Вчера сегодня завтра сейсморазведки и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Вчера сегодня завтра сейсморазведки

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
7 мая 2020, Санкт-Петербург

СОДЕРЖАНИЕ

  1. Вчера
  2. О законах методологии
  3. Начало процесса смены парадигмы
  4. О приповерхностных зонах объектов-резонаторов
  5. Рождение спектральной сейсморазведки
  6. Свойства зон тектонических нарушений
  7. О двух разновидностях ЗТН
  8. Сейсмоприемники
  9. Эхо-сигналы
  10. О практическом использовании ССП
  11. Завтра

1. Вчера

Интерес к использованию поля упругих колебаний (то есть, акустики) для получения информации о строении земной толщи возник задолго до того, как этот интерес мог быть удовлетворен, задолго до появления первой сейсмоаппаратуры. Люди всегда испытывали интерес к звуколокации, применяемой слепыми от рождения летучими мышами, которая помогает им не сталкиваться с различными препятствиями, а также к гидролокации, применяемой китами, дельфинами и другими морскими животными. Все были убеждены, что акустическая локация могла бы использоваться и для исследования подземного пространства.

В первой половине XIX века французский математик Пуассон создал математический аппарат для описания свойств акустического поля при зондировании земной толщи.

При этом был нарушен главный принцип использования математики в физике. Дело в том, что уравнения, написанные Пуассоном, описывали не акустическое поле, а его мысленную модель или, иначе говоря, гипотезу. На самом деле, математический аппарат может быть эффективно использован только тогда, когда он описывает реальную ситуацию, а не гипотетическую.

Надо сказать, что именно это говорил сам Пуассон в конце своей жизни. Он говорил, что математика не переводит гипотезу в ранг теории, и поэтому необходимо дождаться, когда появится аппаратура, чтобы проверить, насколько его гипотеза соответствует истине. Однако ученые не прислушались к словам Пуассона. Уж слишком очевидным казались уравнения Пуассона. Так, лорд Релей решил уравнение Пуассона для придуманных им поверхностных волн. Мы все читали про волны Рэлея, но как выявить их на практике, не знает никто.

В общем, сейчас в сейсморазведочной литературе упоминается примерно два десятка типов упругих волн. Но, дело в том, что каждый тип упругих колебаний должен характеризоваться скоростью распространения поля, а также скоростью распространения и траекторией движения колеблющихся в упругой волне частиц относительно направления распространения упругой волны. Но выделить интересующий нас тип упругих колебаний, определить скорость его распространения, определить направление вектора смещения колеблющихся частиц, и вообще понять, что представляют собой эти частицы, невозможно. И поэтому говорить о каких-либо типах упругих волн нельзя.

В самом начале ХХ века возникла первая сейсмоаппаратура. Весь Мир замер в ожидании. Нужны были нефть, газ, и на сейсморазведку возлагали большие надежды. Но первые испытания положительных результатов не дали. На сейсмограммах не было эхо-сигнала!

Зондирующий сигнал создавался взрывом или сильным ударом по земной поверхности, а то, что можно было принять за эхо-сигнал, имело вид каких-то непонятных колебаний.

Единственным активом сейсморазведки была ее очевидность. Не вызывало сомнения возникновение потока поля упругих волн, направленного вниз, в земную толщу в результате ударного или взрывного воздействия на земную поверхность. Не вызывало сомнения, что при этом произойдет частичное отражение и частичное прохождение поля через геологические структуры. Ну как же так?! Ведь это же всё так очевидно! Так почему же мы ничего не видим?! Эти причитания можно услышать на всех семинарах вплоть до сегодняшнего дня.

Все эти очевидности, на которых стоит сейсморазведка,  столь же убедительны, как то, что Земля наша, будучи центром Вселенной, стоит на трех китах. Некоторую надежду в сложившейся ситуации вызывало то, что, по всей видимости, сейсмоаппаратура начала ХХ века была не столь хороша, как хотелось бы. У всех была надежда на то, что если бы аппаратура была достаточно качественная, то сейсморазведка заработала бы.  Но на создание новой аппаратуры нужны были деньги, а чтобы появились деньги, нужны были какие-то положительные результаты от применения уже существующей аппаратуры.

В 1909 году, наконец-то, появились результаты. Профессор Загребского университета Андрия Мохоровичич объявил, что он с помощью сейсморазведки заглянул на 60-километровую глубину, и обнаружил там что-то очень важное. После этого еще несколько ученых сообщили, что получили примерно такую же информацию, а в 1914 году было сообщение, что академик князь Голицын достиг сейсморазведкой глубины в 400км. Я не пишу, что именно они в земной  толще обнаружили, потому что об этом достаточно сказано в интернете. Но на самом деле, всё это оказалось фейком. Это была ложь во спасение идеи сейсморазведки, и, что самое главное, подобные результаты невозможно получить даже сегодня, несмотря на колоссальный рост уровня сейсмоаппаратуры, который произошел больше, чем за 100 лет.

Здесь сработало одно правило, свойственное науке. Дело в том, что в науке нельзя взять обратно свое слово, а также нельзя опровергать чье-либо ошибочное мнение или даже обман. То, что доложил Мохоровичич и прочие, вплоть до Голицына, было оценено по достоинству довольно быстро, но сказать об этом было нельзя (согласно правилу в науке), и только где-то в конце ХХ века классик сейсморазведки Гурвич И.И. деликатно предложил считать началом сейсморазведки не 1909-й год, а 1930-й…

Но главное было достигнуто. Деньги потекли в сейсморазведку сразу же после сообщения Мохоровичича, и этот поток не ослабевает до сего дня. Затраты на сейсморазведку во всех странах, имеющих собственную геофизику, составляют примерно 94% от общих затрат на все виды геофизики, вместе взятые. Кроме того, существует запрет на бурение, которое делают при поисках полезных ископаемых, без предварительного проведения сейсморазведки.

Правда, эта сейсморазведка очень своеобразная. Проводят ее после того, как с помощью бурения найдут полезное ископаемое, а по документам – якобы до бурения. А результаты сейсморазведки «подтягивают» до результатов бурения. Дело в том, что, благодаря неиссякающему денежному потоку услуги сейсморазведчиков оплачиваются настолько чрезмерно, что их хватает не только самим сейсморазведчикам, но и тем, кто их курирует, а также и заказчикам этих работ...

Поэтому, несмотря на то, что возможности сейсморазведки всем известны, трогать ее нельзя. Сразу скажу, что это история международная. Ну что ж, все люди одинаковы…

2. О законах методологии

В 1973 году я, научный сотрудник кафедры радиоэлектроники ленинградского Горного института (ЛГИ), будучи по образованию радиоинженером, получил задание от своего руководства подготовить курс шахтной геофизики, чтобы читать его студентам 5-го курса специальности горный инженер-физик.

Практически единственным геофизическим методом в шахтных условиях является сейсморазведка, и, стало быть, речь в моих лекциях должна была идти в основном о сейсморазведке.

Примерно в то же время у меня возникло знакомство с разделом философии «методология развития научного познания». В порядке подготовки к кандидатскому экзамену по философии я познакомился с трудами философов по этой теме. И, в частности, с трудами Куна Т.С. [1].  То, во что я тогда окунулся, для меня было абсолютным открытием. Речь шла о законах развития науки. Так, оказалось, что основой науки является не математика (как я, да и все вокруг считали), а исключительно эксперимент. Методология научила меня, что:

  1. В основе любого исследовательского метода должен быть конкретный, реальный физический эффект, с которым можно ознакомиться в результате практических исследований;
  2. Не существует таких утверждений, которые бы не требовали экспериментального доказательства, так как недоказанная очевидность – это путь в тупик;
  3. Аксиома – это не то, что не требует доказательства, а то, что никак не доказать, потому что утверждений, не требующих экспериментального доказательства, не существует.

