Гликман А.Г.
НТФ «ГЕОФИЗПРОГНОЗ»
Санкт-Петербург
Любойисследовательский, в том числе, и геофизический метод может оказатьсяэффективным только в том случае, если он основан на вполне конкретномфизическом эффекте. И наоборот, если основой метода оказывается не физический,то есть, экспериментально наблюдаемый, а чисто умозрительный, мысленносконструированный эффект, то развитие этого метода неизбежно будет идти в тупиковомнаправлении.
Иначеговоря, потенциальная способность геофизического метода находится в жесткойзависимости от того, насколько учитываются реальные свойства используемогофизического поля.
Таксложилось, что самый представительный в геофизике метод — сейсморазведка — создавался без учета реальных свойств поля упругих колебаний в твердых средах,и в основе его оказался как раз такой вот, несуществующий эффект. Предложив вкачестве модели сейсморазведки идею звуколокации в твердых средах, Пуассон предполагал,что ударное возбуждение порождает упругий (звуковой) импульс, который долженраспространяться во все стороны в горных породах, и при этом отражаться отнаходящихся в земной толще границ в соответствии с законами геометрическойоптики.
Вначале ХХ века, то есть лет через 70 после того как Пуассон формализовал своюидею, начались эксперименты по осуществлению сейсморазведочных работ. И вот,начиная с этого момента, и вплоть до наших дней так и не удалось обнаружить нираспространения зондирующего импульса в земной толще, ни, тем более, егоотражения, ни даже самого этого импульса.
Вместоожидавшегося эхо-сигнала, который, как представляется, должен иметь такой жевид и такой же спектр, как и сам зондирующий импульс, сейсмосигнал с самогоначала представлял собой длительный, медленно затухающий колебательный процесснеоправданно большой амплитуды. Длительный колебательный процесс наблюдается ив непосредственной близости от точки ударного воздействия, не позволяя увидетьсам зондирующий сигнал. Все это абсолютно не соответствовало математическому1описанию всех процессов, которые, по представлениям ученых, должны были быпроисходить при сейсморазведочных работах.
Вобычной ситуации, когда результаты эксперимента не соответствуют первоначальнойгипотезе, начинается научный поиск и выяснение причин несоответствия. В данномже случае, не считаясь с этими фактами несоответствия, математики (которыепочему-то сами квалифицировали себя как физиков и сейсморазведчиков) объявиливо всеуслышание, что получившаяся картина полностью совпадает с великимпредвидением великого Пуассона. Более того, чуть ли не в самом начале ХХ векабыло заявлено, что акустика твердых сред и, главная часть ее, сейсморазведка,как наука, завершила свое развитие, поскольку любая ситуация может быть описанаматематически.
Этобыл очень странный шаг. Объявить о завершении познания в какой-либо области — это нонсенс, поскольку познание принципиально бесконечно. А что касаетсяакустики твердых сред, то здесь подобное заявление и вообще должно было бывосприниматься, как минимум, с юмором. Ведь в этой области знания ни тогда, нисейчас (сто лет спустя) нет ни одного фундаментального положения, которое моглобы быть предъявлено экспериментально. Не может быть доказано ни постоянствоскорости распространения упругих волн в однородных средах, ни даже наличие техили иных типов упругих колебаний…
Вакустике твердых сред и по сей день не создан ни один датчик базисныхпараметров поля упругих колебаний. А это значит, что ни один из аргументов, входящихв уравнения, описывающие поле упругих колебаний, не может быть определенэкспериментально. Но ведь математическое уравнение только в том случаестановится принадлежностью физики, если его аргументы могут быть определены вэксперименте. И, стало быть, с позиций методологии (а других позиций в наукебыть не может), применение математического аппарата для описания поля упругихколебаний, является преждевременным. Все эти моменты, вместе взятые, привели ктому, что ни акустика твердых сред в целом, ни сейсморазведка — не находятся вкомпетенции метрологических служб.
