Запретная сейсморазведка

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
20 мая 2019, Санкт-Петербург

В 1973-м году, будучи по образованию радиоинженером, я начал читать курс шахтной геофизики студентам 5-го курса Ленинградского Горного института (ЛГИ). Геофизических методов существует довольно много, но в шахтах применяется практически только сейсморазведка. Библиотека в ЛГИ была выше всяких похвал, так что особых затруднений я не ожидал. А кроме того, сейсморазведка по своей логике не самая сложная часть геофизики. Смысл ее сводится к тому, что в результате ударного (или взрывного) воздействия на земную поверхность в земной толще возникает импульс поля упругих колебаний (акустическое поле), который распространяется вглубь Земли, и при этом частично отражается от залегающих там геологических объектов, а частично проходит сквозь эти объекты. Непременной частью сейсмоаппаратуры являются сейсмоприемники, которые позволяют регистрировать эхо-сигналы, а анализ этих сигналов позволяет получить информацию о залегающих в земной толще геологических объектах. Вот и вся наука.

На мое счастье, я уже тогда начал интересоваться разделом философии, называемым методологией развития научного познания. Как нам всем тогда было известно, что философия бывает только марксистско-ленинской, и проку от нее, простите, не скажу сколько. Но вот, так сложилось, что на кафедре философии я получил тему реферата, которая заставила меня заняться методологией развития научного познания. И тогда я узнал, что в этой области знания находится информация, не зная которую заниматься какой-либо наукой в принципе невозможно [1].

Первым делом, я узнал, что физика (а стало быть, и геофизика) - это совокупность физических эффектов. И что в основе любой области знания должен быть некий физический эффект, который должен быть изучаем, причем именно экспериментально. Экспериментальной части, эмпирике должно уделяться особое внимание. Это для меня было сюрпризом, так как основой сейсморазведки является математика.

И мой курс обязательно должен был быть оснащен лабораторными работами, с помощью которых студенты воочию познакомятся с теми физическими эффектами, которые лежат в основе сейсморазведки. Поскольку таковых работ у меня не было, то нужно было ими как-то обзавестись. Впрочем, изобретать велосипед - не самое разумное занятие. И я пошел на кафедру геофизики с  тем, чтобы посмотреть, как у них решается этот вопрос. Однако у них тоже не было никаких лабораторных работ по сейсморазведке. А заведующий этой кафедрой, незабвенный Игорь Васильевич Литвиненко доходчиво мне объяснил, что экспериментально доказывать очевидные вещи нерационально. На мое возражение (взятое, естественно у методологов), что очевидность, не доказанная экспериментально - это путь в тупик, он очень рассердился и даже обиделся. О каком тупике можно говорить, если сейсморазведка - это самый эффективный, самый используемый геофизический метод!?

Здесь возразить нечего. Сейсморазведка - незаменимый метод при поиске нефти, газа и других полезных ископаемых. А также при решении сейсмологических задач. Об этом можно узнать в СМИ, в интернете...

Тем не менее, для меня методология уже была непререкаемым авторитетом, и я потихонечку стал самостоятельно сооружать лабораторные установки, чтобы студенты могли руками потрогать то, на чем основана сейсморазведка. Двигаясь от простого к сложному, я решил первым делом показать студентам, что скорость распространения поля упругих колебаний в однородных монолитных средах действительно постоянна и одинакова во всех направлениях, на чем стоит сейсморазведка.

Эта лабораторная работа казалась очень простой. Известно, что скорость померить нельзя. Ее можно только вычислить. Измерению подлежит расстояние X, на которое распространяется поле, и время t, в течение которого поле преодолеет это расстояние. А скорость распространения этого поля - это отношение X/t. В качестве объекта, в котором распространяется поле упругих колебаний, я взял стеклянный лист толщиной H=2см и поперечными размерами метр на метр. Более однородного материала, чем стекло, я полагаю, не бывает, так что эти измерения казались простой формальностью. Излучателем (И) и приемником (П) служили одинаковые пьезокерамические преобразователи. Один из них работал в режиме излучателя, а другой - в режиме приемника.

Схема измерений показана на рис.1.