Разумеется, не сразу, но под воздействием методологов, и особенно, книги Куна я понял, что эти три положения должны быть постоянно действующими инструментами, если Вам выпало связать свою жизнь с наукой.

Я тренировал своих студентов в использовании принципов методологии. Они могли в любой момент остановить лекцию и задать вопрос, откуда я взял то или иное свое утверждение. И мы шли с ними в лабораторию, где они могли наблюдать заинтересовавший их эффект.

Правда, когда в деканате об этом узнали, возник скандал, потому что никто больше такую вольность себе позволить не мог. И это, оказывается, мешало преподавателям…

В литературе по методологии ничего не навязывается как некая догма, а всё рассматривается с помощью примеров из научной практики ученых прошлого. Далее, я узнал, что наукой нельзя заниматься в течение какого-то ограниченного времени, потому что если Вы создаете новое знание (а это и есть признак того, что Вы прикоснулись к науке), то Вы постоянно что-то не понимаете. И мысль Ваша будет непрерывно и постоянно искать выход из этого непонимания. И во сне, и в отпуске, на отдыхе. Познание бесконечно, и если вам повезло немного раздвинуть границы известного, то Вы тем самым увеличите объем непонятного. При этом Вы обречены на одиночество, ибо тот, кто оказался первым в гонке за новыми знаниями, всегда одинок. Вас перестанут понимать коллеги, и это создаст стену между вами. Это всё я хлебнул в полной мере. Правда, я тогда не понимал причины моего отчуждения.

Как-то так получилось, что я раньше не знал, что такое парадигма.

Этот термин ввел Кун. Он означает совокупность понятий в рамках общепринятых на сегодняшний день правил и закономерностей, с помощью которых можно решать стоящие перед наукой проблемы. Развитие науки происходит двумя путями. Либо плавно и без потрясений, путем усовершенствования знаний в пределах устоявшейся парадигмы, либо резко, путем смены парадигмы.

Научная парадигма определяет рамки «нормальной (на сегодняшний день) науки». Отказ от привычной для всех ученых, применявшейся веками парадигмы – очень болезненный процесс.

Момент смены парадигмы связан, в большинстве случаев, с открытием нового физического эффекта либо свойства. Этот «момент» длится, как правило, не меньше, чем 50 лет. 50 лет – это время смены поколения ученых. Ученые, которые исповедуют предыдущую, отжившую свой век парадигму, не могут допустить принятия к сведению физического эффекта, который выходит за рамки этой парадигмы. Таков закон человеческой психологии.

Феномен открытия обычно объясняют результатом углубленного изучения научных основ предмета, и его ставят рядом с изобретением. Но на самом деле, это не так. Открытие нового эффекта в подавляющем большинстве случаев происходит случайно. Ну конечно, для этого нужно иметь некоторый уровень знаний, чтобы его распознать. Но, в отличие от изобретения, придумать его невозможно.

Я когда-то увлекался литературными изысканиями, литературой о творчестве Пушкина, и читал труды известного пушкиниста Лотмана М.Ю.  Он рассматривал проблему создания новых литературных сюжетов, и заметил, что человек в принципе не может придумать что-либо принципиально, радикально новое. В лучшем случае, он может преобразовать, сделать как бы аранжировку уже существующего сюжета. И привел в пример Пушкина, у которого все его сюжеты были заимствованы из каких-то источников. Как правило, забытых.

Объясняя это явление, Михаил Юрьевич (Лотман) уподобил наш мозг детской игре лего. Мы можем составлять модели, изобретать, используя только лишь уже имеющиеся элементы лего. Чем больше в период воспитания, образования ребенок будет получать информации, тем больше у него в мозгу сформируется этих простейших элементов, и тем больше он будет подготовлен для дальнейшей жизни, к творчеству, изобретательству и т.д.

Пользуясь этой моделью, можно сказать, что в новом физическом эффекте содержатся такие элементы, которых нет в нашем мозгу, и поэтому мы не можем предвидеть его обнаружение. И, стало быть, придумать.

И даже более того, иногда при обнаружении нового эффекта его отвергают как невероятный.

3. Начало процесса смены парадигмы

С самого начала чтения лекций я уже был приверженцем методологии развития научного познания, и старался читать свой курс в соответствии с ней. Основой методологии развития научного познания является опора на эксперимент, на практику. И поэтому основой курса должны быть лабораторные работы. Идея лабораторных работ должна быть такова, чтобы студенты могли непосредственно общаться с физическими эффектами, которые лежат в основе изучаемого предмета. В частности, сейсморазведки.

Поскольку готовых лабораторных работ найти не удалось, я решил сам сделать установки, с помощью которых можно было бы увидеть самые первичные, самые простые, известные и кажущиеся очевидными физические эффекты, лежащие в основе сейсморазведки.

Простейшим и не вызывающим сомнений физическим эффектом является утверждение, заключающееся в том, что в однородных монолитных средах скорость распространения поля упругих колебаний V во всех точках объектов одинакова во всех точках объекта и во всех направлениях.

Была куплена ультразвуковая измерительная установка. К ней прилагались образцы для проведения простейших измерений. Все образцы были из оргстекла. Один из образцов, входивший в комплект измерительной установки, имел форму, показанную на рис.1. Размеры – Х=50мм; Y=70мм; Z=10мм. p-c – пьезокерамический преобразователь. Пьезкерамические преобразователи обратимы. Они могут работать как в режиме излучения, так и в режиме приема.

Один из образцов, входивший в комплект измерительной установки, имел форму, показанную на рис.1.
Рис. 1

При измерениях p-c преобразователи устанавливаются напротив друг друга и прижимаются (через смазку) к образцу.  При этом, определяя время прохождения звука от одного p-c к другому, во всех трех направлениях, по моменту первого вступления сигнала определяем скорость распространения поля в заданном направлении.

И действительно, скорость распространения поля V во всех трех направлениях в оргстекле одинакова, и составляет примерно 2600м/с, что соответствует данным, приведенным в справочниках. То есть, в такой среде (в оргстекле) методы сейсморазведки должны работать.

А теперь попробуем сделать такие же измерения для примерно такого же по размерам образца, но из другого материала. Например, из стекла. Это ведь тоже безусловно однородная среда, и мы можем ожидать таких же результатов, как в образце из оргстекла. Известно, что скорость звука в стекле равна примерно 6000м/с. Измерение скорости звука в направлении Z это значение скорости подтверждает. Но в направлении X и Y скорость V оказалась примерно в 2 раза меньше.

Наша планета состоит не из оргстекла, но и не из стекла. Поэтому мы заказали образцы таких же размеров из всех основных горных пород. Из песчаника, известняка и алевролита. Во всех трех случаях VZ оказалась равной примерно 5000м/с. А VX и VY  оказались примерно равными 2500м/с. Такой результат измерений был необъясним, и поэтому эта лабораторная работа не годилась для студентов. Также было необъяснимо, почему во всех справочниках указывается скорость звука, для каждой горной породы своя, и разброс этих значений очень велик, а наши измерения показали, что для всех горных пород скорость распространения звука более или менее одинакова и равна примерно 5000м/с.

Понятно, что такую лабораторную работу я не мог дать студентам. Ведь задача лабораторных работ – подтвердить известные законы сейсморазведки, а здесь это не получалось.

Тогда было принято решение поставить лабораторную работу, которая подтверждала бы другое известное и совсем уж очевидное свойство звукопроводящих сред. Думаю, что для всех представляется очевидным, что при точечном ударном воздействии на твердую среду амплитуда поля будет уменьшаться с удалением от точки удара.

В качестве источника ударного воздействия был применен падающий с высоты, примерно равной 20см, стальной шарик диаметром 2мм. Объекты исследований – лист из оргстекла и лист из стекла толщиной h = 2см и размерами метр на метр. Точечный пьезокерамический датчик после каждого удара передвигался на небольшое расстояние, удаляясь от источника. Графики получившихся зависимостей амплитуды сигнала от расстояния приемной пьезокерамики до точки ударного воздействия l приведены на рис.2.

