Сейсморазведка
(физические основы)
Адам Григорьевич Гликман,
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
20 августа 2012, Санкт-Петербург
Сейсморазведка - это геофизический метод исследования земной толщи, основанный на использовании информационных возможностей поля упругих колебаний1.
Как всякий исследовательский метод, сейсморазведка должна быть основана на физических эффектах, которые подлежат исследованию и могут воспроизводиться и изучаться как в лабораторных, так и в полевых условиях.
Сейсморазведка должна учитывать акустические свойства горных пород и земной толщи в целом, чтобы получать информацию, соответствующую этим свойствам.
Идея использования поля упругих колебаний для исследования земной толщи зародилась задолго до того, как возникла аппаратура, с помощью которой была бы возможна ее реализация.
Древнейший метод использования акустических свойств земной толщи заключается в том, чтобы, прижавшись ухом к поверхности земли, слушать наличие звуков, характерных для движущейся конницы. Этот метод позволял услышать конницу задолго до того, как она могла быть увиденной.
Зародилась идея сейсморазведки в результате наблюдений за летучими мышами, которые используют принцип локации в воздухе, а также за дельфинами, которые тот же принцип используют в воде. Естественно, не могла не возникнуть уверенность в том, что этот же принцип может быть использован и в твердых средах, в земной толще.
Первое серьезное упоминание о свойствах поля упругих колебаний - это статья Пуассона, которая появилась в 1829 году в Париже, в Трудах Парижской Академии Наук. Статья была посвящена применению волнового уравнения для описания распространения упругих волн в твердых средах, и в ней было формализовано чисто умозрительно возникшее представление о свойствах поля упругих колебаний в земной толще.
Согласно этому представлению, при ударном воздействии на поверхность земной толщи должен возникнуть упругий импульс, который будет распространяться в земной толще от точки удара во все стороны. Предполагалось, что эти упругие лучи распространяются, преломляются и отражаются по законам геометрической оптики. Вот это всё и было описано Пуассоном средствами математики.
Пуассон был очень умным и методологически грамотным человеком. Он понимал, что все эти представления находятся на гипотетическом уровне, и какой бы математикой он ни воспользовался, до тех пор, пока все эти процессы не будут проверены на практике, то есть, экспериментально, гипотеза в теорию не превратится.
Для физики очень вредны подобные очевидные модели, которые на чувственном уровне воспринимаются как аксиомы. И когда в начале ХХ века появилась аппаратура, с помощью которой можно было осуществлять сейсмоизмерения, и все эти вышеизложенные представления подтвердить не удалось, то ученые того времени оказались на распутье.
Признать столь очевидную модель ошибочной было очень трудно. Тем более, что к тому времени к сейсморазведке приложили руку величайшие математики. Которые, увы, не были столь же грамотны в методологическом плане, как Пуассон, труды свои рассматривали как теорию, и даже, более того, считали, что, как наука, сейсморазведка свое развитие завершила.
Кроме того, в результате самых первых сейсмоизмерений было заявлено, что с помощью сейсморазведки удалось выяснить строение земной толщи на глубины до сотен километров. Это произошло в 1909-1914 годах.
Первым, из заявивших об этом, был Мохоровичич, согласно сообщению которого была обнаружена на глубине около 40км граница между корой и мантией нашей планеты. В дальнейшем эта граница называлась (и по сей день называется) границей Мохоровичича. Затем, сразу же после Мохоровичича подобные же результаты были заявлены еще рядом ученых из различных стран. Завершил череду этих открытий академик князь Голицын, которому показалось, что он достиг с помощью сейсморазведки глубины в 400км. С тех пор, с его легкой руки считается, что ядро Земли жидкое, и что кора Земли под материками толще, чем под морями и океанами.
Доказательство того, что все эти результаты не могли быть получены в действительности, будет показано далее.
Нет ничего труднее в науке, как признать свою ошибку. Тем более, что, обнадеженные первыми как бы результатами, инвесторы буквально завалили сейсмиков деньгами. Еще бы, ведь забрезжила надежда с помощью сейсморазведки получать информацию о месторождениях полезных ископаемых. И начался бесконечный процесс совершенствования аппаратуры.
Сейсморазведчиков подвела наглядность и очевидность идеи сейсморазведки. Что же до практики, то за всю историю сейсморазведки ни одного случая совпадения сейсморазреза с разрезом, полученным бурением, не было.
