Так что же такое сейсморазведка?
Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
Санкт-Петербург
Любой исследовательский, в том числе, и геофизический метод может оказаться эффективным только в том случае, если он основан на вполне конкретном физическом эффекте. И наоборот, если основой метода оказывается не физический, то есть, экспериментально наблюдаемый, а чисто умозрительный, мысленно сконструированный эффект, то развитие этого метода неизбежно будет идти в тупиковом направлении.
Иначе говоря, потенциальная способность геофизического метода находится в жесткой зависимости от того, насколько учитываются реальные свойства используемого физического поля.
Так сложилось, 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 в качестве модели сейсморазведки идею звуколокации в твердых средах, Пуассон предполагал, что ударное возбуждение порождает упругий (звуковой) импульс, который должен распространяться во все стороны в горных породах, и при этом отражаться от находящихся в земной толще границ в соответствии с законами геометрической оптики.
В начале ХХ века, то есть лет через 70 после того как Пуассон формализовал свою идею, начались эксперименты по осуществлению сейсморазведочных работ. И вот, начиная с этого момента, и вплоть до наших дней так и не удалось обнаружить ни распространения зондирующего импульса в земной толще, ни, тем более, его отражения, ни даже самого этого импульса.
Вместо ожидавшегося эхо-сигнала, который, как представляется, должен иметь такой же вид и такой же спектр, как и сам зондирующий импульс, сейсмосигнал с самого начала представлял собой длительный, медленно затухающий колебательный процесс неоправданно большой амплитуды. Длительный колебательный процесс наблюдается и в непосредственной близости от точки ударного воздействия, не позволяя увидеть сам зондирующий сигнал. Все это абсолютно не соответствовало математическому1 описанию всех процессов, которые, по представлениям ученых, должны были бы происходить при сейсморазведочных работах.
В обычной ситуации, когда результаты эксперимента не соответствуют первоначальной гипотезе, начинается научный поиск и выяснение причин несоответствия. В данном же случае, не считаясь с этими фактами несоответствия, математики (которые почему-то сами квалифицировали себя как физиков и сейсморазведчиков) объявили во всеуслышание, что получившаяся картина полностью совпадает с великим предвидением великого Пуассона. Более того, чуть ли не в самом начале ХХ века было заявлено, что акустика твердых сред и, главная часть ее, сейсморазведка, как наука, завершила свое развитие, поскольку любая ситуация может быть описана математически.
Это был очень странный шаг. Объявить о завершении познания в какой-либо области - это нонсенс, поскольку познание принципиально бесконечно. А что касается акустики твердых сред, то здесь подобное заявление и вообще должно было бы восприниматься, как минимум, с юмором. Ведь в этой области знания ни тогда, ни сейчас (сто лет спустя) нет ни одного фундаментального положения, которое могло бы быть предъявлено экспериментально. Не может быть доказано ни постоянство скорости распространения упругих волн в однородных средах, ни даже наличие тех или иных типов упругих колебаний...
В акустике твердых сред и по сей день не создан ни один датчик базисных параметров поля упругих колебаний. А это значит, что ни один из аргументов, входящих в уравнения, описывающие поле упругих колебаний, не может быть определен экспериментально. Но ведь математическое уравнение только в том случае становится принадлежностью физики, если его аргументы могут быть определены в эксперименте. И, стало быть, с позиций методологии (а других позиций в науке быть не может), применение математического аппарата для описания поля упругих колебаний, является преждевременным. Все эти моменты, вместе взятые, привели к тому, что ни акустика твердых сред в целом, ни сейсморазведка - не находятся в компетенции метрологических служб.
И тем не менее...
Примерно в то же время, когда было объявлено о завершении развития акустики твердых сред, в 1909-1910 годах, почти одновременно произошло несколько эпохальных в судьбе сейсморазведки событий. Несмотря на отсутствие эхо-сигналов, а также на то, что усилительной техники еще не существовало, был сделан ряд открытий, поставивших сейсморазведку сразу на высоту, недосягаемую никакими другими геофизическими методами. Средствами сейсморазведки были открыты поверхности Мохоровичича, Конрада, Голицына, Гутенберга и ряд других, находящиеся на глубинах от 10 до 800 (!) км. На основании этих открытий пришли к поистине глобальным выводам: о жидком состоянии ядра Земли, о том, что кора под материками толще, чем под морями...
Здесь необходимо отметить, что И.И. Гурвич не считал эти результаты достоверными. Но так или иначе, эти якобы результаты положили начало великой фальсификации результатов сейсморазведочных работ.
