3.1. Затухание звука в слоистых средах

При рассмотрении поля упругих колебаний в слоистой среде представляет интерес его затухание при распространении как вдоль, так и поперек поверхностей напластования.

На рис.3-1 приведены результаты исследований затухания звука при распространении вдоль слоев.

Рис. 3-1

Графики иллюстрируют зависимость величины акустического сигнала от расстояния между излучателем и приемником в случае, когда и излучатель и приемник находятся на одной и той же поверхности листа из оргстекла или стекла.

Источник ударного воздействия представляет собой устройство, с помощью которого маленький стальной шарик может падать на исследуемую пластину с одной и той же высоты и в одну и ту же точку. Размеры исследуемой плоскопараллельной структуры должны быть такими, чтобы, работая примерно в середине ее, не иметь влияния краевых эффектов.

График а получен при работе с листом из оргстекла. Он полностью соответствует существующим представлениям, и большая крутизна графика при l<h соответствует затуханию сферических волн, а при l>h крутизна уменьшается, и скорость затухания (ΔA / Δl) становится соответствующей закону затухания волн цилиндрических. Здесь l₀ - то минимальное значение измерительной базы, меньше которого погрешность измерений становится недопустимой. Значение амплитуды сигнала при l=l₀ принято равным единице. На расстоянии от источника, равном (2÷3)h, сигнал уменьшается настолько, что воспринимается где-то на уровне помех. Такой результат увязывается с расчетными значениями и показывает, что подобное исследование затухания звука в слоях правомерно.

Совсем иное дело, когда подобные же исследования осуществляются на листе из материала ряда стекла. Это проиллюстрировано на рис.3-1 графиком б. Первоначально, при малых значениях измерительной базы, сигнал точно так же уменьшается с увеличением l, как и на графике а. А затем, при дальнейшем удалении от источника, сигнал, вместо того чтобы уменьшаться - увеличивается, и при l≈h график имеет положительный экстремум. При дальнейшем увеличении l сигнал несколько уменьшается, а затем остается по амплитуде примерно таким же, незначительно уменьшаясь с удалением от источника. Здесь два момента, которые не укладываются в общепринятую картину.

Во-первых, наличие участка, на котором происходит увеличение сигнала с удалением от источника. На практике, этот момент известен. При сейсморазведочных работах на осадочном чехле, на малых базах этот экстремум наблюдается практически всегда. При сейсмоакустических измерениях в угольных шахтах, также на малых базах, мы неоднократно наблюдали зону, в которой звук при удалении от источника не уменьшается, а увеличивается. Кроме того, при испытательных подземных взрывах зачастую разрушаются дальние объекты при отсутствии разрушений в ближних.

Наличие острого экстремума на зависимости А(l) приводит к тому, что при небольших значениях измерительной базы наблюдаются крайне нестабильные и слабо повторяющиеся результаты измерения амплитуды сигнала. Ведь на самом деле, на практике, при сейсмоизмерениях действительное значение мощности породного слоя h во-первых, неизвестно, а во-вторых, оно и непостоянно, поскольку плоскопараллельность поверхностей напластования довольно относительна. И понятно, что при измерениях в зоне экстремума малейшее изменение места контакта сейсмоприемника приведет к значительному изменению амплитуды сигнала. Это тот эффект, который я обнаружил при самом первом шахтном измерении, но тогда еще я его объяснить не мог.

Чем больше добротность слоя-резонатора, тем острее экстремум, тем больше увеличение амплитуды сигнала при удалении от источника вблизи l≈h.

И второе. При значениях l>h в слоях-резонаторах звук в лабораторных условиях практически не затухает. А в природных условиях, затухает, но крайне медленно.

Отметим, что распространяющийся вдоль пластины-нерезонатора сигнал по очертаниям эквивалентен исходному, воз­никающему при падении шарика. То есть, вдоль слоя-нерезонатора распространяется сам зондирующий импульс. В отличие от этого, в слое-резонаторе сигнал имеет очень большую длительность, и по очертаниям не имеет ничего общего с сигналом, наблюдаемом при исследовании слоя-нерезонатора, поскольку распространяется вдоль слоя-резонатора не исходный (зондирующий) сигнал, а вызванный зондирующим сигналом собственный колебательный процесс слоя-резонатора.

Результаты по своему характеру не изменятся, если вместо падающего шарика использовать в качестве излучателя возбуждаемую коротким электрическим импульсом пьезокерамику.

Затухание поля при распространении вдоль слоя-резонатора при l>h столь незначительно, что становится понятной физика одного используемого испокон веков эффекта.

Речь о том, что, приложив ухо к земле, можно услышать топот лошадей значительно раньше, чем их увидеть. Но одно здесь необходимо отметить. Мы при этом слышим не сам топот, а возбуждаемые им собственные упругие колебания, распространяющиеся вдоль породных слоев-резонаторов. С учетом этого становится понятным, почему топот конницы слышен в виде звонкого низкочастотного гула: это соответствует распространению собственного звучания породных слоев-резонаторов вдоль напластования.

Собственный упругий колебательный процесс, распространяющийся вдоль слоя-резонатора, не выходит за его пределы. Это свойство слоев-резонаторов оказалось очень важным при разработке метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП).

Схема формирования и распространения поля упругих колебаний в слоистой среде показана на рис.3-2.