I – амплитуда сигнала; I(l0) – значение амплитуды сигнала (на минимальном расстоянии до точки излучения, равном l0).

Графики получившихся зависимостей амплитуды сигнала от расстояния приемной пьезокерамики до точки ударного воздействия l приведены на рис.2.
Рис. 2

График а – для пластины из оргстекла – вполне ожидаемый. Уменьшение амплитуды происходит  за счет увеличения площади фронта волны при увеличении l.

И на расстоянии l, примерно равном 2h сигнал уменьшается до уровня помех.

График b – для пластины из стекла, оказался совершенно необъяснимым.

Во-первых, наличие участка увеличения амплитуды сигнала при удалении пьезокерамики от точки удара. И во-вторых, очень незначительное уменьшение амплитуды сигнала при дальнейшем удалении точки приема от точки удара.

Таким образом, на данном этапе получается, что те два фундаментальных физических эффекта, которые во всем Мире воспринимаются как основа сейсморазведки, не имеют места, не существуют.

Надо сказать, что свидетелей моих мучений было немало. И студенты, и коллеги, и начальники. Все они были едины в том, что если во всех научных и учебных трудах эти результаты не совпадали с моими, то значит, я неправ, и должен отказаться от того, что у меня получается. И все мои поползновения доказать, что книги пишут не боги, а люди, воспринимались всеми как свидетельство моей научной незрелости. Но вместе с тем, если, посещая мою лабораторию, они убеждались в моей правоте, они отрицали то, что они были в моей лаборатории. Я тогда уже подозревал, что иметь в науке собственное мнение недопустимо. Но не до такой же степени!

Всё это время я безуспешно искал, где бы найти готовую лабораторную работу по сейсморазведке.

Дело осложнялось тем, что принцип действия сейсморазведки настолько очевиден и прост, что придумать ее мог бы любой человек. И для этого совершенно не нужно иметь какое-либо образование. Два физических эффекта, которые мне не удалось подтвердить, тоже предельно логичны и очевидны, но экспериментально не подтверждаемы.

Я уже знал (от Куна), что экспериментально недоказанная очевидность – это путь в тупик. Но где в сейсморазведке зарыта собака, было неизвестно.

В общем, четыре года (с 1973-го по 1977-й) ушло у меня на то, чтобы понять, что ни в одном ВУЗе, как у нас, так и за рубежом, нет ни одной лабораторной работы по сейсморазведке, и что сейсморазведка в своей основе не имеет ни одного физического эффекта, который можно было бы подтвердить экспериментально. С позиции методологии это означало научную несостоятельность этой области знания. Но сказать вслух (а тем более, студентам) об этом было нельзя, поскольку сейсморазведка считалась (и до сих пор считается) самым главным геофизическим методом. В Ленинградском университете была кафедра сейсморазведки. В Новосибирском Академгородке есть институт геофизики Сибирского Отделения АН РФ, который на 90 с лишним процентов отдан сейсморазведке…

Стало понятно, что читать студентам мне нечего, и я решил отказаться от этого курса. Кроме того, тогда ко мне начала стекаться информация о том, что сейсморазведка является методом несамостоятельным. Так, для ее применения необходимо сначала сделать бурение, и без паспорта скважины ни один сейсморазведчик в Мире не станет осуществлять сейсмоизмерения. И основная (и, пожалуй, единственная) задача сейсморазведчиков заключается в том, чтобы «подтянуть» сейсморазведочный разрез к геологическому, полученному бурением. Когда я всё это услышал, я не поверил своим ушам.

К счастью, я не успел уволиться, и в это время моих сомнений и шатаний мне было поручено создать аппаратуру для разработки метода прогнозирования внезапного обрушения пород кровли горных выработок в угольных шахтах. Обрушение пород кровли дает наибольшее количество травматизма шахтеров, и во всем Мире все существующие научные коллективы, работающие в области горного дела, постоянно заняты поисками такого метода. Но, к сожалению, совершенно безуспешно.

С позиций существовавших тогда представлений, вероятность обрушения пород должна быть тем выше, чем больше трещиноватость пород кровли, и чем меньше мощность (толщина) непосредственной кровли1. Но эти представления оказались чисто умозрительными, поскольку экспериментальной проверки их не было. Вот первоначально и было принято решение создать аппаратуру для этой проверки.

Что касается аппаратурного определения мощности пород кровли, то об этом даже мыслей никаких не было. А с трещиноватостью было проще, как мне тогда казалось. Решить этот вопрос я рассчитывал, определяя затухание поля упругих колебаний, проходящего по непосредственной кровле. Правда, было непонятно, какая должна быть при этом частота зондирующего поля упругих колебаний. Я попытался найти рекомендации в литературе, посвященной проблемам изучения поля упругих колебаний. Но в литературе я ничего не нашел. Тогда было принято решение выполнить измерения в два этапа. На первом этапе предполагалось определять затухание поля упругих колебаний на различных частотах, излучая зондирующий сигнал с помощью звукового генератора электрических колебаний для возбуждения излучающей пьезокерамики (в шахтном исполнении), и выбрать оптимальную частоту. А затем, на втором этапе осуществить измерения затухания на этой частоте. Но, как потом оказалось, второго этапа не понадобилось.

На практике это выглядело следующим образом. Весь частотный спектр звукового генератора (от 20Гц до 20кГц) был разбит на 50 частотных интервалов, и затухание определялось 50 раз, на каждой из выделенных частот.

Предполагалось, что затухание поля упругих колебаний будет увеличиваться с увеличением частоты. Ведь об увеличении затухания звука в горных породах при увеличении частоты говорится во всей существующей литературе. Как в научной, так и в учебной. Именно на этом основании верхний предел частоты для усилителей сейсмостанций равен 1кГц. Дескать, всё, что выше одного килогерца, всё равно не пройдет.

Однако в результате выполненных измерений оказалось, что частотная (спектральная) зависимость затухания геометрически подобна изображенной на рис.3.

Однако в результате выполненных измерений оказалось, что частотная (спектральная) зависимость затухания геометрически подобна изображенной на рис.3
Рис. 3

Собственная частота породного слоя f0 оказалась однозначно связанной с его толщиной (как говорят геологи, мощностью) h:

h = 2500 / f0    (1)

2500м/с – это половина скорости распространения поля упругих колебаний в горных породах.

Собственная частота f0 обратно пропорциональна h, и, следовательно, оси f0 и h направлены в разные стороны.

Здесь I – величина амплитуды сигнала на всех (поочередно) частотах; Imax – максимальная величина амплитуды сигнала в точке приема.

Таким образом, получилась прекрасная иллюстрация к тому, о чем говорит методология. Сколько умных слов, сколько математически выверенных утверждений существует, чтобы обосновать увеличение затухания звука в горных породах с частотой! Но чего они стоят, если на практике увеличение затухания при увеличении частоты не происходит?

И что это за зависимость такая получилась? Почему возник такой экстремум на частоте f0?

Вот тут мне пригодилось мое радиотехническое образование. Дело в том, что, согласно разделу математики, называемому спектрально-временными преобразованиями, который мы изучали на радиофакультете, подобный график является спектральным изображением затухающего гармонического (синусоидального) сигнала. Такой частотный спектр сигнала мы получали при исследовании колебательного L-C контура, который является электрической колебательной системой. Так что же, получается, что породный слой по акустическим свойствам является колебательной системой с собственной частотой, равной f0?! Да, действительно, так и есть. Породный слой по акустическим характеристикам является упругой колебательной системой (УКС). При подаче на такую (как и на любую другую) колебательную систему короткого импульса он превратится в затухающий гармонический сигнал с частотой  f0, который будет проходить вдоль данного слоя-резонатора с минимальным затуханием. На рис.4 приведено изображение этого сигнала во временном аспекте.