Сейсморазведка, начало которой, по мнению Гурвича, относится только к 1923 году, развивалась в следующих двух направлениях.
Происхождение длительного колебательного процесса, который наблюдается при сейсмоработах, было воспринято как результат интерференции между множеством отражений от множества залегающих в земной толще границ. При этом стало как-то очевидным, что сейсмосигнал в виде длительного звона мешает выявлению эхо-сигнала, и этот колебательный процесс стали считать помехой. И первое направление развития сейсморазведки - это борьба с этой помехой. Метод борьбы - совершенствование аппаратуры, а затем, и программ обработки.
Для того, чтобы иметь деньги на совершенствование аппаратуры, необходимо было представить сейсморазведку как эффективный геофизический метод. И поэтому второе направление - это создание системы фальсификаций, направленных на то, чтобы представить сейсморазведку как эффективный геофизический метод. Основной прием, который используется при этом, заключается в том, что сейсморазведка осуществляется только в том случае, когда уже имеется геологическая информация, которая может быть получена с помощью разведочного бурения или (и) с помощью различных геофизических методов, а в отчете скрывается, что эта информация уже была известна при проведении сейсморазведки. Таким образом, сейсморазведке приписывается открытие очень многих месторождений, которые на самом деле были открыты с помощью других средств.
Все силы были брошены в этих двух направлениях, а непосредственно физика формирования и распространения поля упругих колебаний оказалась в стороне от интересов сейсморазведки. И поэтому, наверное, никто не обращал внимание на спектр этого самого паразитного звона, то есть, непосредственно сейсмосигнала. И когда в 1977 году мы осуществили исследование спектра сейсмосигнала, то выяснилось, что он имеет вид затухающей синусоиды, а чаще, нескольких затухающих синусоид. Это очень важный момент, потому что никакая интерференция не 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 этой модели, то физик обязан двигаться вперед с учетом результатов уже сделанных экспериментов. Поэтому исследователь, обнаруживший, что реакция на удар имеет вид затухающей синусоиды, уже не может вести дальнейшую работу иначе как по следующей, вполне определенной логике:
Преобразовать ударный импульс в затухающую синусоиду может только колебательная система. Следовательно, первое, что необходимо было делать после обнаружения подобного рода сейсмосигнала - это искать, какой объект исполняет роль колебательных систем. Эта задача была решена довольно быстро, уже в 1977 году, когда выяснилось, что этим свойством обладают плоскопараллельные объекты почти из всех твердых сред, в том числе, и геологические структуры. То есть было выяснено, что в плоскопараллельной геологической структуре ударный импульс преобразуется в затухающую синусоиду, которая (а не сам импульс) и распространяется вдоль этой структуры.
Если наличие колебательной системы выявлено, то следующее, что нужно было сделать - это найти соответствие между характеристиками геологических структур и их свойств как колебательных систем. Эта задача также была решена в том же 1977 году, и была обнаружена эмпирическая зависимость между толщиной (мощностью) h плоскопараллельной геологической структуры и собственной частотой f0 этой структуры как колебательной системы:
h=k/f0 (1)
Обнаружение этой зависимости положило начало спектральной сейсморазведке /1/, то есть методу, позволяющему определять толщины залегающих в земной толще геологических слоев на основании спектра сейсмосигнала.
Далее, следовало выяснить, во-первых, что представляет собой коэффициент k, имеющий размерность скорости, и почему этот коэффициент имеет на удивление постоянное для всех типов горных пород значение, равное 2500м/с с отклонением от этого значения, не превышающим 10%. Это было очень важным моментом, так как все вопросы, связанные с кинематическими характеристиками поля упругих колебаний, являются ключевыми. Согласно справочникам, нет таких скоростей распространения упругих колебаний, которые имели бы столь одинаковое значение в различных горных породах. Наоборот, как указано в этих самых справочниках, скорость в одной и той же породе может изменяться в несколько раз.
И, кроме того, очень важно было понять, за счет чего происходит преобразование удара в синусоиду. Без понимания физики этого явления развитие теории спектральной сейсморазведки было невозможно. На все эти вопросы удалось ответить примерно в 1982 году, когда уже шло внедрение первого поколения аппаратуры спектральной сейсморазведки. Это была шахтная аппаратура для прогнозирования устойчивости пород кровли "Резонанс". Существенную роль в том, что мы смогли ответить на эти вопросы, сыграл обнаруженный тогда же эффект акустического резонансного поглощения (АРП).
Эффектов резонансного поглощения в физики очень немного - ферромагнитное, парамагнитное, электронное, гамма-поглощение... Теперь к этим, уже известным фундаментальным эффектам можно прибавить и акустическое резонансное поглощение.