Итем не менее…
Примернов то же время, когда было объявлено о завершении развития акустики твердыхсред, в 1909-1910 годах, почти одновременно произошло несколько эпохальных всудьбе сейсморазведки событий. Несмотря на отсутствие эхо-сигналов, а также нато, что усилительной техники еще не существовало, был сделан ряд открытий,поставивших сейсморазведку сразу на высоту, недосягаемую никакими другимигеофизическими методами. Средствами сейсморазведки были открыты поверхностиМохоровичича, Конрада, Голицына, Гутенберга и ряд других, находящиеся наглубинах от 10 до 800 (!) км. На основании этих открытий пришли к поистинеглобальным выводам: о жидком состоянии ядра Земли, о том, что кора подматериками толще, чем под морями…
Здесьнеобходимо отметить, что И.И. Гурвич не считал эти результаты достоверными. Нотак или иначе, эти якобы результаты положили начало великой фальсификациирезультатов сейсморазведочных работ.
Сейсморазведка,начало которой, по мнению Гурвича, относится только к 1923 году, развивалась вследующих двух направлениях.
Происхождениедлительного колебательного процесса, который наблюдается при сейсмоработах,было воспринято как результат интерференции между множеством отражений отмножества залегающих в земной толще границ. При этом стало как-то очевидным,что сейсмосигнал в виде длительного звона мешает выявлению эхо-сигнала, и этотколебательный процесс стали считать помехой. И первое направление развитиясейсморазведки — это борьба с этой помехой. Метод борьбы — совершенствованиеаппаратуры, а затем, и программ обработки.
Длятого, чтобы иметь деньги на совершенствование аппаратуры, необходимо былопредставить сейсморазведку как эффективный геофизический метод. И поэтомувторое направление — это создание системы фальсификаций, направленных на то,чтобы представить сейсморазведку как эффективный геофизический метод. Основнойприем, который используется при этом, заключается в том, что сейсморазведкаосуществляется только в том случае, когда уже имеется геологическая информация,которая может быть получена с помощью разведочного бурения или (и) с помощьюразличных геофизических методов, а в отчете скрывается, что эта информация ужебыла известна при проведении сейсморазведки. Таким образом, сейсморазведкеприписывается открытие очень многих месторождений, которые на самом деле былиоткрыты с помощью других средств.
Всесилы были брошены в этих двух направлениях, а непосредственно физикаформирования и распространения поля упругих колебаний оказалась в стороне отинтересов сейсморазведки. И поэтому, наверное, никто не обращал внимание наспектр этого самого паразитного звона, то есть, непосредственно сейсмосигнала.И когда в 1977 году мы осуществили исследование спектра сейсмосигнала, товыяснилось, что он имеет вид затухающей синусоиды, а чаще, несколькихзатухающих синусоид. Это очень важный момент, потому что никакая интерференцияне может привести к возникновению такого сигнала.
Физики,в отличие от математиков, не вольны в своих действиях. Если математик,описывающий мысленную модель, может принимать любые гипотезы относительно этоймодели, то физик обязан двигаться вперед с учетом результатов уже сделанныхэкспериментов. Поэтому исследователь, обнаруживший, что реакция на удар имеетвид затухающей синусоиды, уже не может вести дальнейшую работу иначе как последующей, вполне определенной логике:
Преобразоватьударный импульс в затухающую синусоиду может только колебательная система.Следовательно, первое, что необходимо было делать после обнаружения подобногорода сейсмосигнала — это искать, какой объект исполняет роль колебательныхсистем. Эта задача была решена довольно быстро, уже в 1977 году, когдавыяснилось, что этим свойством обладают плоскопараллельные объекты почти извсех твердых сред, в том числе, и геологические структуры. То есть быловыяснено, что в плоскопараллельной геологической структуре ударный импульспреобразуется в затухающую синусоиду, которая (а не сам импульс) ираспространяется вдоль этой структуры.