Рис. 1

В этом моем курсе это была первая лабораторная работа, и мне было важно не то, какое значение будет иметь скорость, а то, что студенты сами ее померяют. А то, что Vx будет равна Vy - сомнений не было. По крайней мере, у создателей теории акустики их точно нет.

Слава Богу, что измерения всё-таки сначала я проделал без студентов, потому что, как оказалось, скорость Vx была равна примерно 6000м/с, а Vy - примерно в два раза меньше, то есть, около 3000м/с.

Я обратился к классикам сейсморазведки. Ведь не может же быть, чтобы столь простые измерения никто никогда не делал. Один из классиков задал мне встречный вопрос. Если считать, что результат моих измерений правильный, то это выбивает опору из-под сейсморазведки. Разве можно это допустить? Таким образом, я узнал, что далеко не все эксперименты в физике так уж безобидны. И некоторые из них не должны быть известными широкой аудитории. Сейсморазведка кормит огромное количество народу, и уже хотя бы поэтому нельзя распространять компрометирующие ее факты.

Но сомнение в эффективности сейсморазведки у меня всё же возникло. Не будет самостоятельный, эффективный исследовательский метод бояться за свою репутацию... И в 1976-м году я получил информацию, подтвердившую возникшее у меня сомнение о действенности сейсморазведки. А, кроме того, неудача с этой лабораторной работой заставила меня совсем иначе взглянуть на состояние физики поля упругих колебаний. Понимание же физики этого феномена начало приходить ко мне только лет через 20.

После первой неудачи с лабораторной работой я решил поставить работу по определению затухания поля при удалении сейсмоприемника от точки возбуждения. На рис.2 показана схема этой установки.  Здесь-то уж точно не должно быть никаких неожиданностей. То, что при удалении от источника поля упругих колебаний амплитуда сигнала уменьшается, думаю, сомнений нет ни у кого.

Рис. 2

В качестве исследуемого объекта использовался тот же самый лист стекла. Ведь всем известно, что при излучении поля упругих колебаний амплитуда при удалении от источника будет уменьшаться. Источник поля и - импульс, возникающий при падении на стекло стального шарика от шарикоподшипника. Шарик крепится с помощью электромагнита к тележке Т, которая может перемещаться влево-вправо, чтобы иметь возможность изменять расстояние L между точкой контакта со стеклом приемника п и точкой падения шарика-излучателя и.

На рис.3 приведены два графика. График (а - это очевидная, всем известная в силу этой очевидности зависимость амплитуды сигнала от расстояния между излучателем и приемником.

Рис. 3

Однако то, что получилось, описывается графиком (b.

То, что обнаружилось при проведении этой лабораторной работы, обсуждать очень трудно. Во-первых, при значениях l, близких к h (h-толщина стеклянной модели), имеет место экстремум на зависимости I(l). То есть, в некоторой зоне получается увеличение сигнала при удалении от источника. Одного этого уже достаточно, чтобы потерять сон. При дальнейшем увеличении l затухание поля очень замедляется, что тоже необъяснимо.

Несмотря на то, что лабораторная работа, по сути, не получилась, я всё же решил показать ее студентам. В конце концов, как иллюстрацию бесконечности познания. Их реакция превзошла все ожидания.

Студенты приходили после занятий, приводили друзей, показывали друг другу такой вот необъяснимый эффект. После этого я стал показывать студентам все мои попытки поставить какую бы то ни было лабораторную работу, которая могла бы подтвердить идею сейсморазведки. Таких работ не было ни одной. Но я был уверен, что когда-нибудь я с этими загадками разберусь.

Понять, почему возникают такие зависимости, я смог сравнительно недавно.

Читать курс геофизики, не подчиняющийся методологии, было очень трудно. Я даже хотел отказаться от него. Но, слава Богу, не успел.

Итак, летом 1976-го года меня отправили в Тюмень. Там внезапно провалилась в землю насосная станция. Предполагалось, что это произошло из-за того, что сваи, на которых стояла станция, имели длину, меньшую, чем следовало. Моя задача состояла в том, чтобы найти метод, позволяющий померить длину свай.