Мне хотелось бы напомнить, что физика - это прежде всего, совокупность физических эффектов и явлений, и каждый из них - это как бы кирпичик самого здания физики. Каждый из таких "кирпичиков" имеет ценность для процесса познания независимо от того, насколько он оказался понятым при своем обнаружении. Как известно, многие из известных физических эффектов на сегодняшний день воспринимаются на чисто феноменологическом (констатационном) уровне. Что, впрочем, не мешает их использовать. Резонансные поглощения занимают особое место среди физических эффектов, поскольку с их помощью как раз и происходит понимание других эффектов и явлений.
Одним из результатов того, что был обнаружен эффект АРП, было то, что удалось выяснить смысл коэффициента k в формуле (1), который, как оказалось, есть не что иное, как скорость поперечных волн Vсдв. И таким образом, возник наконец-то метрологически корректный способ определения скорости Vсдв. И формула (1) приобрела вид:
h=Vсдв/f0 (1’)
При этом оказалось, что поперечные волны - это совсем не то, что имел в виду Пуассон. Поперечный (сдвиговый) процесс - это мнимая (реактивная) часть поля упругих колебаний. И сразу стали понятными некоторые наблюдаемые при сейсмоработах эффекты. В частности, чрезвычайно низкое затухание упругих волн при распространении их вдоль геологических структур. Здесь получается замечательная аналогия с электромагнитным полем...
Электромагнитное поле 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 поля совершенно незначительно. Известно, например, что с помощью одноваттного передатчика радиолюбители связываются на предельных расстояниях, вплоть до противоположных точек Земли. Точно так же происходит и при распространении поля упругих колебаний. Сейсмосигнал (а он всегда имеет вид затухающего гармонического процесса) формируется мнимой (поперечной) составляющей поля, и затухание его весьма незначительно. То есть все сейсмосигналы, принимаемые различными сейсмоприемниками при сейсмоработах, сформированы поперечными волнами.
Но, в конце концов, ведь получают же при сейсмоработах сигналы, которые вполне могут оказаться эхо-сигналами, пусть спектрально и неидентичными зондирующему импульсу. И если эти эхо-сигналы приходят через какие-то там секунды, значит, они являются отражением от каких-то глубоко залегающих границ. Вот эта логика и заставляет сейсморазведчиков искать, от каких именно находящихся на больших глубинах отражающих поверхностей отразился зондирующий сигнал. Однако на самом деле, это не совсем так.
Еще раз отметим, что при ударном воздействии (при сейсмоработах) распространяется не сам импульс, а возникшие в структуре собственные колебания. Они действительно распространяются по законам геометрической оптики, но только в пределах этих геологических структур. И когда при проведении сейсморазведочных работ делается заключение о том, что эхо-сигнал получен с какой-то глубины, то на самом деле, это не так. Получаемый сигнал - это эхо-сигнал, но от границы той плоскопараллельной геологической структуры, в которой сформировался данный, конкретный колебательный процесс. Это очень просто проверяется. Если смещение сейсмо-косы в какую-то сторону приводит к изменению момента прихода эхо-сигнала на время, соответствующее этому смещению, то, очевидно, придется прийти к выводу о том, что эхо-сигнал приходит не из глубины, а сбоку. Но если эхо-сигнал приходит не снизу, а сбоку, то становится понятным, почему сейсморазрез никогда не соответствует реальному геологическому разрезу.
Далее, еще одна проблема. Сейчас сейсморазведчики возлагают большие надежды на применение методик, сориентированных на использование трехкомпонентных сейсмоприемников. Даже если абстрагироваться от того, что на сегодняшний день не существует технических средств для аттестации этих приемников, то все равно, надежды эти безосновательны. Дело в том, что при распространении собственных упругих колебаний вдоль соответствующей структуры ориентировка направления смещения колеблющихся частиц носит случайный характер, и поэтому даже если бы многокомпонентные сейсмоприемники действительно существовали (а метрологи утверждают, что на сегодняшний день это невозможно), применение их все равно не имеет смысла. И в этом смысле, то, что начали применять трехкомпонентные сейсмоприемники, по-прежнему не подлежащие метрологической поверке, но стоимость которых достигла $3000 за штуку - не признак ли это большой растерянности?
Согласно известным фундаментальным положениям методологии развития научного познания, исследовательский метод, основанный на новом физическом эффекте, обязательно становится источником принципиально новой информации. Именно так и произошло с методом спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). Видимо, поскольку в основе метода ССП оказался не один, а несколько новых физических эффектов и явлений, он оказался источником большого количества принципиально новой информации.