Обнаружение акустических свойств упругих колебательных систем (в частности, породных слоев) означало момент начала смены парадигмы сейсморазведки. Но, честно говоря, я это понял спустя немало лет после этого.

На рис.4 приведено изображение этого сигнала во временном аспекте
Рис. 4

Как известно (из определения лорда Кельвина), если некий объект на ударное воздействие реагирует затухающим колебательным (гармоническим) сигналом, то, следовательно, этот объект является колебательной системой. Понимая это, лорд Кельвин более, чем сто лет назад (в 70-х годах XIX века) открыл электрическую колебательную систему (колебательный L-C контур), благодаря чему в электротехнике возникла новая парадигма, и стали развиваться такие области знания как радиотехника, электродинамика…

Это очень интересные результаты. Получается, что модель сейсморазведки, сформировавшаяся в головах огромного числа людей, не соответствует реальным акустическим свойствам горных пород. И, стало быть, общепринятые законы сейсморазведки не имеют никакого отношения к реальным условиям, к реальным акустическим свойствам  горных пород.

Но главным на этом этапе было то, что стал понятен путь решения задачи прогнозирования устойчивости пород кровли подземных горных выработок. Мы ведь теперь можем неразрушающим способом, и, главное, оперативно определять мощность непосредственной кровли. И для реализации этой идеи нужна гораздо более простая аппаратура, чем в традиционной, лучевой сейсморазведке. Спектроанализатор намного проще аппаратуры осциллографического типа, которая применяется в традиционной сейсморазведочной аппаратуре.

Обнаружение того, что объекты из большинства сред являются по акустическим свойствам колебательными системами, оказалось сигналом того, что в теории акустики возникла необходимость развивать новую парадигму. И первым практическим применением новой парадигмы оказалось создание спектральной сейсморазведки.

При обнаружении нового физического эффекта и, соответственно, нового свойства определенных объектов, как правило, возникает проблема, характерная для такого феномена как открытие. В случае открытия нового физического эффекта и/или свойства у человека, сделавшего это открытие, обязательно рано или поздно возникает уверенность в том, что этого не может быть. Иногда следствием такой уверенности является ликвидация автором этого открытия информации об этом эффекте. Или, во всяком случае, попытка ликвидации.

Не миновала нас эта уверенность и при обнаружении упругой колебательной системы. Но не сразу, а лет через 5. Дело в том, что обнаружение УКС оказалось аналогичным обнаружению электрической колебательной системы, которое произошло за 100 лет до этого. Будучи по образованию радиоинженером, я знал эту историю, и поэтому воспринял обнаружение УКС просто как аналогию с L-C контуром. И к тому же, я был уверен, что об этом свойстве породных слоев известно всем.

Использование УКС началось буквально в день ее обнаружения. Мы сразу поняли, что с помощью этого эффекта можно определять строение горного массива без бурения. То есть, это был ключ к прогнозированию обрушения пород кровли в горных выработок.

Лет через пять после обнаружения УКС я вдруг сообразил, что что-то здесь не правильно. Обнаружение реакции на ударное воздействие по породному слою в виде затухающей синусоиды предполагает наличие механизма преобразования импульса в синусоиду. Для всех известных колебательных систем  этот механизм был известен, а вот для УКС – нет.

Почему пластина из оргстекла на короткое ударное воздействие реагирует одним коротким импульсом, а стекло – гармоническим сигналом? Чем оргстекло (по акустическим свойствам) отличается от стекла? Ну, и от горных пород? Ответа не было.

Здесь одно из двух. Либо этот механизм есть, и его следует найти, либо его нет, а преобразование удара в синусоиду – это необязательная, случайная реакция на ударное воздействие. И тогда мы не имеем права внедрять в горную промышленность аппаратуру, которая предполагает получать информацию от параметров гармонического сигнала, если он возникает в результате удара по горным породам. А если вдруг при ударном воздействии на породный слой гармонический сигнал не возникнет…

В общем, стало понятно, что до тех пор, пока не будет найден механизм преобразования удара в синусоиду, передавать аппаратуру шахтным геологам нельзя.

Было понятно, что механизм преобразования удара в синусоиду должен заключаться в наличии какой-то неоднородности в акустических свойствах объектов-резонаторов. Из всех акустических свойств подлежат исследованию только кинематические характеристики. То есть скорость распространения поля. Неужели скорость распространения поля упругих колебаний при нормальном (перпендикулярном) прозвучивании слоя-резонатора может оказаться неодинаковой по толщине этого слоя? И если это так, то, скорее всего, скорость должна уменьшаться в приграничных областях.

Мысль была абсолютно сумасшедшей, но если гипотеза возникла, то ее следует проверить. И если это действительно так, то при сквозном нормальном прозвучивании средняя скорость распространения поля упругих колебаний при уменьшении толщины прозвучиваемого слоя-резонатора должна уменьшаться. Это должно происходить за счет того, что при уменьшении h влияние приповерхностных зон будет возрастать.

4. О приповерхностных зонах объектов-резонаторов

И действительно, при прозвучивании пластин из оргстекла и из стекла эта гипотеза подтвердилась. Это видно из таблицы 1. В пластинах-нерезонаторах (оргстекло) с толщинами от 3 до 7мм средняя скорость Vср если и изменяется, то бессистемно, и видимо, в результате погрешности при изготовлении образцов.

В пластинах-резонаторах (стекло) величина Vср уменьшается при уменьшении толщины образцов. Что и требовалось доказать. Но, с другой стороны, скорость распространения поля упругих колебаний не может изменяться без дополнительного притока-оттока энергии. И вообще, как может изменяться скорость при приближении к границе?! Оно (поле) ведь не может «знать», что граница приближается…

Здесь оказалась другая история. Подобная картина может иметь место, если звуковой луч идет пусть с постоянной скоростью, но не по прямой (по перпендикуляру к границам слоя-резонатора), а изгибается в приграничных областях.


Табл. 1

Но тогда получается, что при нормальном (перпендикулярном) прозвучивании слоев-резонаторов вблизи от границ возникает тангенциальная составляющая поля.

Это объясняет экспериментально полученный факт, заключающийся в том, что при ударном воздействии земную поверхность поле распространяется не поперек, а вдоль залегающих в Земле породных слоев.

5. Рождение спектральной сейсморазведки

Если традиционная, лучевая сейсморазведка рассматривает поле упругих колебаний в виде акустических лучей и изучает скорость их распространения, то применяемый для того же (для изучения породной толщи) исследовательский метод, использующий как информационный параметр частотный спектр поля упругих колебаний, логично назвать спектральной сейсморазведкой.

Элементарным, простейшим объектом спектральной сейсморазведки является плоскопараллельная геологическая структура, которая к тому же является наиболее часто встречающейся в природе. Породный пласт является слоем-резонатором. То есть, колебательной системой.

На практике, единичный породный слой встречается крайне редко. Обычно соседние породные слои сцеплены, и оказалось, что с помощью метода спектральной сейсморазведки можно выявлять всю пачку слоев-резонаторов и определять мощность каждого слоя в этой пачке. На рис.5 схематично показана трехслойная толща горных пород.

При нанесении удара по кровле (или по земной поверхности) возбуждаются все находящиеся в этом месте породные слои-резонаторы, и при этом получается не одна частота, а весь частотный спектр. И при этом выражение (1) преобразуется следующим образом:

h= 2500 f0i    (1’)

При этом следует учитывать, что в каждом слое-резонаторе при ударе возникает поле с его собственной частотой, которое не выходит за пределы этого слоя-резонатора. И, следовательно, сейсмоприемник примет собственные колебания не всех породных слоев, а только тех, которых он касается. То есть, составных, за исключением первого.

