением единичного гармонического сигнала.

Угленосная толща, в условиях которой проводились первые измерения, является принципиально слоистой средой. И сам угольный пласт, и слои вмещающих уголь пород - это всё 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, еще 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 (четвертьволновыми, волновыми) системами (как в оптике, так и в электродинамике), размер которых связан с длиной волны. Длина волны λ, как известно, является отношением скорости V, характеризующей соответствующее физическое поле, к частоте f. Допустив, в соответствии с этим, что мощность породного слоя h пропорциональна λ, можем написать:

h≡λ
или h = k / f₀ (1-2) (1)

Как оказалось в дальнейшем, соотношение (1-2) является основным расчетным соотношением спектральной сейсморазведки (той области знания, к которой мы сейчас идем). Поэтому пусть оно имеет обозначение (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. Дело в том, что 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 составляет не меньше 500м, и при бурении стараются заложить их так, чтобы они не проходили через капитальные выработки (штреки). Так что действительно, надо признать, что везение при первом нашем измерении было необыкновенным.

Тем не менее, места такие были найдены. В результате нескольких таких измерений было установлено следующее:

Роль колебательных систем действительно выполняют породные слои;
Зависимость между собственной частотой f₀ породного слоя как колебательной системы и его мощностью h действительно имеет вид соотношения (1);
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;
Во многих случаях породная толща проявляет свойства не одной, а нескольких колебательных систем. При этом соотношение (1) принимает вид:
h_i = 2500 / f_0i , (1’)
где i - номер соответствующего породного слоя, в соответствии с рис.1-6. За исключением единичного породного слоя h₁, все остальные слои являются составными.

Во многих случаях породная толща проявляет свойства не одной, а нескольких колебательных систем
кровля подземной выработки
Рис. 1-6

Далее, 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.

Представляется очевидным, что обнаруженная, как показано выше, система соотношений между строением земной толщи и спектром поля упругих колебаний может использоваться для определения строения земной толщи с помощью изучения спектра сейсмосигнала. Этот метод исследования строения земной толщи показалось логичным назвать спектральной сейсморазведкой.

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.

1.6. О связи между частотой f0 и толщиной h породного слоя

1.6. О связи между частотой f₀ и толщиной h породного слоя