Еслиналичие колебательной системы выявлено, то следующее, что нужно было сделать — это найти соответствие между характеристиками геологических структур и ихсвойств как колебательных систем. Эта задача также была решена в том же 1977году, и была обнаружена эмпирическая зависимость между толщиной (мощностью) hплоскопараллельной геологической структуры и собственной частотой f0этой структуры как колебательной системы:
h=k/f0(1)
Обнаружениеэтой зависимости положило начало спектральной сейсморазведке /1/, то естьметоду, позволяющему определять толщины залегающих в земной толще геологическихслоев на основании спектра сейсмосигнала.
Далее,следовало выяснить, во-первых, что представляет собой коэффициент k, имеющийразмерность скорости, и почему этот коэффициент имеет на удивление постоянноедля всех типов горных пород значение, равное 2500м/с с отклонением от этогозначения, не превышающим 10%. Это было очень важным моментом, так как всевопросы, связанные с кинематическими характеристиками поля упругих колебаний,являются ключевыми. Согласно справочникам, нет таких скоростей распространенияупругих колебаний, которые имели бы столь одинаковое значение в различныхгорных породах. Наоборот, как указано в этих самых справочниках, скорость водной и той же породе может изменяться в несколько раз.
И,кроме того, очень важно было понять, за счет чего происходит преобразованиеудара в синусоиду. Без понимания физики этого явления развитие теорииспектральной сейсморазведки было невозможно. На все эти вопросы удалосьответить примерно в 1982 году, когда уже шло внедрение первого поколенияаппаратуры спектральной сейсморазведки. Это была шахтная аппаратура дляпрогнозирования устойчивости пород кровли «Резонанс». Существеннуюроль в том, что мы смогли ответить на эти вопросы, сыграл обнаруженный тогда жеэффект акустического резонансного поглощения (АРП).
Эффектоврезонансного поглощения в физики очень немного — ферромагнитное, парамагнитное,электронное, гамма-поглощение… Теперь к этим, уже известным фундаментальнымэффектам можно прибавить и акустическое резонансное поглощение.
Мнехотелось бы напомнить, что физика — это прежде всего, совокупность физическихэффектов и явлений, и каждый из них — это как бы кирпичик самого здания физики.Каждый из таких «кирпичиков» имеет ценность для процесса познаниянезависимо от того, насколько он оказался понятым при своем обнаружении. Какизвестно, многие из известных физических эффектов на сегодняшний деньвоспринимаются на чисто феноменологическом (констатационном) уровне. Что,впрочем, не мешает их использовать. Резонансные поглощения занимают особоеместо среди физических эффектов, поскольку с их помощью как раз и происходитпонимание других эффектов и явлений.
Однимиз результатов того, что был обнаружен эффект АРП, было то, что удалосьвыяснить смысл коэффициента k в формуле (1), который, как оказалось, есть нечто иное, как скорость поперечных волн Vсдв. И таким образом, возникнаконец-то метрологически корректный способ определения скорости Vсдв.И формула (1) приобрела вид:
h=Vсдв/f0(1’)
Приэтом оказалось, что поперечные волны — это совсем не то, что имел в видуПуассон. Поперечный (сдвиговый) процесс — это мнимая (реактивная) часть поляупругих колебаний. И сразу стали понятными некоторые наблюдаемые присейсмоработах эффекты. В частности, чрезвычайно низкое затухание упругих волнпри распространении их вдоль геологических структур. Здесь получаетсязамечательная аналогия с электромагнитным полем…
Электромагнитноеполе характеризуется реальной (активной) и мнимой (реактивной) составляющими.Реальная часть отвечает за активные потери — нагрев, механическая работа.Мнимая же отвечает за распространение поля. Затухание этой (мнимой) части полясовершенно незначительно. Известно, например, что с помощью одноваттногопередатчика радиолюбители связываются на предельных расстояниях, вплоть допротивоположных точек Земли. Точно так же происходит и при распространении поляупругих колебаний. Сейсмосигнал (а он всегда имеет вид затухающегогармонического процесса) формируется мнимой (поперечной) составляющей поля, изатухание его весьма незначительно. То есть все сейсмосигналы, принимаемыеразличными сейсмоприемниками при сейсмоработах, сформированы поперечнымиволнами.