На рис.5 схематично показана трехслойная толща горных пород
Рис. 5

Источник ударного воздействия И находится в непосредственной близости от сейсмоприемника Пр, примерно на расстоянии в 0,1 – 0,3м.

В результате удара сейсмоприемник почувствует собственные колебания слоев h1, h1+h2 и h1+h2+h3, и т.д.  Собственные колебания с частотами f2 и f3 сейсмоприемник не воспримет, потому что он их не касается.

Пересчитанные с помощью соотношений (1) и (1’) в величины hi – это уже элементы геологической информации.

Оказалось, что если возбудить слой-резонатор, то его собственный колебательный процесс распространяется вдоль этого слоя, не выходя за его пределы. И таким образом, стало понятно, почему при распространении поля вдоль слоя-резонатора затухание очень незначительно, что видно на графике рис.2b.

Первая шахтная аппаратура спектральной сейсморазведки (получившая название «Резонанс») представляла собой аналоговый спектр-анализатор на основе двойного R-C моста Вина, поскольку цифровая эра еще не наступила.

Следующие 16 лет были потрачены на то, чтобы проверить полученные результаты в условиях всех существующих геологических условий.

С начала 80-х годов началась эра цифровых измерений, и время измерений существенно сократилось (до нескольких секунд на каждое измерение). И основные силы были брошены на изучение акустических свойств реальных геологических слоев из различных материалов. Это мы делали как в лабораторных, так и в шахтных условиях.

Как оказалось, объекты не из всех материалов являются колебательными системами или, иначе говоря, резонаторами. Так, многие пластики (и оргстекло), а также многие сорта угля резонаторами не являются. А металлы и сплавы, горные породы, керамика, стекло, лед – резонаторами являются.

Нам показалось удобным поделить все твердые материалы на две группы. Группа стекла (резонаторы) и группа оргстекла (нерезонаторы).

Нас очень озаботил следующий вопрос. Какими свойствами будет обладать совокупность слоев-резонаторов, если среди них окажется слой-нерезонатор? Ну, например, пласт угля, зажатый в горных породах. Оказалось, что слой-нерезонатор, зажатый между слоями-резонаторами, сам становится слоем-резонатором. Причем, что самое удивительное, это относится и к жидкостям, и к газам. Должен признаться, что физика этого явления непонятна до сих пор.

Некоторые моменты удалось обобщить. Так, земная толща, а в пределе, наша планета, по акустическим свойствам являются совокупностью колебательных систем.

При изучении горизонтальных границ между породными слоями, было обнаружено, что в ряде случаев эти границы изгибаются и приобретают вполне конкретные формы. Очень часто встречаются воронкообразные объекты. Пример – на рис.6.

Этот спектрально-сейсморазведочный разрез является примером, полученным при спектрально-сейсморазведочном профилировании (ССП).

Как оказалось, подобные геологические объекты являются зонами тектонических нарушений (ЗТН) и имеют множество интереснейших свойств. Одно из них – водоносность.

Сколько веков люди пытались понять, откуда на Земле вода. Да еще в таком количестве! С помощью геолога Ларина [2] удалось ответить на этот вопрос. Но об этом мы поговорим попозже.

Здесь (на рис.6) ось абсцисс – линия профиля, вдоль которой осуществляются измерения с определенным шагом, в данном случае через 1м.

Ось ординат, на самом деле, это ось частот, пересчитанных по формуле (1) в глубины. Здесь предельная глубина – 70м. Значение предельной глубины определяется потребностью. В случае, если глубина поступления воды составляет не более 40м, ССП-разрез на большие глубины не требуется. В приведенном примере точка водопритока находится на 15-м метре профиля. Глубины, с которых пойдет вода – 15 и 26м – что соответствует глубинам острия воронкообразного объекта.

Чем глубже острие воронки, тем больше дебет, так как вода, поднимающаяся снизу вверх, поочередно заполняет каждую воронку и при этом уменьшает свой напор.

Здесь (на рис.6) ось абсцисс - линия профиля, вдоль которой осуществляются измерения с определенным шагом, в данном случае через 1м
Рис. 6

Предельная глубина hmax для этого исследовательского метода определяется величиной минимальной частоты аппаратуры ССП. Так, если нижняя частота спектроанализатора равна 1Гц, то hmax=2,5км.

 

Представляется, что здесь самое время объяснить эффекты, относящиеся к рис.1 и рис.2.

Почему поперек слоев-резонаторов скорость распространения поля упругих колебаний равна 5000м/с (в горных породах), а вдоль этих слоев – 2500м/с?

Да потому, что поперек слоя-резонатора распространяется само (первичное) поле упругих колебаний, а вдоль – колебательный процесс. В непосредственной близости от излучателя, где формируется этот колебательный процесс, скорость меньше, чем 2500м/с, а с удалением она приближается к скорости 2500м/с.

И теперь про рис.2. Почему при удалении от точки излучения сначала амплитуда поля в слое-резонаторе увеличивается, а потом затухает так медленно?

Потому что на малых расстояниях от излучателя присутствуют два процесса – непосредственно поле и собственные колебания. Вот в сумме они и дают больше единицы. Первичное поле затухает очень быстро (как в оргстекле), а собственный колебательный процесс идет вдоль слоя-резонатора, не выходя за его пределы. И поэтому затухает крайне медленно...

6. Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН)

С тех пор, как существует человеческое общество, существует проблема внезапных и необъяснимых разрушений инженерных сооружений. В начале XIX века, в связи с резким увеличением объемов строительства по причине возникновения железнодорожных путей, количество таких разрушений увеличилось, и геологи предположили, что причина этих разрушений – наличие некоего геологического объекта.

Так вот, ЗТН – это и есть тот самый объект.

Самым первым из обнаруженных нами свойств этих объектов оказалось то, что любое инженерное сооружение, оказавшееся в такой зоне, будет непременно разрушаться.

Мы в течение года делали исследования методом ССП около различных сооружений двумя способами. Первый метод – поиск ЗТН вокруг ИС с признаками разрушений, и второй, когда исследовался участок, который еще только запланирован под строительную площадку. Мы получили очень убедительные результаты, доказывающие, что ЗТН действительно являются объектами, наличие которых под ИС приводит к их разрушению.

Однако разрушения эти бывают столь сокрушительными и при этом разнообразными, что было просто необходимо понять механизм их разрушения. Так, исследуя различные ИС, мы обнаружили такое разрушение помещения управления портом СПб, что выяснение механизма стало просто насущно необходимым. На рис.7 показан вид этого разрушенного сооружения.

Дом не был старым, и для того, чтобы так разрушиться, не было никаких видимых причин.

Причина разрушений в ЗТН была найдена с помощью геодезистов. Как оказалось, на Земле встречаются зоны, в которых погрешность геодезических измерений резко увеличивается. Это происходит потому, что грунт в этих зонах постоянно колеблется. Частота этих колебаний очень низкая – период их составляет от единиц секунд до единиц минут. Но амплитуда этих низкочастотных колебаний очень большая. Она достигает 10 и даже больше см.

Для современной геодезической аппаратуры 10см – недопустимо большая погрешность. И с этим нужно было разобраться.

На рис.7 показан вид этого разрушенного сооружения
Рис. 7

Как оказалось, зоны этой пульсации (это явление так и назвали - планетарная пульсация) - это не что иное, как признак и следствие наличия зон тектонических нарушений. А теперь давайте посмотрим, что будет, если в пределах такой зоны окажется часть пусть даже очень прочного фундамента дома. Одна часть дома будет пульсировать вместе с ЗТН, а другая, которая вне ЗТН, пульсировать не будет. То есть фундамент подвергнется знакопеременному изгибному напряжению. Такому воздействию противостоять не может ни один материал. И более того, чем прочнее будет материал фундамента, тем более разрушающим будет это воздействие. Известно, что железобетон, который выдерживает колоссальные нагрузки при непосредственном сжатии, изгибные нагрузки, да еще и знакопеременные вовсе не держит.