Границы, выявляемые методом ССП, представляют собой поверхности, по которым возможно проскальзывание соседствующих пород, а также микротрещины и зоны повышенной микротрещиноватости. Подобного рода границы и объекты раньше не выявлялись никакими другими исследовательскими методами, и, как результат, была получена принципиально новая геологическая информация. С помощью метода ССП оказалось возможным выявлять зоны тектонических нарушений.
Необходимо отметить, что тектонические нарушения, описания которых присутствуют во всех геологических и геофизических учебниках, на самом деле, раньше выявлять было просто нечем. В результате, чисто умозрительно выведенные свойства зон тектонических нарушений оказались совершенно не такими, как это оказалось в реальности. Так, согласно устоявшемуся мнению, при мощности осадочного чехла, превышающей какие-то там сотни метров, тектонические разрывные нарушения в кристаллических породах никак не влияют на инженерные сооружения. Однако оказалось, что это не так. Влияние на инженерные сооружения со стороны тектонических нарушений с увеличением мощности осадочного чехла не уменьшается.
Свойства горных пород в зонах тектонических нарушений оказались настолько неожиданными, и влияние их настолько огромно на многие стороны нашего бытия, что со временем безусловно будут пересмотрены самые основы горной и строительной наук, геоэкологии и гидрогеологии. Дело в том, что, как оказалось, горные породы в зонах тектонических нарушений, строго говоря, не являются твердыми средами. Это, как бы, твердые жидкости. Будучи в состоянии повышенной микронарушенности на всю мощность осадочного чехла, осадочные породы в зонах тектонических нарушений 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 тектонических нарушений пульсации с амплитудой до 10 см. С учетом этого эффекта становится понятно, почему, скажем, те же трубы не просто провисают в зонах тектонических нарушений, а рвутся. Естественно, так и будет, если они постоянно пульсируют и работают, стало быть, на усталость.
Несущая способность грунта в зонах тектонических нарушений не просто имеет пониженное значение, но значение это уменьшается после начала строительных работ. В результате, сооружение, возведенное в условиях прочного грунта, со временем начинает разрушаться за счет того, что часть его фундамента начинает ускоренно уходить в грунт.
Повышенная проницаемость пород в зонах тектонических нарушений, с одной стороны, имеет своим следствием то, что при бурении там может быть получена вода. С другой же стороны, эти зоны характеризуются повышенным выходом глубинных газов, что формирует геопатогенные зоны. Как показывает статистика, проживание в геопатогенных зонах существенно увеличивает вероятность тяжелых заболеваний и уменьшает длительность жизни. И, наконец, если в зоне тектонического нарушения оказывается какое-либо захоронение токсичных веществ, неизбежна потеря герметичности этих хранилищ и проникновение этих веществ на большие глубины и расстояния.
Разрывные тектонические нарушения в планетарном масштабе являются аналогами наших кровеносных систем. Они являются как бы каналами, по которым распространяются жидкие и газообразные вещества по всей планете. А осадочные породы над нарушениями соединяют (за счет повышенной проницаемости осадочных пород) тектонические нарушения с дневной поверхностью. Известны случаи, когда захороненное вещество проявляется на очень больших расстояниях от хранилища. Теперь физика этого явления стала понятной.
Кроме того, зоны тектонических нарушений характеризуются повышенными значениями добротности сейсмосигнала. То есть сейсмосигнал может иметь вид очень долго незатухающей синусоиды. Это приводит к тому, что при наличии вибрационного воздействия в этих зонах могут возникать резонансные явления, и как следствие, так называемые горные удары или техногенные землетрясения. Известны случаи внезапных разрушений насосных станций, железнодорожных путей, кузнечных цехов, электростанций, ТЭЦ... Все эти разрушения сопровождаются тем, что разрушающиеся сооружения быстро, толчкообразно уходят в грунт. Один из таких случаев - Чернобыльская АЭС. В момент разрушения 4-го блока ЧАЭС сейсмологами были зарегистрированы два 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.
Основы спектральной сейсморазведки возникли примерно четверть века назад, и к настоящему времени этот вид геофизики достиг уровня самостоятельного и надежного метода для получения важнейшей геологической и инженерно-геологической информации. Более того, информация, получаемая с помощью этого метода оказалась ключевой для прогнозирования техногенных катастроф, что очень своевременно, учитывая растущую их вероятность и состояние экологии.
Список литературы
Гликман А.Г. "Физика и практика спектральной сейсморазведки"