Попал я в Тюмень в период подготовки города к празднику - дню книги (если мне память не изменяет, этот праздник отмечался в какой-то день апреля). Эта подготовка длится неделю. Вот в эту неделю и в неделю - после того Тюмень так «гуляет» (обожаю этот термин), что не работает никто. Людей, которые меня вызвали, на работе нет. Так что я устроил себе неделю книги, чем и занимался в гостинице. И вдруг у меня в номере появился мой заказчик. И потащил меня в какой-то ресторан, где люди гуляют.

Когда мы пришли туда, оказалось, что все места заняты. После осмотра посадочных мест, мой гид обнаружил одно свободное место за 4-местным столиком. И пока он меня туда вёл, успел мне шепнуть, что на остальных трех местах сидят геофизики сейсморазведчики, которые открыли первую тюменскую нефть. Вот ведь где игра Случая.

И вот у меня возникла проблема: как у весьма уже «разгулявшихся» геофизиков спросить про сейсморазведку... И я придумал. Я налил себе полный фужер водки, поднял его и спросил разрешение у своих соседей по столику выпить за их здоровье, за здоровье людей, совершивших такой подвиг уж точно мирового масштаба. Только после этого они обнаружили, что рядом с ними еще кто-то сидит. И очень удивились (один из них, поскольку остальные двое уже ни на что не могли реагировать), на мою речь. После чего, выяснив, что я из Питера, он сказал, что все питерцы дураки, потому что не знают, что нефть ищут не геофизикой, а бурением.

Я очень удивился: «А зачем же тогда сейсморазведка?» Он долго не мог успокоиться и хохотал до икоты. Дескать, у кого сейсморазведка, у того всё. И жилфонд, и транспорт, деньги, наконец...

Так что, спросил я, вы сейсмику даже не делали?

- Почему же, делали. Там где пошла нефть, сделали сейсмоизмерения и подтянули сейсморазрез к геологическому разрезу, полученному в результате бурения.

Я такого не ожидал. Увидев мое растерянно-недоверчивое выражение лица, он спросил: «Не веришь? А вот попробуй заказать сейсморазведку, чтобы ее делали без бурения. Ничего не получится».

И точно так и вышло. Мы ездили по геофизическим конференциям, делали вид, что мы спонсоры и пытались заказать сейсмику. И наши, и иностранные сейсмики категорически не желали даже разговаривать. Сначала дайте паспорт скважины, тогда и поговорим - говорили все как один. Значит, всё-таки, сейсморазведка как самостоятельный метод не работает...

Летом 1977 года у меня началась новая жизнь. Я во многих своих статьях уже рассказывал, что в 1977 году я обнаружил новую, ранее неизвестную колебательную систему. Упругую колебательную систему (УКС). Это произошло следующим образом.

Мне было поручено сделать аппаратуру, с помощью которой можно померить затухание поля упругих колебаний в породном слое, залегающем над угольным пластом. Когда уголь извлекают, то непосредственно под этим слоем (который называют непосредственной кровлей) оказываются механизмы, с помощью которых уголь начинает свое путешествие на-гора, а также крепь и шахтеры.

Не редко непосредственная кровля обрушается на шахтеров, и спасения от этого нет. Поэтому нет во всем мире ни одного исследовательского горняцкого коллектива, который не пытался бы найти признаки грядущего обрушения. Вот для этого и нужна была аппаратура, с помощью которой я должен был померить затухание звука в непосредственной кровле. Понятно, что впереди любого эксперимента идет мысль, гипотеза. Гипотеза содержит предполагаемые результаты грядущего измерения.

Исходный тезис: вероятность обрушения пород кровли тем выше, чем больше нарушенность пород. А чем больше нарушенность пород кровли, тем больше должен быть коэффициент затухания поля упругих колебаний. Следовательно, измерение коэффициента затухания пород кровли может вывести на определение нарушенности пород. А стало быть, на вероятность их обрушения.

С другой стороны, измерения затухания поля упругих колебаний должно осуществляться на какой-то частоте. Как выбрать эту частоту? В литературе по сейсморазведке нет никаких рекомендаций о параметрах излучаемого при проведении измерений поля. Единственно что удалось найти, это утверждение, что поле упругих колебаний выше одного килогерца в горных породах не распространяется. Но и это утверждение оказалось не соответствующим действительности. Поэтому для выбора частоты излучения пришлось сделать генератор в шахтном исполнении с изменяющейся частотой, чтобы выбрать оптимальную частоту излучения при проведении исследований.