Характер разрушения сооружения зависит от соотношения площади ЗТН и площади фундамента, от того, какие части фундамента опираются на ЗТН. Но теперь стало необходимым выяснить, что является причиной возникновения планетарной пульсации.

Получая с 1977-го года принципиально новую информацию, естественно, было необходимо докладывать это на кафедре, на конференциях, описывать в журналах. Но эта информация вызывала большое недоверие. Поэтому я должен был постоянно исследовать то, что я узнавал, чтобы эта информация была доказуемой. В общем, было остро необходимо понимать природу ЗТН и свойства этих зон.

Очень большой ступенькой в познании оказалась радоновая съемка, которую делали геофизики по следам профилей ССП, которые мы проходили. Как оказалось, над каждой ЗТН в атмосфере имеет место подъем концентрации радона. По мнению геофизиков, наличие радона в ЗТН указывает на то, что эти зоны каким-то образом, с помощью какого-то канала связаны с околоядерным пространством нашей планеты. Собственно, именно по этому признаку нам и посоветовали назвать эти объекты зонами тектонических нарушений.

Понятие тектонических нарушений существовало еще до начала наших исследований. Но тогда это понятие являлось чисто умозрительным, и свойства его определялись исключительно фантазией геофизиков и геологов. Так, они разделялись на палеотектонику и на неотектонику. А, кроме того, очень жаркие были споры на тему глубинности этих объектов…

Но что же заставляет грунт в ЗТН пульсировать?

Согласно гипотезе Ларина, постоянно протекающая в ядре Земли реакция радиоактивного синтеза приводит к тому, что там поддерживается колоссальная температура и огромное, постоянно растущее давление. Поэтому время от времени в коре Земли возникают вертикальные трещины, и по этим трещинам поднимаются до самой поверхности жидкие и газообразные субстанции. Поэтому понятие глубинности ЗТН не имеет смысла. Вертикальная протяженность ЗТН всегда равна расстоянию между поверхностью Земли и околоядерным пространством.

Далее, согласно гипотезе Ларина, основным веществом в ядре Земли является водород. Кроме того, там находится в огромном количестве и кислород. В условиях высокой температуры и давления из водорода с кислородом происходит синтез воды, которая от околоядерного пространства поднимается до поверхности и выходит в виде родников.

Нам посчастливилось подтвердить эти гипотезы Ларина.

Итак, зоны тектонических нарушений – это выходы на поверхность вертикальных  трещин, которые начинаются в околоядерном пространстве. Далее, эти зоны – это места выхода родниковой воды. С 1993-го года мы выявляем ЗТН, и даем людям информацию о точках водопритока. За эти 26 лет удалось дать людям несколько тысяч точек водопритока в  разных странах, в местах, которые до этого считались безводными. Кроме воды, при бурении в эти точки выходит множество газов. Это, как уже говорилось, радон, а также чистый водород, метан…

Вода… Так вот откуда она взялась на первоначально горячей и сухой Земле!

Я долго не мог понять, откуда берется планетарная пульсация. То, что процесс трещинообразования не может быть мгновенным, это было ясно. Трещина длиной более 1000 км распространяется вдоль этих трещин не быстро. Но ведь если наша планета по акустическим свойствам представляет собой совокупность колебательных систем, то любой щелчок, возникающий при трещинообразовании, может восприниматься только как затухающий гармонический процесс. И здесь получается два процесса – процесс непосредственно трещинообразования и процесс распространения поля упругих колебаний от точки раскрыва трещины до земной поверхности. Вот эти два процесса и воспринимаются как планетарная пульсация.

После распространения трещины до самой поверхности наступает весьма длительный процесс сползания вниз горных пород, примыкающих к трещине. Вот это сползание и создает воронкообразные объекты вдоль вертикальных трещин.

Планетарная пульсация – это как бы раскачка всего объема пород вокруг трещины . Эта раскачка усиливает разрушение инженерных сооружений, оказавшихся в ЗТН. А также  разрушение самих горных пород, которое завершается обрушением пород кровли в подземных выработках.

Кстати, геологи неоднократно наблюдали, что в зонах обрушения пород кровли залегают исключительно мелкослоистые породы. И только недавно стало понятно, что мелкослоистость появляется в результате раскачивания пород в ЗТН.

Кроме перечисленных явлений, в ЗТН из Земли выходит множество болезнетворных газов. И, таким образом, ЗТН являются геопатогенными зонами. Если дом оказался в ЗТН, то глубинные газы попадают в подвалы, и в отсутствии вентиляции подвалов они просачиваются на жилые этажи. Хуже всего приходится тем, кто живет в подвалах и на первом этаже. К сожалению, в большинстве домов, где на уровне подвалов есть вентиляционные отверстия, их отверстия забивают всякой всячиной. Причина этого мне неизвестна. Известно только, что у тех, кто живет на первом этаже, количество онкологических и других тяжелых заболеваний в несколько раз больше, чем на остальных этажах.

7. О двух разновидностях ЗТН.

Как было уже сказано выше, ЗТН были обнаружены по наличию на ССП-профиле воронкообразных объектов. На рис. 6 показан пример такого объекта. Однако иногда встречаются такие объекты, когда на ССП-разрезе имеет место как бы неполная, половинчатая воронка. Одна ее образующая прорисовывается, а второй нет. Такая вот несимметричная ЗТН.

Как оказалось, различие таких ЗТН – в разрушающем действии находящегося поблизости сооружения. И если вблизи симметричной ЗТН разрушение чаще всего проявляется уменьшением срока эксплуатации, то вблизи несимметричной ЗТН сооружения разрушаются примерно так, как показано на рис.7.

Приведенный на рис.8 ССП-разрез был получен при поисках точки водопритока, но понятно, что при таких ЗТН рекомендовать получение воды не следует. Будь то скважина или колодец – они разрушатся.

Симметричные ЗТН были названы разрывными нарушениями, а несимметричные – сдвиговыми.

Приведенный на рис.8 ССП-разрез был получен при поисках точки водопритока, но понятно, что при таких ЗТН рекомендовать получение воды не следует. Будь то скважина или колодец – они разрушатся.
Рис. 8

Наличие целой серии сдвиговых нарушений свидетельствует о том, что любое возведенное там сооружение разрушится немедленно. Как оказалось, вдоль этого профиля соседи несколько раз пытались построить ограду между двумя участками. Будучи довольно фундаментальным сооружением, с железобетонной опорой, этот забор немедленно падал…

Примерно такой же ССП-разрез был получен при обследовании участка для строительства 16-этажного дома по адресу ул.Замшина, д.31, корп.4 (СПб), на территории парка им. Сахарова. Дом возводился по технологии монолитного строительства, и когда мы сообщили о том, что дом этот будет разрушаться, это вызвало у строителей острое недоверие. Разрешение на строительство было ими куплено в тресте ГРИИ, на ул. Зодчего Росси, и они приступили к строительству. Еще до начала заселения у дома стали падать стены. Их подхватывали и стягивали металлическими стяжками и анкерами. Понятно, что такие разрушения при монолитном строительстве могут возникнуть только при разрушении плиты, на которой стоит дом. Как показала практика, железобетонная плита, так называемое, плавающее основание, является самым ненадежным элементом фундамента.

На рис.9 приведена фотография одной из стен этого дома. Подобного рода крепления можно наблюдать на всех стенах этого дома. Во многих квартирах этого дома имеются сквозные трещины в стенах. Количество таких трещин – примерно 2000. Для того, чтобы успокоить жителей, СПб отделение МЧС с помощью аппаратуры Стрела (или Струна, что в принципе одно и то же) сделало обследование дома. В результате этого обследования был составлен документ, согласно которому, по своему состоянию дом относится к 1-й категории. То есть, как новенький.