Но,в конце концов, ведь получают же при сейсмоработах сигналы, которые вполнемогут оказаться эхо-сигналами, пусть спектрально и неидентичными зондирующемуимпульсу. И если эти эхо-сигналы приходят через какие-то там секунды, значит,они являются отражением от каких-то глубоко залегающих границ. Вот эта логика изаставляет сейсморазведчиков искать, от каких именно находящихся на большихглубинах отражающих поверхностей отразился зондирующий сигнал. Однако на самомделе, это не совсем так.
Ещераз отметим, что при ударном воздействии (при сейсмоработах) распространяетсяне сам импульс, а возникшие в структуре собственные колебания. Онидействительно распространяются по законам геометрической оптики, но только впределах этих геологических структур. И когда при проведении сейсморазведочныхработ делается заключение о том, что эхо-сигнал получен с какой-то глубины, тона самом деле, это не так. Получаемый сигнал — это эхо-сигнал, но от границытой плоскопараллельной геологической структуры, в которой сформировался данный,конкретный колебательный процесс. Это очень просто проверяется. Если смещениесейсмо-косы в какую-то сторону приводит к изменению момента прихода эхо-сигналана время, соответствующее этому смещению, то, очевидно, придется прийти квыводу о том, что эхо-сигнал приходит не из глубины, а сбоку. Но еслиэхо-сигнал приходит не снизу, а сбоку, то становится понятным, почемусейсморазрез никогда не соответствует реальному геологическому разрезу.
Далее,еще одна проблема. Сейчас сейсморазведчики возлагают большие надежды наприменение методик, сориентированных на использование трехкомпонентныхсейсмоприемников. Даже если абстрагироваться от того, что на сегодняшний деньне существует технических средств для аттестации этих приемников, то все равно,надежды эти безосновательны. Дело в том, что при распространении собственныхупругих колебаний вдоль соответствующей структуры ориентировка направлениясмещения колеблющихся частиц носит случайный характер, и поэтому даже если бымногокомпонентные сейсмоприемники действительно существовали (а метрологиутверждают, что на сегодняшний день это невозможно), применение их все равно неимеет смысла. И в этом смысле, то, что начали применять трехкомпонентныесейсмоприемники, по-прежнему не подлежащие метрологической поверке, ностоимость которых достигла $3000 за штуку — не признак ли это большойрастерянности?
Согласноизвестным фундаментальным положениям методологии развития научного познания,исследовательский метод, основанный на новом физическом эффекте, обязательностановится источником принципиально новой информации. Именно так и произошло сметодом спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). Видимо, посколькув основе метода ССП оказался не один, а несколько новых физических эффектов иявлений, он оказался источником большого количества принципиально новойинформации.
Границы,выявляемые методом ССП, представляют собой поверхности, по которым возможнопроскальзывание соседствующих пород, а также микротрещины и зоны повышенноймикротрещиноватости. Подобного рода границы и объекты раньше не выявлялисьникакими другими исследовательскими методами, и, как результат, была полученапринципиально новая геологическая информация. С помощью метода ССП оказалосьвозможным выявлять зоны тектонических нарушений.
Необходимоотметить, что тектонические нарушения, описания которых присутствуют во всехгеологических и геофизических учебниках, на самом деле, раньше выявлять былопросто нечем. В результате, чисто умозрительно выведенные свойства зонтектонических нарушений оказались совершенно не такими, как это оказалось вреальности. Так, согласно устоявшемуся мнению, при мощности осадочного чехла,превышающей какие-то там сотни метров, тектонические разрывные нарушения вкристаллических породах никак не влияют на инженерные сооружения. Однакооказалось, что это не так. Влияние на инженерные сооружения со сторонытектонических нарушений с увеличением мощности осадочного чехла не уменьшается.