Однако первый же цикл измерения показал зависимость затухания поля от частоты, подобную показанной на рис.4.

Рис. 4

Такого результата точно никто не мог предугадать. Дело в том, что форма графика, подобная приведенной на рис.4, имеет несколько смыслов. Частотная характеристика подобной формы является спектральным изображением затухающей синусоиды. А это, в свою очередь, означает, что исследуемый объект есть не что иное, как колебательная система. Поясню: объект, имеющий проходную характеристику такой формы, является колебательной системой.

Эта колебательная система является полуволновой, поскольку h  (толщина породного слоя, а вообще, любого слоя-резонатора) и f₀ связаны следующим соотношением:

h = V / 2 f₀ = λ / 2    (1)

V - скорость распространения поля упругих колебаний в данном конкретном упругом материале, определяемая методом регистрации первого вступления при заданной форме образца. Как оказалось, для всех горных пород V=5000м/с с погрешностью, не превышающей ±10%. Заданная форма образца, в котором следует определять скорость - это пластина, имеющая толщину примерно 2см.

Колебательная система или, иначе говоря, резонатор откликается на удар гармоническим (синусоидальным) затухающим сигналом с частотой, определяемой выражением (1). Стало быть, если в результате удара возникнет такой сигнал, то по величине частоты f₀ можно определить толщину h объекта, по которому нанесен удар.

Свойства этой колебательной системы проявляются при взаимодействии с полем упругих колебаний, и поэтому она была названа упругой колебательной системой (УКС).

Традиционная, лучевая сейсморазведка требует аппаратуру осциллографического типа, поскольку источник информации - временные соотношения между моментами прихода эхо-сигналов и моментом нанесения удара. Поскольку, как оказалось, земная толща представляет собой не совокупность отражающих звук геологических объектов, а совокупность колебательных систем, то сейсморазведка при такой модели земной толщи требует спектрального подхода.

Предыдущая колебательная система была открыта за 100 лет до того, как была обнаружена УКС. Она получила название колебательного контура, и была открыта лордом Кельвином. Колебательный контур - это электрическая колебательная система.

По определению лорда Кельвина, колебательная система - это объект, который при ударном на него воздействии реагирует сигналом, имеющим вид затухающей синусоиды. Сигнал, который заставляет колебательный контур проявлять свои колебательные свойства - это электрический импульс.

УКС является как бы логическим продолжением колебательного контура. Если электрическая колебательная система подарила нам радио, телевидение и т.д., то УКС позволяет исследовать земные глубины.

Как утверждают методологи (и я это подтверждаю), в полной мере значение нового физического эффекта (явления, свойства, закона) осознается, как правило, спустя немалое время.

Методологи знают, что принятие нового подхода в науке происходит не сразу. Для того, чтобы новый научный метод вошел в обиход науки, нужно, чтобы сменилось одно-два поколения. Этот промежуток времени оценивается примерно в 50 лет. Это понять не трудно. Люди не могут добровольно отказаться от того, в чем они выросли, на чем они достигли своего положения в обществе. Но почему-то меня особенно впечатлили некоторые примеры из жизни науки, где эти 50 лет выдерживаются особенно тупо.

Пример тому - измерение скорости распространения света. Испокон веков считалось, что понятие скорости распространения светового луча - это силлогизм. Считалось, что понятие скорости неприменимо к свету. Все были убеждены, что свет распространяется мгновенно... Но вот датский астроном Олаф Ремер в 1676 году определил скорость распространения света, что, несмотря на элементарную простоту и логичность измерения было принято только через 52 года, в 1728 году.

Принятие нового подхода в науке - это, если говорить языком методологов, не что иное, как момент смены парадигмы. Вот смена парадигмы и происходит в течение 50 лет. Меня очень интересовало, почему так долго принимают всё принципиально новое. Мне не хотелось это объяснять ревностью ученых, свойствами их  характеров и т.д. И действительно, так и оказалось. Физика этой «неторопливости» заключается в следующем.