Придумывались различные методы сейсморазведочных исследований. Метод отраженных волн (МОВ), преломленных волн (МПВ), метод общей глубинной точки (ОГТ)... Каждый из этих методов казался перспективным, но результатов по-прежнему не было. Никакие инвестиции не помогали, и информацию, хотя бы какую-нибудь, с помощью сейсморазведки получить не удавалось.
Однако, несмотря на это, популярность сейсморазведки неуклонно росла. Ее стали включать в нормативные документы. Уже нельзя было выполнять строительные работы или бурить при поисках полезных ископаемых, не используя сейсморазведку. Во всех странах, имеющих собственную геофизику, затраты на сейсморазведку превышают 90% от общих затрат на все, вместе взятые, геофизические методы.
Единственно в чем преуспели сейсморазведчики, это в умении добывать уже имеющуюся геологическую информацию, чтобы в дальнейшем представлять ее как полученную с помощью сейсморазведки. Однако всё трудней и трудней было скрывать тот факт, что ни один сейсморазведчик Мира не может осуществлять сейсморазведку, не имея априорной информации. Среди умельцев в этом ремесле были и просто виртуозы. Так, был создан метод вертикального сейсмопрофилирования (ВСП), который требует для проведения измерений бурение. Якобы не для того, чтобы получить информацию, к которой в дальнейшем будут «подтягиваться» результаты сейсмоизмерений, а исключительно для того, чтобы в скважине устанавливать сейсмоприемники. Очень большую популярность у сейсморазведчиков имеют такие исследования, результаты которых в обозримом будущем проверены быть не могут. Например, выяснение строения мантии или самого ядра планеты...
Примерно к 60-м годам ученые, причастные к геофизике, разделились на две части. Одни считали, что нужно продолжать в том же духе, и со временем всё разъяснится, так как им было непредставимо, что идея сейсморазведки ошибочна. А другие настаивали на том, чтобы выполнить какую-то эталонную работу, чтобы, наконец, понять, дает сейсморазведка что-нибудь или нет. В результате, было принято решение сделать на Кольском полуострове сейсморазведку, результаты, что называется, убрать в сейф, и пробурить после этого там же сверхглубокую скважину с тем, чтобы с сейсморазведкой всё стало ясно.
Этот международный проект продолжался почти 20 лет, примерно до 1980-го года, до тех пор, пока не было пробурено 12 с лишним тысяч метров. Сравнение данных сейсморазведки с результатами исследования керна показало, что СХОДИМОСТИ СЕЙСМОРАЗРЕЗА С ГЕОЛОГИЧЕСКИМ РАЗРЕЗОМ НЕТ НИКАКОЙ. Казалось бы, историю сейсморазведки на этом можно было бы закончить. Но международное сообщество постановило результаты этого эксперимента... ЗАСЕКРЕТИТЬ. От кого и почему - надеюсь когда-нибудь получить ответы на эти вопросы.
В 1977 году я осуществил первые свои акустические измерения в условиях угольной шахты. Назначение этих измерений заключалось в том, чтобы определить по параметрам сейсмосигнала акустические характеристики породных слоев, залегающих в кровле угольного пласта. В результате измерений во время первого же спуска в шахту оказалось, что породные слои обладают свойствами колебательных систем.
Вот это, что называется, всего лишь голый факт. Но он, как и всякий факт, имеет свои следствия. В историческом плане момент обнаружения этого эффекта можно считать началом новой, спектральной сейсморазведки и концом традиционной, лучевой сейсморазведки.
Физика есть совокупность физических эффектов, и основой любого исследовательского метода должен быть физический эффект. Лучевая сейсморазведка по своей идее есть метод локационный. Он предполагает создание упругого импульса, распространение его в земной толще, отражение от залегающей в земной толще границы и прием эхо-сигнала сейсмоприемником.
При проверке и настройке любого локационного устройства (радиолокация, гидролокация) проверяется форма излучаемого импульса, искажения этого импульса по мере его распространения, а также искажения при приеме. Естественно, определяется и скорость распространения зондирующего импульса. Как это ни странно, в случае сейсморазведки никогда не была осуществлена проверка ни по одному из перечисленных пунктов.
Даже скорость - казалось бы, ключевой параметр при локации, никогда не измерялась. Она подгонялась под такое значение, при котором сейсморазрез будет совпадать с разрезом, полученным другими методами. Скажем, бурением.
