Так що ж таке сейсморозвідка?

Глікман А.Г.

НТФ "ГЕОФІЗПРОГНОЗ"

Санкт-Петербург

Будь-який дослідний, в тому числі, і геофізичний метод може виявитися ефективним тільки в тому випадку, якщо він заснований на цілком конкретному фізичному ефекті. І навпаки, якщо основою методу виявляється не фізичний, тобто, експериментально спостерігається, а чисто умоглядний, подумки сконструйований ефект, то розвиток цього методу неминуче буде йти в тупиковій напрямі.

Інакше кажучи, потенційна здатність геофізичного методу знаходиться в жорсткій залежно від того, наскільки враховуються реальні властивості використовуваного фізичного поля.

Так склалося, що найбільш представницький в геофізиці метод - сейсморозвідка -- створювався без урахування реальних властивостей поля пружних коливань у твердих середовищах, і в основі його виявився якраз такий собі, неіснуючий ефект. Запропонувавши в як модель сейсморозвідки ідею звуколокаціі у твердих середовищах, Пуассон припускав, що ударний порушення породжує пружний (звуковий) імпульс, який повинен поширюватися на всі боки в гірських породах, і при цьому відбиватися від що знаходяться в земній товщі кордонів відповідно до законів геометричної оптики.

В початку ХХ століття, тобто років через 70 після того як Пуассон формалізував свою ідею, почалися експерименти по здійсненню сейсморозвідувальних робіт. І ось, починаючи з цього моменту, і аж до наших днів так і не вдалося знайти ні розповсюдження зондуючого імпульсу в земній товщі, ні, тим більше, його відбиття, ні навіть самого цього імпульсу.

Замість очікуваного луна-сигналу, який, як видається, повинен мати такий самий вид і такий же спектр, як і сам зондуюче імпульс, сейсмосігнал з самого початку являв собою тривалий, повільно затухаючий коливальний процес невиправдано великої амплітуди. Тривалий коливальний процес спостерігається і в безпосередній близькості від точки ударної дії, не дозволяючи побачити сам зондуюче сигнал. Все це абсолютно не відповідало математіческому1 опису всіх процесів, які, за уявленнями вчених, повинні були б відбуватися при сейсморозвідувальних роботах.

В звичайній ситуації, коли результати експерименту не відповідають первісної гіпотезою, починається науковий пошук і з'ясування причин невідповідності. У даному ж випадку, не рахуючись з цими фактами невідповідності, математики (які чомусь самі кваліфікували себе як фізиків і сейсморазведчіков) оголосили привселюдно, що вийшла картина повністю збігається з великим передбаченням великого Пуассона. Більше того, мало не на самому початку ХХ століття було заявлено, що акустика твердих середовищ і, головна частина її, сейсморозвідка, як наука, завершила свій розвиток, оскільки будь-яка ситуація може бути описана математично.

Це був дуже дивний крок. Оголосити про завершення пізнання у будь-якій області -- це нонсенс, оскільки пізнання принципово нескінченно. А що стосується акустики твердих середовищ, то тут подібну заяву і взагалі мало б сприйматися, як мінімум, з гумором. Адже в цій галузі знання ні тоді, ні зараз (сто років) немає жодного фундаментального положення, яке могло б бути пред'явлено експериментально. Не може бути доведено ні сталість швидкості розповсюдження пружних хвиль в однорідних середовищах, ні навіть наявність тих чи інших типів пружних коливань ...

В акустиці твердих середовищ і досі не створено жодного датчик базисних параметрів поля пружних коливань. А це означає, що жоден з аргументів, що входять у рівняння, що описують поле пружних коливань, не може бути визначений експериментально. Але ж математичне рівняння тільки в тому випадку стає приналежністю фізики, якщо його аргументи можуть бути визначені в експерименті. І, отже, з позицій методології (а інших позицій в науці бути не може), застосування математичного апарату для опису поля пружних коливань, є передчасним. Всі ці моменти, разом узяті, призвели до того, що ні акустика твердих середовищ в цілому, ні сейсморозвідка - не перебувають у компетенції метрологічних служб.