Рис. 3-2

На примере трехслойной модели показано, что в результате ударного воздействия в каждом из слоев-резонаторов (как в простых, так и в составных) возникают собственные колебательные процессы, которые распространяются вдоль соответствующих слоев. Каждый из этих колебательных процессов не выходит из своего слоя-резонатора, и поэтому сейсмоприемник в точке контакта зарегистрирует собственные колебания только тех слоев, которых он касается. То есть, h₁, h₁+h₂ и h₁+h₂+h₃. Собственные колебания слоев h₂, h₃ и h₂+h₃ сейсмоприемник не зарегистрирует.

Здесь следует обратить внимание на то, что упругий импульс, который, по представлениям сейсморазведчиков, должен возникнуть в результате ударного воздействия, отсутствует. Так же точно отсутствует звук удара, когда мы бьем, скажем, по клавишам рояля. В обоих случаях, реакция колебательной системы на удар содержит только гармонический затухающий сигнал. На рис.3-3 показан реальный сейсмосигнал, полученный при обычных полевых работах при минимальном (сантиметры) расстоянии между точкой удара и сейсмоприемником.

Рис. 3-3

Здесь отчетливо видно, что в момент удара возникает несколько гармонических составляющих, но более высокочастотные затухают быстрее, и остается единственная, низкочастотная составляющая.

То есть, получается, что в результате ударного воздействия ожидаемый упругий импульс, относительно которого сформировалась вся сейсморазведка, просто отсутствует, а вместо него возникают гармонические составляющие, которые, к тому же, распространяются не вниз, в массив, а в горизонтальных направлениях.

Следовательно, если при обычных сейсморазведочных работах возникают эхо-сигналы, то приходят они не снизу, а сбоку. Это замечание, пожалуй, является катастрофическим для всей традиционной сейсморазведки, которая создавалась с уверенностью в том, что при ударе возникает упругий импульс, и что распространяется он в глубину.

На рис.3-2 показан случай, когда слой h₁ на расстоянии -l₁ от точки удара i имеет границу. Возможно, он выклинился в этом месте или граница возникла по какой-нибудь другой причине. Тогда гармоническая составляющая f₀₁, соответствующая породному слою-резонатору h₁ достигнет этой границы и отразится обратно. И по моменту приема в точке установки сейсмоприемника этого эхо-сигнала, а также по частоте этого эхо-сигнала мы узнаем о расстоянии до этой границы и о мощности слоя, который имеет там эту границу. Понятно, что глубинность сейсмометода, основанного на этом подходе определяется нижним частотным пределом аппаратуры. Так, при значении низшей частоты, равном 1 Гц, максимальная мощность слоя, в соответствии с соотношением (1), равна 2,5 км.

Описанную здесь модель распространения поля упругих колебаний при сейсморазведочных работах подтвердили, сами того не желая, ученые института Геофизики СО РАН. Их эксперимент заключался в следующем. Мощный, 100-тонный генератор гармонического поля упругих колебаний (вибросейс) находится под Новосибирском, и излучаемое им поле может изменяться по частоте плавно и как угодно медленно от 1,5 Гц и до 12 Гц. Сейсмоприемник, регистрирующий это поле, находился в Казахстане на расстоянии около тысячи километров. Задача этого эксперимента заключалась в том, чтобы доказать, что излученное поле уходит на огромные (десятки километров) глубины и отражается от залегающей там поверхности, в соответствии с лучевой моделью. В соответствии с идеей вибросейса, этот метод может использоваться как альтернатива взрывной сейсмике, для сейсморазведочных региональных работ, для выявления границ, находящихся на больших глубинах.

Однако в процессе обсуждения результатов этих экспериментов, выяснилось, что в ходе описанного вибросейс-измерения есть такие частоты, на которых сигнал от источника не регистрируется в точке приема. Это происходит следующим образом. Оператор в точке приема получает по радиоканалу постоянную информацию о частоте излучаемого поля. И вот, когда частота достигает некоторого значения, сигнал пропадает. А далее, с дальнейшим изменением частоты, появлялся опять. Повторяемость этого эффекта очень устойчива. А поскольку никакими интерференционными процессами это не объяснялось, то и в отчет оно не попало.

Но здесь ведь, по-моему, все очень просто. Диапазон от 1,5 до 12 Гц, согласно выражению (1), соответствует диапазону глубин от 1,66км до 210м. Если бы в этом диапазоне глубин было множество равномерно распределенных границ, то, по-видимому, проходили бы все частоты диапазона. Но вот если в некотором диапазоне мощностей границ не было (шел однородный материал), то в соответствующем диапазоне частот сигнал не проходил. То есть, причина отсутствия сигнала на некоторых частотах заключается в том, что просто не было соответствующих этим частотам слоев-резонаторов.

Осуществляя вибросейс по такой схеме, ученые, по сути, провели сеанс спектральной сейсморазведки. Разница лишь в том, что при обычном спектрально-сейсморазве­дочном профилировании (ССП) применяется спектральный анализ с помощью машинного преобразования Фурье, а в случае вибросейса - последовательный спектральный анализ путем изменения частоты излучения.

Я очень сожалею, что сотрудник этого института, рассказавший (в рамках семинара) об этих результатах применения вибросейса, был за это уволен. И чувствую за это перед ним свою вину. Если бы меня при этом не было, его бы не уволили.

Сейсморазведчики ведь и сами давно понимают, что лучевая сей-сморазведка - это великое заблуждение, но очень стараются, чтобы факты, подтверждающие это, сохранялись в тайне.

Теперь что касается ссылок на закон сохранения энергии.