Как показали измерения, осуществленные в 1977 году, при ударном воздействии на породный слой возникает не импульс, а длительный колебательный гармонический затухающий процесс. Дело в том, что, если в результате ударного воздействия возникает гармонический затухающий процесс, значит, объектом ударного воздействия является колебательная система. Не найдется, я думаю, электрика или радиста с более или менее высшим образованием, который бы этого не знал. А я как раз и был тогда только что испеченным радиофизиком...
Породный слой, являющийся колебательной системой, характеризуется, как и любая колебательная система - частотой и добротностью.
Как показали исследования, частота гармонического затухающего сигнала f0 связана с толщиной (мощностью) h слоя-резонатора соотношением:
f0 = k / h, (1) где
k - коэффициент с размерностью скорости. Для горных пород этот коэффициент, как оказалось, равен, с погрешностью, не превышающей 10%, 2500м/с.
Таким образом, определяя собственные частоты возникающих в результате ударного воздействия колебательных процессов, можно определять мощности залегающих в исследуемой зоне породных структур. Это, собственно, и есть основная идея спектральной сейсморазведки.
Это всё замечательно и очень просто, и было обнаружено в результате первых же нескольких спусков в шахту. Но всё дело в том, что всего этого не может быть. Имея к тому времени четырехлетний опыт чтения лекций по шахтной геофизике (где основной частью материала была сейсморазведка, как в любой геофизике), я твердо знал, что плоскопараллельная структура (пластина, слой), материал которой однороден по своему вещественному составу и плотности, не является колебательной системой. При ударе по такому объекту должен возникнуть короткий импульс, который должен пройти насквозь, а также многократно переотразиться внутри этой структуры.
Для того, чтобы в результате ударного воздействия возник синусоидальный сигнал, необходимо наличие механизма, преобразующего удар в синусоиду. Во всех известных колебательных системах этот механизм известен и хорошо изучен, а вот для пластин из однородного материала такой механизм неизвестен.
То есть, согласно общепринятым представлениям, сейсмосигнал в непосредственной близости от точки удара должен представлять собой не затухающую синусоиду, а последовательность затухающих коротких импульсов. Но на практике-то, это всё-таки синусоида...
Надо сказать, что именно такое явление было обнаружено еще в 1917 году, когда были открыты кварцевые резонаторы. При подаче короткого механического или электрического импульса на любую из пьезоэлектрических пластин возникает гармонический, медленно затухающий процесс, частота которого связана с толщиной пластины, как и в нашем случае, соотношением (1). Но тогда было объявлено, что эффект этот обусловлен тем, что в состав этих пластин входят электрические контура. Не озаботившись каким бы то ни было доказательством этого сомнительного заявления, вот уже сто лет все студенты рассчитывают эти якобы существующие контура.
Разумеется, никаких контуров там нет, но кварцевые резонаторы, будучи одним из важнейших изобретений человечества, прекрасно работают и в отсутствии объяснения физики их работы.
И еще одно несоответствие. Наличие некоей скорости (в числителе выражения (1)), одинаковой для всех горных пород - это вообще нонсенс. Как указано в справочниках, одна и та же горная порода, даже весьма однородная по составу (скажем, песчаник), в зависимости от месторождения и ряда свойств, имеет скорость распространения фронта упругих колебаний от 2000 до 7000м/с.
На моё счастье, оказалось, что пластины не из всех материалов являются колебательными системами. Так, при ударном воздействии на пластину из оргстекла синусоида не возникает. Объекты из оргстекла, по своим акустическим характеристикам, подчиняются всем общеизвестным правилам. И дальнейшие поиски механизма преобразования удара в гармонический процесс шли путем сравнения акустических характеристик обоих пластин - пластин-резонаторов и пластин-нерезонаторов.
Таких различий оказалось несколько. Самым из них главным, фундаментальным, являющимся причиной остальных различий оказалось следующее. Как выяснилось, в подавляющем большинстве твердых сред (из которых состоят объекты-резонаторы) вблизи поверхности существует такой как бы приповерхностный слой, в котором скорость распространения фронта упругих колебаний уменьшается при приближении к границе.
Как известно из истории физики, большинство физических эффектов обнаруживаются случайно и, как правило, обнаружение их требует перестройки системы мышления и восприятия всех представлений в данной области знания. Но я не знаю, обнаружение какого еще физического эффекта вызывало бы такую ломку сознания.
Неодинаковость скорости распространения фронта упругих колебаний в различных точках однородных по вещественному составу, монолитных, изотропных сред... Этого просто не может быть! Года два после первого знакомства с этим эффектом я всеми силами пытался доказать, что это ошибка. Но чем тщательнее я ставил измерения, тем ярче он воспроизводился. Серьезным подспорьем здесь был тот факт, что в объектах из оргстекла скорость распространения фронта одинакова во всех точках. И при сравнении объектов-резонаторов и объектов-нерезонаторов факт наличия приповерхностных зон проявляется особенно ярко.
Следствием этого эффекта оказался другой эффект, который заключается в том, что при нормальном (перпендикулярном) прозвучивании пластины-резонатора на его резонансной частоте, часть первичного поля поворачивается в пластине на 90° и переизлучается через торцы этой пластины. Этот эффект получил название эффекта акустического резонансного поглощения (АРП).
Следствием эффекта АРП, в свою очередь, является то, что возникший в результате ударного воздействия собственный колебательный процесс с частотой f0 распространяется вдоль слоя-резонатора, не выходя за его пределы. Достигая края слоя-резонатора, этот собственный его колебательный процесс отражается от его края и распространяется в противоположную сторону, но также в пределах этого слоя-резонатора. Таким образом, эхо-сигнал, приходящий к сейсмоприемнику, касающемуся слоя-резонатора, есть сигнал, отраженный от края этого слоя-резонатора.
Содержание предыдущего абзаца находится в противоречии с основной идеей лучевой сейсморазведки. Сейсморазведка создавалась в расчете на то, что эхо-сигнал будет приходить снизу, от залегающих горизонтально границ, а на практике получается, что при горизонтальном залегании плоскопараллельных геологических структур эхо-сигнал может приходить только сбоку, отражаясь от разрыва породного слоя.
Простейшая модель согласно залегающих породных плоскопараллельных структур с позиции спектральной сейсморазведки приведена на рис.1.
Рис. 1
Точка ударного воздействия i находится на дневной поверхности (h=0), рядом с сейсмоприемником sp. В результате ударного воздействия собственные колебательные процессы возникнут во всех породных слоях-резонаторах, но сейсмоприемник зарегистрирует собственные колебания только тех структур, которых он касается. То есть, первого слоя-резонатора (h1) и собственные колебания только тех составных структур, которых он касается. Во внутренних слоях-резонаторах тоже возникнут свои колебательные процессы, но сейсмоприемник, находящийся на дневной поверхности, их не зарегистрирует.
Допустим, что первый слой-резонатор имеет границу на расстоянии l1 от места измерения. В этом случае, собственный колебательный процесс, возникший в результате удара, достигнет этой границы, отразится от нее, и спустя какое-то время будет зарегистрирован сейсмоприемником как эхо-сигнал.
Здесь уместно рассказать о случайно полученных результатах при проведении силами института Геофизики Сибирского отделения АН РФ эксперимента с использованием средств вибросейса.
Излучение гармонического сигнала осуществлялось с помощью одного из излучателей, находящихся на полигоне этого института в пос. Быстровка (под Новосибирском). Прием этого сигнала осуществлялся в Казахстане, на расстоянии от точки излучения, составлявшем примерно 1000км. Цель эксперимента заключалась в том, чтобы доказать правильность идеи сейсморазведки. Предполагалось, что сигнал, излученный в Быстровке, достигнет какой-то залегающей в земле отражающей поверхности, и отраженный от этой поверхности, достигнет точки приема.
Предполагалось, что определяя фазовый сдвиг между принимаемым и излучаемым сигналами, при изменении частоты излучаемого сигнала, можно будет определить и путь, пройденный упругими колебаниями (а, следовательно, глубину залегания отражающей поверхности), и скорость распространения этого поля.
Одним из результатов этого эксперимента был некоторый эффект, который, вместо того, чтобы подтвердить правильность идеи сейсморазведки, показал ее НЕправильность. И потому в отчет не попал. Эффект этот заключался в следующем.
При медленном и очень плавном изменении частоты излучаемого сигнала, было отмечено несколько значений частот, при которых в точке приема сигнал исчезал. На других частотах он уверенно регистрировался, а на этих нескольких частотах - нет.
Но это же очень понятно и правильно! Вдоль земной поверхности будет распространяться на как угодно большие расстояния сигналы, частоты которых равны собственным частотам залегающих горизонтально породных слоев-резонаторов, мощности которых соответствует выражению (1). Понятно, что таких слоев очень много. Но не бесконечно много, и, следовательно, есть такие частоты, для которых нет соответствующих породных слоев. И вот на этих-то частотах и будет отсутствие прохождения сигнала.