І тим не менш ...

Приблизно в той же час, коли було оголошено про завершення розвитку акустики твердих середовищ, в 1909-1910 роках, майже одночасно сталося кілька епохальних в долю сейсморозвідки подій. Незважаючи на відсутність ехо-сигналів, а також на те, що підсилювальної техніки ще не існувало, був зроблений ряд відкриттів, поставили сейсморозвідку відразу на висоту, недосяжну ніякими іншими геофізичними методами. Засобами сейсморозвідки були відкриті поверхні Мохоровичича, Конрада, Голіцина, Гутенберга і ряд інших, що знаходяться на глибинах від 10 до 800 (!) км. На підставі цих відкриттів прийшли до воістину глобальним висновків: про рідкому стані ядра Землі, про те, що кора під материками товщі, ніж під морями ...

Тут необхідно відзначити, що І.І. Гурвич не вважав ці результати достовірними. Але так чи інакше, ці нібито результати поклали початок великої фальсифікації результатів сейсморозвідувальних робіт.

Сейсморозвідка, початок якої, на думку Гурвича, відноситься тільки до 1923 року, розвивалася в наступних двох напрямках.

Походження тривалого коливального процесу, який спостерігається при сейсмоработах, було сприйнято як результат інтерференції між безліччю відбитків від безлічі залягають в земній товщі кордонів. При цьому стало якось очевидним, що сейсмосігнал у вигляді тривалого дзвону заважає виявленню луна-сигналу, і цей коливальний процес стали вважати перешкодою. І перший напрямок розвитку сейсморозвідки - це боротьба з цією перешкодою. Метод боротьби - вдосконалення апаратури, а потім, і програм обробки.

Для того, щоб мати гроші на вдосконалення апаратури, необхідно було представити сейсморозвідку як ефективний геофізичний метод. І тому другий напрямок - це створення системи фальсифікацій, спрямованих на те, щоб представити сейсморозвідку як ефективний геофізичний метод. Основний прийом, який використовується при цьому, полягає в тому, що сейсморозвідка здійснюється тільки в тому випадку, коли вже є геологічна інформація, яка може бути отримана за допомогою розвідувального буріння або (і) за допомогою різних геофізичних методів, а у звіті ховається, що ця інформація вже була відома під час проведення сейсморозвідки. Таким чином, сейсморозвідці приписується відкриття дуже багатьох родовищ, які насправді були відкриті за допомогою інших засобів.

Всі сили були кинуті в цих двох напрямки, а безпосередньо фізика формування та розповсюдження поля пружних коливань виявилася в стороні від інтересів сейсморозвідки. І тому, напевно, ніхто не звертав увагу на спектр цього самого паразитного дзвону, тобто, безпосередньо сейсмосігнала. І коли в 1977 році ми здійснили дослідження спектру сейсмосігнала, то з'ясувалося, що він має вигляд затухаючої синусоїди, а частіше, кількох загасаючих синусоїд. Це дуже важливий момент, тому що ніяка інтерференція не може привести до виникнення такого сигналу.

Фізики, на відміну від математиків, не вільні у своїх діях. Якщо математик, описує уявну модель, може приймати будь-які гіпотези щодо цієї моделі, то фізик зобов'язаний рухатися вперед з урахуванням результатів уже зроблених експериментів. Тому дослідник, який виявив, що реакція на удар має вид затухаючої синусоїди, вже не може вести подальшу роботу інакше як за наступної, цілком певній логіці:

Перетворити ударний імпульс у затухаючим синусоїду може тільки коливальна система. Отже, перше, що необхідно було робити після виявлення подібного роду сейсмосігнала - це шукати, який об'єкт виконує роль коливальних систем. Ця задача була вирішена досить швидко, вже в 1977 році, коли з'ясувалося, що цією властивістю володіють плоскопараллельние об'єкти майже з всіх твердих середовищ, в тому числі, і геологічні структури. Тобто було з'ясовано, що в плоскопараллельной геологічній структурі ударний імпульс перетвориться в затухаючим синусоїду, яка (а не сам імпульс) і поширюється вздовж цієї структури.