Человеческий мозг не может создать ничего совершенно нового. И  воспринимать он может только такую информацию, основа которой уже заложена там (в мозгу). Ведь любое обучение - это создание в мозгу обучающихся людей новых моделей. Когда мы обнаруживаем нечто совершенно новое (новый физический эффект, новое явление, новую закономерность), то оно не имеет своей модели в наших головах. И  знакомство с новым объектом происходит с колоссальным трудом. Как правило, всё принципиально новое воспринимается как результат какой-то ошибки, Как нечто, чего не может быть. И время, в течение которого в нашем мозгу создается модель нового эффекта, может составлять годы. А чаще всего, человек, сделавший открытие, убеждает себя, что этого не может быть, и старается об этом просто забыть. Сколько открытий на моем веку и на моих глазах было просто выброшено по этой причине...

Но если автору открытия так трудно принять то, что он сам обнаружил, то как же трудно другим людям это понять! Вот и получается, что эти 50 лет - это время, в течение которого у современников в мозгу формируется модель этого нового явления.

Но в нашей истории с УКС есть еще дополнительные трудности. Дело в том, что в акустике твердых сред невозможно осуществить никакого метрологически корректного измерения. Ведь измерение - это сравнение с эталоном, а акустика не имеет ни одного своего эталона в палате Мер и Весов. Как говорят в таких случаях метрологи, сейсморазведка не входит в компетенцию метрологической службы.

Вот почему я так много обо всём, что мне удалось открыть, пишу, и даже порой повторяюсь. Я это делаю, чтобы люди начали воспринимать это как привычное. Для этого они должны встречаться с этим многократно. И я наблюдаю, как растет количество людей, для которых моя тематика воспринимается как привычная...

И еще. За прошедшие с момента обнаружения УКС 42 года я не встретил ни одного человека, который бы знал, что такое колебательная система или хотя бы спросил, что это такое. То, что для людей, живших в 50-х годах ХХ века, воспринималось как дважды два, для наших сегодняшних современников является тайной за семью печатями. Так что в моем случае, боюсь, что 50 годами мы не отделаемся.

Методология развития научного познания - это мой поводырь. Ведь ученый, который создает новые знания - это абсолютно одинокий человек. Я четверть века жил среди людей, которые считают себя учеными только потому, что защитили диссертацию. Совершив этот подвиг, они получили право никогда в дальнейшей своей жизни ничего не делать и ничего не знать. И я для них был врагом, потому что делал то, что они не понимали. Я воспринимался как враг даже для тех, с кем раньше был дружен.

Я когда-то рассказывал студентам, что с точки зрения человека, обнаружившего новый эффект, открытие - это то, чего не может быть. В начале, это ведь так и есть. Ну, например, для непредвзятого взгляда, для человека, который не читал моих предыдущих статей, ведь действительно не может быть, чтобы в такой идеальной среде как стекло в приповерхностных зонах уменьшалась скорость распространения поля упругих колебаний [2].

Я помню, что когда я первый раз высказал это явление как предположение, как необходимое условие преобразования ударного воздействия в синусоиду, мои коллеги, мои сотрудники просто испугались за мой рассудок. Сколько же лет прошло прежде, чем я понял, что это не величина скорости изменяется, а направление распространения поля искривляется в приповерхностных зонах. ...

Я очень долго не мог понять, как это породный слой или пьезокерамическая пластина или, в конце концов, стеклянная посуда при ударе реагирует затухающей синусоидой. Будучи радиоинженером, я понимал, что затухающая синусоида - это признак того, что удар (импульсное воздействие) было оказано на колебательную систему. Но где механизм преобразования удара в синусоиду?...

И вот так, шаг за шагом, за какие-то 40 лет набрался целый арсенал экспериментов, показавших ошибочность традиционной сейсморазведки, и давших путевку в жизнь сейсморазведке спектральной.

Более подробно о достоинствах и возможностях спектральной сейсморазведки можно узнать на моем сайте [3], а эта статья со временем будет изучаться методологами, как еще одно подтверждение, еще один пример главенства эксперимента над любыми очевидностями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кун Т.С. Структура научных революций. Перевод с англ. яз. И. З. Налётова. М., 1975.
2. Гликман А.Г. Физические эффекты, свойства и закономерности в акустике
3. www.newgeophys.spb.ru