Свойствагорных пород в зонах тектонических нарушений оказались настолько неожиданными,и влияние их настолько огромно на многие стороны нашего бытия, что со временембезусловно будут пересмотрены самые основы горной и строительной наук,геоэкологии и гидрогеологии. Дело в том, что, как оказалось, горные породы взонах тектонических нарушений, строго говоря, не являются твердыми средами.Это, как бы, твердые жидкости. Будучи в состоянии повышенной микронарушенностина всю мощность осадочного чехла, осадочные породы в зонах тектоническихнарушений обладают пониженной несущей способностью и повышенной проницаемостью.Эти свойства были дополнены учеными Института горного дела УрАН РФ(Екатеринбург, проф. Сашурин А.Д.), обнаружившими наличие в зонах тектоническихнарушений пульсации с амплитудой до 10 см. С учетом этого эффекта становитсяпонятно, почему, скажем, те же трубы не просто провисают в зонах тектоническихнарушений, а рвутся. Естественно, так и будет, если они постоянно пульсируют иработают, стало быть, на усталость.
Несущаяспособность грунта в зонах тектонических нарушений не просто имеет пониженноезначение, но значение это уменьшается после начала строительных работ. Врезультате, сооружение, возведенное в условиях прочного грунта, со временемначинает разрушаться за счет того, что часть его фундамента начинает ускоренноуходить в грунт.
Повышеннаяпроницаемость пород в зонах тектонических нарушений, с одной стороны, имеетсвоим следствием то, что при бурении там может быть получена вода. С другой жестороны, эти зоны характеризуются повышенным выходом глубинных газов, чтоформирует геопатогенные зоны. Как показывает статистика, проживание вгеопатогенных зонах существенно увеличивает вероятность тяжелых заболеваний иуменьшает длительность жизни. И, наконец, если в зоне тектонического нарушенияоказывается какое-либо захоронение токсичных веществ, неизбежна потеря герметичностиэтих хранилищ и проникновение этих веществ на большие глубины и расстояния.
Разрывныетектонические нарушения в планетарном масштабе являются аналогами нашихкровеносных систем. Они являются как бы каналами, по которым распространяютсяжидкие и газообразные вещества по всей планете. А осадочные породы наднарушениями соединяют (за счет повышенной проницаемости осадочных пород)тектонические нарушения с дневной поверхностью. Известны случаи, когдазахороненное вещество проявляется на очень больших расстояниях от хранилища.Теперь физика этого явления стала понятной.
Крометого, зоны тектонических нарушений характеризуются повышенными значениямидобротности сейсмосигнала. То есть сейсмосигнал может иметь вид очень долгонезатухающей синусоиды. Это приводит к тому, что при наличии вибрационноговоздействия в этих зонах могут возникать резонансные явления, и как следствие,так называемые горные удары или техногенные землетрясения. Известны случаивнезапных разрушений насосных станций, железнодорожных путей, кузнечных цехов,электростанций, ТЭЦ… Все эти разрушения сопровождаются тем, что разрушающиесясооружения быстро, толчкообразно уходят в грунт. Один из таких случаев — Чернобыльская АЭС. В момент разрушения 4-го блока ЧАЭС сейсмологами были зарегистрированыдва толчка, о происхождении которых споры продолжаются до сих пор.Дополнительным подтверждением того, что 4-й блок ЧАЭС оказался в зоне разлома,является то, что саркофаг, возведенный над ним, неуклонно уходит в грунт.
Основыспектральной сейсморазведки возникли примерно четверть века назад, и кнастоящему времени этот вид геофизики достиг уровня самостоятельного инадежного метода для получения важнейшей геологической иинженерно-геологической информации. Более того, информация, получаемая спомощью этого метода оказалась ключевой для прогнозирования техногенныхкатастроф, что очень своевременно, учитывая растущую их вероятность и состояниеэкологии.
Список литературы
ГликманА.Г. «Физика и практика спектральной сейсморазведки»