Якщо наявність коливальної системи виявлено, то наступне, що потрібно було зробити -- це знайти відповідність між характеристиками геологічних структур та їх властивостей як коливальних систем. Це завдання також була вирішена в тому ж 1977 році, і була виявлена емпірична залежність між товщиною (потужністю) h плоскопараллельной геологічної структури і власною частотою f0 цієї структури як коливальні системи:

h = k/f0 (1)

Виявлення цієї залежності поклало початок спектральної сейсморозвідці/1 /, тобто методу, що дозволяє визначати товщини залягають в земній товщі геологічних шарів на підставі спектра сейсмосігнала.

Далі, слід було з'ясувати, по-перше, що являє собою коефіцієнт k, що має розмірність швидкості, і чому цей коефіцієнт має напрочуд постійне для всіх типів гірських порід значення, рівне 2500м/с з відхиленням від цього значення, що не перевищує 10%. Це було дуже важливим моментом, оскільки всі питання, пов'язані з кінематичними характеристиками поля пружних коливань, є ключовими. Згідно довідників, немає таких швидкостей розповсюдження пружних коливань, які мали б настільки однакове значення в різних гірських породах. Навпаки, як зазначено в цих самих довідниках, швидкість в однієї і тієї ж породи може змінюватися в кілька разів.

І, крім того, дуже важливо було зрозуміти, за рахунок чого відбувається перетворення удару в синусоїдою. Без розуміння фізики цього явища розвиток теорії спектральної сейсморозвідки було неможливо. На всі ці питання вдалося відповісти приблизно в 1982 році, коли вже йшло впровадження першого покоління апаратури спектральної сейсморозвідки. Це була шахтна апаратура для прогнозування стійкості порід покрівлі "Резонанс". Суттєву роль у тому, що ми змогли відповісти на ці питання, зіграв виявлений тоді ж ефект акустичного резонансного поглинання (АРП).

Ефектів резонансного поглинання в фізики дуже небагато - феромагнітна, парамагнітне, електронне, гамма-поглинання ... Тепер до цих, уже відомим фундаментальним ефектів можна додати й акустичне резонансне поглинання.

Мені хотілося б нагадати, що фізика - це перш за все, сукупність фізичних ефектів і явищ, і кожен з них - це як би цеглинка самої будівлі фізики. Кожен з таких "цеглинок" має цінність для процесу пізнання незалежно від того, наскільки він виявився понятим при своєму виявленні. Як відомо, багато хто з відомих фізичних ефектів на сьогоднішній день сприймаються на чисто феноменологічному (констатаціонном) рівні. Що, втім, не заважає їх використовувати. Резонансні поглинання займають особливе місце серед фізичних ефектів, оскільки з їхньою допомогою саме й відбувається розуміння інших ефектів і явищ.

Одним з результатів того, що був виявлений ефект АРП, було те, що вдалося з'ясувати зміст коефіцієнта k у формулі (1), який, як виявилося, є не що інше, як швидкість поперечних хвиль Vсдв. І таким чином, виник нарешті метрологічно коректний спосіб визначення швидкості Vсдв. І формула (1) придбала Вид:

h = Vсдв/f0 (1 ')

При цьому виявилося, що поперечні хвилі - це зовсім не те, що мав на увазі Пуассон. Поперечний (зсувне) процес - це уявна (реактивна) частину поля пружних коливань. І відразу стали зрозумілими деякі які спостерігаються при сейсмоработах ефекти. Зокрема, надзвичайно низька затухання пружних хвиль при поширенні їх уздовж геологічних структур. Тут виходить чудова аналогія з електромагнітним полем ...

Електромагнітне поле характеризується реальною (активної) і уявної (реактивної) складовими. Реальна частина відповідає за активні втрати - нагрів, механічна робота. Уявна ж відповідає за поширення поля. Загасання цієї (уявної) частині поля зовсім трохи. Відомо, наприклад, що за допомогою одноваттного передавача радіоаматори зв'язуються на граничних відстанях, аж до протилежних точок Землі. Точно так само відбувається і при поширенні поля пружних коливань. Сейсмосігнал (а він завжди має вигляд затухаючого гармонійного процесу) формується уявної (поперечної) складової поля, і затухання його досить незначно. Тобто всі сейсмосігнали, що приймаються різними сейсмопріемнікамі при сейсмоработах, сформовані поперечними хвилями.