Этот эксперимент дал прямое и убедительное доказательство того, что поле упругих колебаний в земной толще распространяется не вглубь массива, а вдоль породных слоев. А, следовательно, если при проведении сейсморазведки возникает эхо-сигнал, то приходит он не из глубины земной толщи, а откуда-то сбоку, распространяясь вдоль породных слоев.
К сожалению, руководство этого института предпочло уволить ученых, от которых я узнал об этом эксперименте, нежели просто принять предложенную мною точку зрения или, по крайней мере, ее обсудить.
Недавно обнаружилось, что сейсморазведчикам известно, что эхо-сигналы приходят не снизу, а сбоку. Дело в том, что, если во время стандартных сейсмоизмерений сейсмо-косу передвинуть на некоторое расстояние параллельно самой себе, то может возникнуть эффект изменения расстояния до отражающего горизонта на ту же величину, на которую сдвинули косу. Одно только непонятно. Как можно после этого продолжать заниматься сейсморазведкой, как будто ничего не изменилось?!
Таким образом, земная толща, а в целом, планета Земля представляет собой совокупность породных слоев-резонаторов и других (неплоскопараллельных) породных объектов-резонаторов, и, стало быть, является совокупностью колебательных систем. То есть огромное количество геологических структур, залегающих в земной толще, сообщает о себе столь же большим количеством собственных колебательных процессов. Самая низкочастотная гармоническая составляющая соответствует самому большому размеру - диаметру Земли. Подставив в выражение (1) значение диаметра Земли, равное 12700км, получим:
fmin=2500/127 x 105 ≈ 2 x 10-4Hz или Tmax=1/fmin ≈ 83 мин.
Сейсмологи постоянно регистрируют гармонические колебания с таким периодом, но происхождение этих колебаний было им неизвестно.
Здесь мы можем наблюдать аналогию с ходом развития электротехники. Когда в середине XIX века были открыты законы постоянного тока (Ома, Кирхгофа, Ампера), высказывались предположения о завершении развития электротехники как науки. Но вот был открыт колебательный контур, начали получать переменный ток, и начались необъяснимые аварии. Горели трансформаторы, взрывались конденсаторы... По непонятной причине электрические токи и напряжения возрастали в сотни и более раз. Ставился даже вопрос о невыполнении в электричестве закона сохранения энергии.
Когда возникла электродинамика, то стало ясно, что электротехника постоянного тока является лишь крохотным ее кусочком, частным случаем. Когда разобрались с резонансными явлениями, отпала проблема с выполнением закона сохранения энергии.
Резонанс - это явление, которое возникает при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой колебательной системы, на которую осуществляется это воздействие (например, частоты переменного электрического напряжения с собственной частотой контура, поступающего на колебательный контур). Начиная с момента совпадения этих частот, начинается плавный рост амплитуды внешнего воздействия. Рост этой амплитуды ограничивается величиной Q - добротностью колебательной системы.
Так, если средняя величина добротности колебательного контура равна 100, то амплитуда напряжения, поступающего с генератора, может увеличиться в 100 раз. То есть, рассчитывая схему на напряжение, равное 100в (если такое напряжение поступает с генератора), мы на практике получим рост напряжения до 10кв.
Сейчас все электрические схемы обязательно анализируются на наличие скрытых колебательных контуров и на возможность резонансных явлений.
В курсе теоретических основ электротехники особые требования ставятся студентам на знание следующего теста: «если начинается рост амплитуды переменного напряжения (или тока), который завершается аварией, значит, имело место резонансное разрушение».
В геомеханике, к сожалению, знание резонанса сводится к разрушению моста, по которому прошли, печатая шаг, солдаты. Потому что наличие колебательных систем у мостовой конструкции не оспаривается. А в земной толще колебательных систем НЕТ, и поэтому, даже когда этот тест реализуется по факту, слово «резонанс» никто не произносит.
Так, в случае аварии на Саяно-Шушенской ГЭС амплитуда вибрации, согласно показаниям их же собственного самописца, возросла в 600(!!) раз, после чего гидроагрегат сорвало с креплений. Понятно, что в таком случае обойтись без ссылки на резонанс было невозможно. Но ведь если вы сослались на резонанс, извольте назвать, что именно проявило резонансные свойства, то есть, назвать колебательную систему. Ну вот, объектом, проявившим свойство резонатора, назвали крышку гидроагрегата. Потому что на предположение наличия колебательной системы в земной толще наложен запрет. Иначе опора, на которой держится лучевая сейсморазведка, разрушится.
Рано или поздно, разумеется, этот запрет будет отменен. И тогда вспомнят, что самая частая авария на железной дороге - это когда состав без всякой видимой причины рвется на две части. Это происходит потому, что в какой-то момент времени в насыпи взрывоподобно образуется воронка, в которую проваливаются обломки шпал и над которой рвутся рельсы. Чаще всего это происходит с грузовыми поездами, и тогда свидетелей нет.
Но вот дважды подряд, практически в одном и том же месте произошла авария по этой схеме с поездами Северный Экспресс на линии Москва - Петербург, и были получены свидетельские показания очевидцев, которые рассказывали о том, что аварии в обоих случаях предшествовал рост вибрации. Здесь была альтернатива - либо объявить виновниками несуществующих террористов и получить страховку, либо разобраться с физикой и прекратить подобные аварии. Выбрали первый вариант... Вопрос о том, что же это за взрыв, который сообщает о себе заранее ростом вибрации, остался без ответа.
Прямо по этому школьному тесту происходят аварии при пуске и остановке (Саяно-Шушенская ГЭС) генераторов, на насосных станциях...
В результате анализа причин аварий на электрических сетях и устройствах получила развитие новая область знания - электродинамика. Надо полагать, что рано или поздно, по той же причине возникнет наука, назовем ее геодинамикой, изучающая эффекты, возникающие от взаимодействия колебательных систем, залегающих в земной толще с вибрационными воздействиями от техногенных или природных источников.
Понятно, что если объект - колебательная система или совокупность колебательных систем, то что бы с ним ни происходило, не может рассматриваться без учета его колебательных, резонансных свойств. Предпосылкой и отправной точкой для этой науки послужат наработки спектральной сейсморазведки.
Сейсморазведка, исследующая совокупность колебательных систем, в отличие от лучевой сейсморазведки, является сейсморазведкой спектральной, поскольку изучает частотный спектр сейсмосигналов, порождаемых залегающими в земной толще колебательными системами. Методы исследования колебательных систем наиболее полно разработаны в электротехнике и радиотехнике, применительно к электрическим контурам. Естественно, что они взяты на вооружение при разработке спектральной сейсморазведки.
Особенностью всех положений спектральной сейсморазведки является то, что все они подтверждаются в эксперименте. В отличие от, напомню, лучевой сейсморазведки, ни одно положение которой экспериментально ненаблюдаемо.
Реализация изложенной выше идеи спектральной сейсморазведки осуществляется с помощью преобразования Фурье.
Как известно, изменяющийся во времени процесс может быть представлен двояко - либо на временнóй, либо на частотной оси. При ударном воздействии на земную толщу возникает совокупность затухающих гармонических сигналов. Двигаясь от простого к сложному, рассмотрим единичный гармонический затухающий процесс. На рис.2 показаны временнóе и спектральное изображения такого сигнала.
Рис. 2
Эти оба изображения являются как бы синонимами, как бы переводом с одного языка на другой. Отложенная на оси ординат величина A(f) носит название плотности спектра. Величина A(f0) - это добротность колебательного процесса, обозначается буквой Q.
Если пересчитать, согласно выражению (1), ось абсцисс из оси частот f в ось глубин h, то получится шкала глубин. Значения глубин обратно пропорциональны значениям частот, и, следовательно, если ось частот направлена вправо, то ось глубин будет направлена влево. То есть, фактически, будем иметь разрез земной толщи в точке контакта сейсмоприемника. Ось глубин должна быть вертикальной, и поэтому спектральное изображение поворачиваем на 900 против часовой стрелки. На рис.3 приведена схема перехода от временного изображения сейсмосигнала к разрезу.
На рис.3а показано временнóе изображение реального сейсмосигнала.
На рис.3b - спектральное изображение того же сигнала. Ось частот и ось глубин соотносятся согласно выражению (1).
Рис. 3
Фигура, показанная на рис.3, (с), получена из спектрального изображения (b) путем достройки до симметричного объекта и закрашивания этой фигуры.
На рис.4 приведен пример спектрально-сейсморазведочного разреза земной толщи путем профилирования вдоль заданного профиля с шагом 10 м.
Рис. 4
Приведенный на рис.4 ССП-разрез получен при определении мощности осадочных пород в условиях неглубоко залегающей кровли гранита, что характерно для Выборгского р-на. Первые 50м профиля пройдены при глубине залегания кровли гранита 30-40 м. От 110 до 170м профиля глубина залегания кровли гранита составляет примерно 70 м. То есть на участке профиля от 60 до 100 м профиля имеет место сброс, в результате которого и произошло изменение расстояние до гранита.