Интересно, что за те несколько лет, что используется эта аппаратура, не было получено ни одного результата, где бы прогнозировалась авария…

На рис.9 приведена фотография одной из стен этого дома. Подобного рода крепления можно наблюдать на всех стенах этого дома. Во многих квартирах этого дома имеются сквозные трещины в стенах. Количество таких трещин – примерно 2000. Для того, чтобы успокоить жителей, СПб отделение МЧС с помощью аппаратуры Стрела (или Струна, что в принципе одно и то же) сделало обследование дома. В результате этого обследования был составлен документ, согласно которому, по своему состоянию дом относится к 1-й категории. То есть, как новенький.
Рис. 9

8. Сейсмоприемники

Сейсмоприемники являются источником информации при проведении сейсморазведочных измерений.

В 1980-м году, после серии удачных измерений с помощью нашей первой аппаратуры «Резонанс» на шахтах украинского Донбасса нам было предложено поставить эту аппаратуру на серийное производство.

Для меня было совершенно непонятно, что при этом следует делать. Метрологи ЛГИ объяснили, что нужно сделать метрологическую аттестацию, как они говорили, отдельно радийной части, и отдельно – сейсмоприемника. Как метрологически аттестовать схему – это более или менее, понятно. А вот сейсмоприемника…

Меня делегировали на консультацию в метрологический институт им. Менделеева. У них есть лаборатории по всем классам аппаратуры, и я пришел к специалистам, которые занимаются различными датчиками. Я спросил у них, как аттестовать сейсмоприемник. Они мне сказали, что они не знают, что такое сейсмоприемник, поскольку в метрологии такого понятия нет. Я им объяснил, что это как бы микрофон, только для работы не в воздухе, а в горных породах. То есть ЭДС на кабеле сейсмоприемника должна быть пропорциональна какому-то параметру акустического поля в точке контакта.

А какому именно параметру? – спросили они. Я вспомнил, что когда-то в учебнике по акустике прочел, что если чувствительный элемент – пьезокерамика, то речь идет о величине скорости движения колеблющихся частиц. То есть, наш сейсмоприемник – это акселерометр. Мои консультанты восхитились этому моему ответу, и задали вопрос: «а вы можете это доказать?». Нет, не могу.

Ну, может быть, ЭДС пропорциональна амплитуде колеблющихся частиц? Но и это я не мог доказать…

Получив достаточное удовольствие от моей растерянности, они, наконец, стали объяснять, что любой датчик должен с какой-то погрешностью быть подобным эталону. Так, скажем, вольтметр – это датчик электрического напряжения, эталон которого находится в Палате Мер и Весов. Но в данном случае проблема заключается в том, что акустика не имеет своего эталона, и поэтому метрологически аттестовать сейсмоприемник невозможно.

«Ну вот же я недавно купил несколько немецких акселерометров. У них были паспорта с печатями метрологических лабораторий.» На что они мне сказали, что печать они тоже могут поставить, но это ничего не решает.

Как они мне сообщили, в Хабаровске существует поверочная лаборатория, которая тоже может поставить свой штамп и на сейсмоприемник, и на вибростенд. Но это они могут сделать не потому, что у них такой высокий уровень знаний, а потому что право печати они получили в отделе науки ЦК КПСС. Вот и у немцев, видимо, есть такой ЦК.

После этого они мне сказали ключевую фразу: «Вот поэтому сейсморазведка и не входит в компетенцию метрологической службы»…

Спустя много лет после этого я понял, что сейсмоприемник для спектральной сейсморазведки со временем будет входить в компетенцию метрологов, потому что информация, получаемая с помощью этих сейсмоприемников, является частотным спектром поля упругих колебаний в точке контакта с земной поверхностью. А эталон спектра может существовать.

Для того, чтобы сейсмоприемник мог являться датчиком спектра поля упругих колебаний, он не должен иметь в своем составе никакой собственной колебательной системы. Это свойство очень легко определяется. Нужно сейсмоприемник подключить к осциллографу и уронить на него (на сейсмоприемник) с высоты, примерно равной 20см, стальной шарик диаметром 2мм. Все существующие в Мире сейсмоприемники отреагируют на такое воздействие длительным гармоническим затухающим процессом. А это значит, что они в своем составе имеют колебательную систему (а может быть, и не одну).

При падении такого шарика на сейсмоприемник, предназначенный для спектральной сейсморазведки, на экране осциллографа должен возникнуть всего один импульс.

Сейсмоприемники, содержащие в своем составе колебательные системы, не могут использоваться в спектральной сейсморазведке, так как электрический сигнал, снимаемый с такого сейсмоприемника, будет иметь частоту, отличающуюся от той, которая имеет место в точке контакта сейсмоприемника с грунтом. И, в результате, если мы захотим использовать этот сейсмоприемник в составе аппаратуры спектральной сейсморазведки, мы получим спектральные искажения и, соответственно, изображение, не соответствующее геологическому объекту.

В общем, было понятно одно. Сейсмоприемник, используемый в спектральной сейсморазведке,  не должен иметь собственных частот. Но как это сделать? Во-первых, материалы, используемые при изготовлении сейсмоприемника, должны быть из ряда оргстекла (но не стекла). Из оргстекла можно изготовить что угодно, и здесь проблем нет. Но ведь и сам чувствительный элемент должен быть из ряда оргстекла. Пьезокерамика, к сожалению, относится к ряду стекла…

В начале 80-х годов в журнале «Наука и жизнь» появилась статья, в которой сообщалось, что японцы придумали пьезопленку, которая по акустическим характеристикам находится в ряду оргстекла. На наше счастье, такая пленка выпускалась и в Ленинграде, на заводе «Пластполимер». Таким образом, была решена проблема сейсмоприемников для спектральной сейсморазведки.

На сегодняшний день, сейсмоприемник, которым укомплектована аппаратура ССП, является единственным, пригодным для ССП-измерений.

9. Эхо-сигналы

Меня длительное время не отпускал один вопрос. Какая бы это ни была сейсморазведка, будь то традиционная, лучевая, или спектральная, при ударном воздействии на земную поверхность обязательно должен быть эхо-сигнал. И он нашелся.

В 80-х годах я обнаружил очень интересный эффект. Как оказалось, при нормальном (перпендикулярном) прозвучивании слоя-резонатора при некоторых условиях [3] зондирующий сигнал, проходя через слой-резонатор, переориентируется в пространстве и переизлучается слоем-резонатором через свои торцы. То есть, поворачивается на 90°.

Это значит, что, осуществляя традиционную, лучевую сейсморазведку, мы если и получим сейсмосигнал, то получим его не снизу, из глубины земной толщи, а сбоку. И это представляет собой самый толстый гвоздь в гроб традиционной сейсморазведки. Ну смотрите, все методики получения информации при сейсморазведочных работах заточены на то, что сейсмосигнал должен приходить снизу, а он приходит сбоку.

В самом начале XXI столетия я делал доклады в институте физики Земли, в их филиале под названием ГЕОН. Я там сделал, не помню, 6 или 7 докладов, один раз в год. Вся серия этих семинаров была объединена названием «Чтения памяти Федынского». После каждого из моих докладов собравшиеся там люди (присутствовало человек 300) кричали во весь голос. Однако же, половина из них ругала меня на чем свет стоит, а вторая с той же интенсивностью ругала первую половину, потому что у меня, по их словам всё именно так, как есть. Для меня эти доклады много значили. Если уж меня 6 лет приглашали сделать доклад в институте физики Земли, значит, не такой уж я ерундой занимаюсь.