Але, врешті-решт, адже отримують ж при сейсмоработах сигнали, які цілком можуть виявитися ехо-сигналами, нехай спектрально і неідентичних зондуючого імпульсу. І якщо ці ехо-сигнали приходять через якісь там секунди, значить, вони є відбиттям від якихось глибоко залягають кордонів. Ось ця логіка і змушує сейсморазведчіков шукати, від яких саме знаходяться на великих глибинах відображають поверхонь відбився зондуюче сигнал. Однак на самому справі, це не зовсім так.

Ще раз відзначимо, що при ударному впливу (при сейсмоработах) поширюється не сам імпульс, а що виникли в структурі власні коливання. Вони дійсно розповсюджуються за законами геометричної оптики, але тільки в межах цих геологічних структур. І коли під час проведення сейсморозвідувальних робіт робиться висновок про те, що луна-сигнал отриманий з якоїсь глибини, то насправді, це не так. Одержуваний сигнал - це луна-сигнал, але від кордону тієї плоскопараллельной геологічної структури, в якій сформувався даний, конкретний коливальний процес. Це дуже просто перевіряється. Якщо зсув сейсмо-коси в якийсь бік призводить до зміни моменту приходу луни-сигналу на час, відповідне цього зміщення, то, очевидно, доведеться прийти до висновку про те, що луна-сигнал приходить не з глибини, а збоку. Але якщо луна-сигнал приходить не знизу, а збоку, то стає зрозумілим, чому сейсморазрез ніколи не відповідає реальному геологічного розрізу.

Далі, ще одна проблема. Зараз сейсморазведчікі покладають великі надії на застосування методик, зорієнтованих на використання трьохкомпонентних сейсмопріемніков. Навіть якщо абстрагуватися від того, що на сьогоднішній день не існує технічних засобів для атестації цих приймачів, то все одно, надії ці безпідставні. Справа в тому, що при поширенні власних пружних коливань уздовж відповідної структури орієнтування напрямки зміщення тих, хто вагається часток носить випадковий характер, і тому навіть якщо б багатокомпонентні сейсмопріемнікі справді існували (а метрологи стверджують, що на сьогоднішній день це неможливо), застосування їх все одно не має сенсу. І в цьому сенсі, те, що почали застосовувати трикомпонентні сейсмопріемнікі, як і раніше не підлягають метрологічної повірки, але вартість яких досягла $ 3000 за штуку - не ознака чи це великий розгубленості?

Згідно відомим фундаментальним положенням методології розвитку наукового пізнання, дослідницький метод, заснований на новому фізичному ефекті, обов'язково стає джерелом принципово нової інформації. Саме так і сталося з методом спектрально-сейсморозвідувальних профілювання (ССП). Мабуть, оскільки в основі методу ССП виявився не один, а декілька нових фізичних ефектів і явищ, він виявився джерелом великої кількості принципово нової інформації.

Межі, виявляються методом ССП, являють собою поверхні, по яких можливо прослизання сусідніх порід, а також мікротріщини і зони підвищеної мікротрещіноватості. Подібного роду кордону та об'єкти раніше не виявлялися ніякими іншими дослідницькими методами, і, як результат, була отримана принципово нова геологічна інформація. За допомогою методу ССП виявилося можливим виявляти зони тектонічних порушень.

Необхідно відзначити, що тектонічні порушення, опису яких присутні в усіх геологічних та геофізичних підручниках, насправді, раніше виявляти було просто нічим. В результаті, чисто умоглядно виведені властивості зон тектонічних порушень виявилися зовсім не такими, як про це?? азалось в реальності. Так, згідно з усталеній думці, при потужності осадового чохла, перевищує якісь там сотні метрів, тектонічні розривні порушення в кристалічних породах ніяк не впливають на інженерні споруди. Однак виявилося, що це не так. Вплив на інженерні споруди з боку тектонічних порушень зі збільшенням потужності осадового чохла не зменшується.

Властивості гірських порід в зонах тектонічних порушень виявилися настільки несподіваними, і вплив їх настільки величезна на багато сторін нашого буття, що з часом безумовно будуть переглянуті самі основи гірничої та будівельної наук, геоекології і гідрогеології. Справа в тому, що, як виявилося, гірські породи в зонах тектонічних порушень, строго кажучи, не є твердими середовищами. Це, як би, тверді рідини. Будучи в стані підвищеної мікронарушенності на всю потужність осадового чохла, осадові породи в зонах тектонічних порушень володіють зниженою несучу здатність і підвищеною проникністю. Ці властивості були доповнені вченими Інституту гірничої справи УРАН РФ (Єкатеринбург, проф. Сашурін А.Д.), виявили наявність у зонах тектонічних порушень пульсації з амплітудою до 10 см. З урахуванням цього ефекту стає зрозуміло, чому, скажімо, ті ж труби не просто провисають в зонах тектонічних порушень, а рвуться. Звісно, так і буде, якщо вони постійно пульсують і працюють, отже, на втому.

Несуча здатність грунту в зонах тектонічних порушень не просто має знижений значення, але значення це зменшується після початку будівельних робіт. У результаті, споруда, зведена в умовах міцного грунту, з часом починає руйнуватися за рахунок того, що частина його фундаменту починає прискорено йти у грунт.

Підвищена проникність порід в зонах тектонічних порушень, з одного боку, має своїм наслідком те, що при бурінні там може бути отримана вода. З іншого ж боку, ці зони характеризуються підвищеним виходом глибинних газів, що формує геопатогенні зони. Як показує статистика, проживання в геопатогенних зонах істотно збільшує ймовірність важких захворювань і зменшує тривалість життя. І, нарешті, якщо в зоні тектонічного порушення виявляється якесь поховання токсичних речовин, неминуча втрата герметичності цих сховищ і проникнення цих речовин на великі глибини і відстані.

Розривні тектонічні порушення в планетарному масштабі є аналогами наших кровоносних систем. Вони є як би каналами, по яких поширюються рідкі і газоподібні речовини по всій планеті. А осадові породи над порушеннями з'єднують (за рахунок підвищеної проникності осадових порід) тектонічні порушення з денною поверхнею. Відомі випадки, коли захороненням речовин проявляється на дуже великих відстанях від сховища. Тепер фізика цього явища стала зрозумілою.

Крім того, зони тектонічних порушень характеризуються підвищеними значеннями добротності сейсмосігнала. Тобто сейсмосігнал може мати вигляд дуже довго незатухаючий синусоїди. Це призводить до того, що за наявності вібраційного впливу в цих зонах можуть виникати резонансні явища, і як наслідок, так звані гірські удари або техногенні землетруси. Відомі випадки раптових руйнувань насосних станцій, залізничних шляхів, ковальських цехів, електростанцій, ТЕЦ ... Всі ці руйнування супроводжуються тим, що руйнуються споруди швидко, толчкообразно йдуть у грунт. Один з таких випадків -- Чорнобильська АЕС. У момент руйнування 4-го блоку ЧАЕС сейсмологами були зареєстровані два поштовхи, про походження яких суперечки тривають і досі. Додатковим підтвердженням того, що 4-й блок ЧАЕС опинився в зоні розлому, є те, що саркофаг, зведений над ним, неухильно йде в грунт.

Основи спектральної сейсморозвідки виникли приблизно чверть століття тому, і до теперішнього часу цей вид геофізики досяг рівня самостійного і надійного методу для отримання найважливішою геологічної і інженерно-геологічної інформації. Більше того, інформація, що отримується з допомогою цього методу виявилася ключовою для прогнозування техногенних катастроф, що дуже вчасно, з огляду на зростаючу їхню ймовірність і стан екології.

Список літератури

Глікман А.Г. "Фізика і практика спектральної сейсморозвідки"