Согласно основам методологии развития научного познания, любой новый физический эффект становится основой нового исследовательского метода. Далее, исследовательский метод, основанный на использовании нового физического эффекта, обязательно является источником принципиально новой информации. Новая информация - это, по сути, новые физические эффекты. И так далее, по схеме снежного кома. Развитие спектральной сейсморазведки происходит в полном соответствии с этими принципами.
Как оказалось еще в 1993 году, при первом знакомстве со спектральной сейсморазведкой, этот метод позволяет выявлять зоны, в которых границы породных слоев терпят разрыв. То есть, зоны тектонических нарушений.
На рис.4 приведено тектоническое нарушение типа сброса. Оно опознано по факту резкого перепада глубин кровли гранита. При увеличении глубины залегания кристаллических пород прорисовка их кровли на ССП-разрезе ухудшается, и эта информация может быть утеряна. Однако, как оказалось, при пересечении профилем зоны тектонического нарушения на ССП-разрезе независимо от мощности осадочного чехла прорисовывается объект, который можно назвать воронкообразным или V-образным.
Как показали исследования, если объект на ССП-разрезе содержит только одну образующую ветвь воронки, значит, профиль пересек нарушение типа «сброс». Если на ССП-разрезе присутствует воронка целиком, значит, пересеченное профилем нарушение не содержит сдвига.
На рис.5 приведен в качестве примера такой ССП-разрез.
Рис. 5
Для примера выбран участок, где профиль пересек три тектонических нарушения: один сброс (11-16 м профиля) и два разрывных нарушения без сдвига (22-27 м и 29-40 м профиля).
Так сложилось, что вся научная литература по теме тектонических нарушений сформировалась не в результате экспериментальных исследований, а исключительно на основании очевидностей и чисто умозрительных представлений. На самом деле, сами тектонические нарушения и их зоны (проекции нарушений на поверхность Земли) обладают рядом неизвестных ранее свойств, настолько важных для всех землян, что этим зонам была присвоена аббревиатура ЗТН.
Первое свойство ЗТН, которое, собственно, и привлекло к ним внимание, заключается в том, что все инженерные сооружения, которые оказались в этих зонах, подвергаются разрушению, существенно большему, чем это могло быть обусловлено какими-то известными ранее свойствами грунта. Скорость разрушения зависит от многих факторов и варьируется от незначительного сокращения срока службы сооружения до мгновенного его разрушения во время строительства.
Один из признаков ЗТН известен буровикам. Горные породы в этих зонах при бурении на любую глубину настолько разрушены и трещиноваты, что выход керна при случайном попадании скважины в ЗТН практически ничтожен. Поэтому несущая способность грунта в этих зонах существенно меньше, чем за их пределами. Отсюда и хронический уход в грунт крылечек, веранд, образование выемок в дорожном покрытии, которые после засыпки возобновляются. Образование «пизанских башен»...
В результате проведения измерений на поверхности земли над подземными выработками выяснилось, что тектонические нарушения всегда представляют собой вертикальную структуру. На рис.5 видно, что один воронкообразный объект (на участке профиля 29-40 м) находится под другим. Если увеличить глубину зондирования, то появятся эти воронки строго одна под другой вплоть до как угодно большой глубины.
В результате длительных наблюдений стало ясно, что обычными средствами (такими как усиление фундамента железобетонными конструкциями) разрушающему действию этих зон противостоять невозможно. Более того, как оказалось, чем прочнее стараются сделать несущие конструкции, тем более вероятно их разрушение.
Причина этого состоит в том, что грунт в ЗТН находится в постоянно подвижном состоянии. Это явление известно геодезистам под названием планетарной пульсации. При весьма низкой частоте колебаний грунта амплитуда этих колебаний может достигать 10 см. Понятно, что фундамент, оказавшийся частично в условиях подвижного грунта, а частично - неподвижного, неизбежно будет разрушаться.
На ССП-разрезах в пределах ЗТН наблюдается повышенное значение добротностей отдельных залегающих в земной толще колебательных систем. Собственно, за счет этого и прорисовываются воронкообразные объекты. Но чем выше добротность колебательной системы, тем сокрушительнее будет резонансное разрушение. В самом деле, если добротность равна всего лишь 10, то на резонансе и разрушения никакого не будет. В ЗТН добротность Q достигает несколько сотен...
О техногенных землетрясениях написано выше, и теперь понятно, почему они происходят в ЗТН. Но ведь в ЗТН наблюдаются также и колебания планетарной пульсации. И если возникает резонанс ЭТИХ колебаний, то возникающее при этом резонансное разрушение будет воспринято как природное землетрясение.
Резонансная причина природных землетрясений подтверждается тем, что, по наблюдению сейсмологов, сейсмотолчку предшествует возникновение и плавный рост по амплитуде сверхнизкочастотного колебательного процесса. Кроме того, одинаковость физики техногенных и природных землетрясений подтверждает следующий факт.
Исследования методом ССП в Гюмри (Ленинакане) показали, что сооружения, которые не попали в ЗТН, во время Спитакского землетрясения 1988 года не пострадали. Обследование храма «Казанчецонц» показало, что трещины во время этого землетрясения появились только на той стене, которая оказалась в ЗТН.
Наряду с разрушительным действием ЗТН на инженерные сооружения, эти зоны оказывают разрушающее, губительное действие на всё живое. Это происходит потому, что именно в этих зонах из Земли выходят глубинные газы. Обычно говорят о радоне, но на самом деле, различных газообразных субстанций выходит очень много, и они все, так или иначе, воздействуют на человеческий организм, вызывая различные болезни.
Давно было замечено болезнетворное действие на людей определенных квартир, комнат или домов в целом. Было замечено, что влияние это с ростом номера этажа уменьшается. Эти неблагоприятные места известны как геопатогенные зоны. Сейчас стало понятно, что ослабление болезнетворности с ростом номера этажа обусловлено тем, что глубинные газы первоначально попадают из подвала на первый этаж, частично уходят через форточки, и за счет этого на второй этаж их попадает меньше...
К счастью, ослабить или даже уничтожить влияние геопатогенных зон можно очень просто. Для этого необходимо всего лишь обеспечить проветривание подвалов. С другой стороны, к сожалению, не все строительные технологии позволяют это сделать. Во многих современных зданиях подвалов нет, и глубинные газы беспрепятственно попадают во все жилые помещения.
Интереснейшим свойством ЗТН является их водоносность. При пересечении подземной выработкой этой зоны происходит, наряду с другими признаками (обрушение пород кровли, поступление метана), сильный водоприток. Это происходит на любой глубине. Вплоть до четырехкилометровой глубины на шахтах в ЮАР. Однако вода также будет получена, если заглубиться в грунт в ЗТН с поверхности. Как оказалась, вода эта родниковая. Во всяком случае, на основании сравнения по составу воды с находящимся рядом родником. Тысячи людей на всей Земле получают воду, найденную с помощью ССП. Вот это явление внушает уверенность, что, поскольку ЗТН разбросаны более или менее равномерно по всей планете, то проблема нехватки воды на Земле может быть решена таким образом.
Как всякий геофизический метод, ССП выявляет границы в земной толще. Своеобразные очертания границ в ЗТН позволяют их картировать. Специфические очертания границ позволяют выявлять целый ряд других геологических объектов. К ним относятся магматические структуры (в частности, кимберлитовые трубки), жилы, отдельные рудные тела, плывуны, карсты...
Особенностью ССП, отличающей этот метод от других геофизических методов, является то, что выходная информация спектральной сейсморазведки - ССП-разрез, является, по сути, спектральным изображением входной информации, то есть, сейсмосигналов. Таким образом, при обработке результатов ССП отсутствуют какие-либо преобразования информации. Отсутствует также то, что принято называть интерпретацией. Это значит, что получаемая информация не зависит ни от каких априорных данных. Ни от результатов бурения, ни от результатов применения других геофизических методов, ни даже от квалификации геофизиков.
На сегодняшний день история спектральной сейсморазведки насчитывает 35 лет, если считать от момента обнаружения колебательных свойств у породных слоев и 19 лет от момента измерения первого профиля.
Тем не менее, уже на сегодняшний день в активе ССП возможности, недостижимые никаким другим геофизическим методом.
Не вызывает сомнений, что через несколько лет спектральная сейсморазведка будет единственным геофизическим методом, использующим информационные возможности поля упругих колебаний. И называться этот метод будет просто СЕЙСМОРАЗВЕДКОЙ.
1 Поле звуковое, акустическое и поле упругих колебаний - это всё синонимы. Принято в твердых средах называть эту субстанцию полем упругих колебаний.