Но вот в одном из докладов в ГЕОНе я рассказал, что эхо-сигналы при сейсморазведочных исследованиях приходят не снизу, а сбоку. Я ожидал любой реакции, только не того, что произошло. В порядке реакции на мое сообщение весь народ дружно захохотал. Петросян позавидовал бы такой реакции. В чем же дело? На что была такая реакция? Они мне сказали, что давно об этом знают. А как же они это узнали? Я-то это понял, когда обнаружил эффект акустического резонансного поглощения (АРП). А они как?

Оказалось всё гораздо проще. Сейсморазведчики ведь используют не один сейсмоприемник, а много. Они объединяются в единый сейсмокабель (сейсмокосу). В ходе сейсмоизмерений косу можно перемещать, смещать… И вот было замечено, что при смещении косы параллельно самой себе на сколько-то метров глубина выявляемого с помощью сейсморазведки объекта смещается по глубине на столько же метров. Так бывает далеко не всегда, но бывает. Кто-то из участников этого эксперимента предположил, что это могло бы быть, если бы эхо-сигнал шел не снизу, а сбоку…

В связи с таким предположением была целая серия скандалов. И вот, когда страсти затихли, появилось мое сообщение…

10. О практическом использовании ССП

По поводу практического использования метода ССП вопросов не было, поскольку на первом же СССП-профиле (в 1993году) были обнаружены воронкообразные объекты – зоны тектонических нарушений. Буквально сразу мы поняли, что ЗТН – это те геологические объекты, из-за которых происходят внезапные разрушения инженерных сооружений.

4 года спустя мы обнаружили, что если пробурить скважину в центр ЗТН, то получим родниковую воду. Тогда возникло множество вопросов. И самый главный из них – это вопрос о происхождении этой воды и о количестве воды в таких точках водопритока.

На сколько ее хватит?

Первый случай – это был поиск точки водопритока для строящейся гостиницы Чайка в поселке городского типа Советск, под Выборгом. Ну вот, могу доложить, что гостиница Чайка до сего дня в воде не нуждается, и поэтому к городской сети не подключена.

Таким образом, стало понятно, что метод ССП оказался очень нужным для всего человечества. Не сомневаюсь, что в условиях дефицита воды этот метод будет спасением для всех людей.

Что касается проблемы прогнозирования внезапных разрушений инженерных сооружений, то это тоже не последняя по важности проблема.

Недавно я узнал о том, что потери от внезапных разрушений растут с той же скоростью, с которой растет энергооснащенность Земли. Здесь всё очень просто. Устройства, влияющие на энергооснащенность Земли – это электростанции, насосные станции… Все эти станции при эксплуатации вибрируют. А поскольку все они установлены на Земле, которая представляет собой совокупность колебательных систем, то вероятность резонансного разрушения всех этих устройств очень велика. Что и происходит время от времени. Из всем известных случаев – это авария на Саяно-Шушенской ГЭС.

Благодаря большому количеству друзей, среди которых и геологи, и геофизики, нам удалось довольно быстро набрать опыт в применении ССП в самых различных областях. Благодаря этому мы побывали на огромном количестве объектов как в России, так и в других странах Мира.

Очень интересной оказалась командировка в Архангельскую область, на месторождение алмазов.

Один из моих друзей, геофизик, геолог с огромным опытом, ознакомившись с физикой ССП, предположил, что с помощью этого метода можно выявлять коренные месторождения алмазов. Так называемые трубки. Он договорился с геологами, работающими в архангельской алмазной провинции, чтобы нам дали для исследования уже разбуренную алмазную кимберлитовую трубку, чтобы нам самим понять, увидим ли мы ее на ССП-разрезе.

Нам дали две точки с расстоянием между ними 2500м И где-то в этом интервале была известная им трубка размером примерно 250м. Где именно находится трубка, нам, естественно, не сказали. На рис.10 показан ССП-разрез на участке 0-550м.

На рис.10 показан ССП-разрез на участке 0-550м.
Рис. 10

На участке 200-430м видны очертания купола, что характерно для геологического объекта магматического происхождения. Для того, чтобы найти подобный объект, люди тратят много лет, и, в конце концов, решают эту проблему бурением. Метод ССП позволил получить эту информации примерно за 2-3 часа.

Примерно в тех же краях было обнаружено месторождение полиметаллов. Обнаружили его геологи по обнажению на берегу речки. Но для того, чтобы определить его размеры, нужно бурение. Поскольку мы с нашей аппаратурой оказались рядом, нам предложили попытаться исследовать этот объект методом ССП.

На рис.11 показан ССП-разрез вдоль рудного тела. Граница объекта получилась достаточно четкая. Выполненное в дальнейшем разведочное бурение подтвердило мощность рудного тела и его протяженность, полученные с помощью ССП метода.

На рис.11 показан ССП-разрез вдоль рудного тела. Граница объекта получилась достаточно четкая. Выполненное в дальнейшем разведочное бурение подтвердило мощность рудного тела и его протяженность, полученные с помощью ССП метода.
Рис. 11

Оказавшись в Африке, мы побывали на золотом прииске. Добыча золота там ведется драгой, вдоль русла реки. Но рядом с рекой сделано большое количество бурения. Побывав в кернохранилище, мы увидели, что в одних кернах золота практически нет, а в других его очень много. И что еще интересно, золото с пустой породой как бы сплавлено. Мы сделали ССП через точки бурения, и увидели, что большая концентрация золота там, где бурение прошло через ЗТН.

Значит, получается, что выход золота происходил через ЗТН тогда, когда Земля была настолько горячей, что золото и пустая порода были в жидком состоянии.

Отсюда следовало, что при добыче золота драгой добывается лишь очень незначительная, приповерхностная часть металла. Прежде, чем добывать золото, следует сначала сделать ССП, и брать золото вертикальными выработками, проходящими вдоль ЗТН.

Вообще, должен сказать, что очень приятное чувство заранее прогнозировать точки разрушения дамб, трубопроводов, карьеров и шахт, а также мест аварий железнодорожных составов, когда отрываются последние вагоны. И ждать подтверждения этих прогнозов по электронной почте.

11. Завтра

«Вчера» мы жили в поле теоретической акустики в рамках предыдущей парадигмы. Между «вчера» и «завтра», в течение почти 50 лет были обнаружены несколько неизвестных ранее физических эффектов [4], которые позволили сделать шаг в познании и перейти в следующую парадигму.

Завтра наступит тогда, когда геофизики окажутся в этой новой для них парадигме и примут для себя принципы методологии развития научного познания. При этом уйдут в историю случаи гибели шахтеров, разрушения инженерных сооружений. Как наземных, так и подземных. А также проблема поисков воды.

Прогнозировать научный процесс – дело неблагодарное. Разве мыслимо было прогнозировать обнаружение непостоянства скорости звука в монолитных средах? А наличие непосредственных связей поверхности Земли с околоядерным пространством…

Каждая поездка каждый раз дает принципиально новые результаты. Так, в прошлом году я ездил на конференцию в Армению, и в ходе демонстрационных измерений оказалось, что с помощью ССП можно выявлять киаризы, а также подземные тоннели, которые используют разного рода террористы.

В рамках новой парадигмы уже сейчас существует такое количество непонятностей, что можно сказать с уверенностью: работы ученым будет вполне достаточно. Вот только бы им не соскользнуть в наукообразие…

ЛИТЕРАТУРА

  1. Кун Т.С. Структура научных революций. Перевод с английского И. З. Налетова. T.S. Kuhn. The Structure of Scientific Revolutions. Chicago, 1962; M.
  2. Ларин В.Н. Наша Земля (происхождение, состав, строение и развитие изначально гидридной Земли).М. «Агар» 2005, - 248 с., табл., илл.
  3. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний
  4. Гликман А.Г. Физические эффекты, свойства и закономерности в акустике.

1 Непосредственная кровля – это первый слой горных пород от угольного пласта. Тот, что залегает непосредственно над головами шахтеров.


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"

Реклама на сайте: