Еще раз о физике спектральной сейсморазведки

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
25 октября 2017, Санкт-Петербург

Пытаясь объяснить суть физики спектральной сейсморазведки, я моментами просто оказываюсь в тупике. Труднее всего мне бывает с профессиональными физиками и геофизиками. Они абсолютно ничего не знают о колебательных системах и категорически возражают, когда я пытаюсь растолковать, что традиционная, т.н. лучевая сейсморазведка является научным заблуждением.

Дело в том, что идея традиционной сейсморазведки абсолютно очевидна и настолько проста, что придумать ее может любой человек, даже не имеющий какого-либо образования. Как-то раз, когда мы занимались сейсмоизмерениями, водитель, который привез нас на объект, стал рассказывать нам о сейсморазведке. Ведь сами измерения при осуществлении спектральной сейсморазведки выглядят точно так же, как и при традиционной сейсморазведке. Мы устанавливаем сейсмоприемник, наносим удар по грунту рядом с ним и смотрим на компьютере сигнал, который при этом возникает.

И вот этот молодой человек стал излагать свое понимание того, что мы делаем.

О том, как при ударе возникает импульс, который уходит вглубь Земли, отражается от залегающих там объектов и возвращается в виде эхо-сигнала. Я спросил его, какое у него образование. Он сказал, что 8 классов и школа водителей.

Да, действительно, с такой очевидностью не поспоришь. И то, что эта очевидность совершенно не соответствует фактическому положению дел, доказать очень трудно.

Ну, давайте попробуем еще раз.

Пуассон, создавший в 30-годах XIX века математическое описание процессов, которые должны, как всегда казалось, проистекать при сейсморазведочных работах, фактически лишь формализовал то, что утверждают люди чуть ли не с XVII века и по сей день. Ведь известно, что киты и дельфины в воде, а в воздухе – летучие мыши с большим успехом используют эхо-локацию. Сомнений в том, что в твердой среде законы распространения поля упругих колебаний точно такие же, как в воздухе и в воде, никогда и ни у кого не было. Пуассон позволил себе придумать только наличие продольных и поперечных волн.

После завершения этой работы Пуассон издал свой двухтомный труд по теоретической механике. Его коллеги удивились, почему в этот двухтомник не вошла статья о поле упругих колебаний. Пуассон пояснил, что то, что он издал – это теория, а статья о сейсморазведке – это гипотеза. Теорией она быть не может, потому что проверить экспериментально то, что там написано, пока что невозможно.

Ведь для того, чтобы решить предложенные им волновые уравнения, необходимо иметь информацию о граничных условиях. Таково условие – знать параметры поля на границах объекта. В противном случае количество решений равно бесконечности. Но граничные условия померить невозможно. Чтобы идентифицировать продольные и поперечные волны, необходимо иметь информацию о характере движения колеблющихся частиц, что тоже невозможно. А вот как только возникнет необходимая для получения всей этой информации аппаратура, то вполне возможно, что гипотеза превратится в теорию.

К сожалению, такие возможности не возникли и по сей день. И мы до сих пор не имеем никакой объективной, то есть, экспериментально получаемой информации о свойствах и параметрах поля упругих колебаний. Но вместе с тем, в современных учебниках, в современной научной литературе и на конференциях, посвященных теории поля упругих колебаний, утверждается, что познание физики этого поля завершено, и дело только за математическим обеспечением.

Вообще, из истории развития физики известно, что как только люди забывают о том, что познание бесконечно, и возникает уверенность в том, что познание какой-то области знания завершено, люди немедленно получают, что называется, по носу. Так было с теорией теплорода, если кто помнит. Так было и с оптикой, и с электричеством постоянного тока перед тем, как возникла электродинамика...

Давайте посмотрим, что мы сегодня имеем по теории поля упругих колебаний.

Представление о продольных волнах как о цепочках из масс m и упругостей k (см. рис.1) было опровергнуто еще в 40-х годах ХХ века. Дело в том, что такая звукопроводящая цепочка обладает частотными свойствами, подобными характеристикам электрической длинной линии, состоящей из конденсаторов и индуктивностей. Такая электрическая длинная линия является электропроводной только до некоторой частоты f_max, выше которой она теряет электропроводность. Так же и для акустической длинной линии, максимальное значение этой частоты для самой высокочастотной цепочки, состоящей из ядер с массой m атомов водорода и упругих сил k между ними, имеет величину порядка 10⁶Гц.

Рис. 1

В учебниках 30-х годов ХХ века по сейсморазведке и полю упругих колебаний было категорично сказано, что когда люди достигнут мегагерцовых частот, то все звукопроводящие среды окажутся незвукопроводящими.

В 40-х годах (еще до Войны) были созданы излучатели с частотами выше, чем 10⁸Гц, но звукопроводность сред и материалов не уменьшилась. Казалось бы, надо было бы признать ошибочным вышеприведенное заявление. Но нет, даже сегодня можно встретить в некоторых учебных пособиях и эту пресловутую картинку, и то же самое заявление о том, что на очень высоких частотах среды теряют свою звукопроводность.

Нельзя отказываться от своих заявлений, если они основаны на метрологически корректных экспериментах. Приведенная же на рис.1 модель является не экспериментально полученной, а чисто умозрительной, а в споре с результатами, полученными в результате эксперимента, умозрительная модель всегда проигрывает. И получается, таким образом, что мы просто-напросто не знаем, что такое колеблющиеся частицы и не можем определять траектории и параметры их колебательных движений.

Примерно такая же ситуация имела место при разработке модели электрического тока в ту пору, когда шел спор между учеными, является ли электрический ток потоком электронов или электрическим полем. На сегодняшний день, как известно, подход к этой проблеме дуалистический. Электрический ток проявляет свойства и потока электронов, и поля.

При рассмотрении поля упругих колебаний невозможно подходить так же. Ведь электроны – это реальные объекты, характеризуемые собственными параметрами и подлежащие исследованию, а вот что такое колеблющиеся частицы – мы не знаем, и поэтому не можем определять траектории и параметры их колебательных движений. А поскольку различие между типами упругих колебаний заключается в различии параметров и траекторий колеблющихся частиц, то нам придется отказаться от упоминания каких-либо типов упругих волн или упругих колебаний.

Сознаюсь, что я тоже немного грешен в этой истории, поскольку имею изобретения, в которых рассматриваются методы измерения продольных и поперечных волн. Но надо же понимать, что, будучи воспитанным в рамках традиционной парадигмы, я с большим трудом и очень не сразу отходил от нее.

И, таким образом, на сегодняшний день эта область знания не представлена никакими свидетельствами своего существования в палате мер и весов. Но ведь известно, что попасть в область компетенции физики можно только при условии наличия собственного эталона.

Обратимся опять к примеру электричества. Эта субстанция получила право относиться к научной области знания и к разделу физики только тогда, когда в палате мер и весов появились ее эталоны и датчики – вольтметр и амперметр. Аналогичная история произошла и с другими областями знания. Увы, к акустике это не относится. Она не имеет ни своего эталона, ни датчика, и по этой причине не входит в компетенцию метрологической службы.

Известные акустоэлектрические преобразователи (сейсмоприемники) не являются датчиками, так как никому не известно, какой именно параметр поля представляет ЭДС, снимаемая с сейсмоприемника.

Настаивая на том, что я сказал, я совершенно не считаю, что я преуменьшаю (унижаю) в чем-то поле упругих колебаний. Я считаю, что, находясь в области физики, мы должны четко осознавать границы наших возможностей. Физика – это всего лишь совокупность физических эффектов. И если мы не можем назвать физический эффект, который находится в основе какого-либо метода исследования, то должны это осознавать.

Какой физический эффект лежит в основе сейсморазведки? Факт отражения поля упругих колебаний от каких-то границ, залегающих в земной толще? Нет, потому что экспериментально это не доказано. Доказательство этого было бы, если бы существовал хотя бы один случай совпадения сейсморазреза, полученного с помощью сейсморазведки, с геологическим разрезом, полученным с помощью бурения. Такого совпадения не было ни одного за всю историю сейсморазведки. На это много раз обращал внимание Петрашень Г.И. в своих докладах и статьях.

К гидроакустике и к эхо-локации (в воздухе) такого отношения, как к сейсморазведке, нет. Там на отражении от препятствия всё построено, и эффективность этих методов весьма высока.

В сейсморазведке идентичность сейсморазреза с геологическим разрезом достигают тем, что, получив заказ на проведение сейсморабот, геофизики требуют от Заказчика пробурить скважину в зоне предполагаемых изысканий и передать геофизикам паспорт скважины. «Подтянув» к результатам бурения сейсморазрез, сейсморазведчики предъявляют сейсморазрез как полученный только лишь с помощью сейсморазведки. И ни один сейсморазведчик в Мире не согласится делать свою работу без предъявления паспорта скважины.

А хотя нет, согласится, если его результаты невозможно проверить. Скажем, строение ядра Земли или поверхность Мохоровичича.

Предполагалось, что результаты сейсморазведки связаны со скоростью распространения поля упругих колебаний. Но, как оказалось, и это невозможно. Скорость распространения поля упругих колебаний методом регистрации момента первого вступления не может служить отсчетной точкой, поскольку зависит от очень многих факторов. Так, в зависимости от геометрии образца, скорость распространения упругих колебаний в однородной среде может изменяться в несколько раз, что описано в книге «Основы спектральной сейсморазведки».

Причиной всех этих неприятностей является то, что на самом деле, земная толща по акустическим свойствам представляет собой не совокупность отражающих границ, а совокупность колебательных систем. И именно в этом ракурсе и следует изучать акустические свойства земной толщи и отдельных геологических структур.

Спектральная сейсморазведка (спектрально-сейсморазведочное профилирование, (ССП)) позволяет получать, в принципе, ту же информацию, которую мы ожидали получать от традиционной сейсморазведки. Но, как это и должно быть в соответствии с принципами методологии развития научного познания, исследовательский инструмент, в основе которого лежит новый физический эффект, неизбежно дает принципиально новую информацию.

Принципиально новая информация – это еще один (или больше) новый физический эффект, новое явление или новое свойство, неизвестное ранее. В данном случае, подтверждением этого принципа методологии служит способность спектральной сейсморазведки выявлять и картировать зоны тектонических нарушений (ЗТН). И при этом был обнаружен ряд неизвестных ранее и очень важных для всех землян свойств этих зон. Ну, и разумеется, для проведения ССП не нужна никакая априорная информация, как и должно быть, если исследовательский метод действительно таковым является.

Начав с нуля, я за последние 40 лет неплохо продвинул эту область знания. Первым толчком для этого движения является обнаруженный в 1977 году новый физический эффект, который заключается в том, что все объекты из подавляющего большинства твердых сред (металлы и сплавы, керамика, стекло, лед, горные породы) обладают свойствами колебательных систем. То есть, являются резонаторами. Объекты из оргстекла и некоторых пластмасс не обладают свойствами колебательных систем. То есть, являются нерезонаторами.

Этот эффект оказался фундаментальным для исследовательского метода, получившего название спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП), или для метода спектральной дефектоскопии, который является производным от метода ССП.

Колебательная система – это объект, который на ударное воздействие реагирует затухающим гармоническим (синусоидальным) процессом. Количество собственных частот резонатора равно количеству его размеров h. Так, параллелепипед имеет три размера – толщину, длину и ширину, и, соответственно, три собственных частоты f₀ – по толщине, длине и глубине. Собственная частота f₀ резонатора с одним-единственным размером h определяется следующим образом:

h = V / 2f₀,     (1)

где V – самое большое для данного материала значение скорости распространения фронта упругих колебаний, определяемое методом регистрации первого вступления при импульсном возбуждении поля, и полученное при сквозном прозвучивании пластины из этого материала.

Так, например, для всех горных пород V≈5000 м/с с погрешностью, не превышающей 10%. Эта информация получена и проверена с помощью выражения (1) в различных геологических условиях, а также на образцах горных пород.

В связи с приведенным в литературе обилием типов упругих колебаний и различными скоростями для каждого из них очень трудно было смириться с тем, что для всех случаев выражение (1) имеет вид:

h = 2500 / f₀     (1)

Но против экспериментальных данных не попрешь.

Надо сознаться, что много лет я рассматривал величину 2500м/с, полученную чисто экспериментально, как скорость поперечных волн. И только сейчас, осознав, что мы не имеем права оперировать поперечными (или какими-либо другими волнами) в силу невозможности их экспериментального определения, я стал истолковывать эту скорость как половину самой большой скорости.

Эта скорость – 2500м/с имеет двоякий смысл. Во-первых, она имеет смысл при использовании выражения (1). А во-вторых, это скорость, с которой так называемая пачка в виде затухающего гармонического процесса распространяется вдоль породного слоя-резонатора.

В простейшем случае (а двигаться следует от простого к сложному), в случае единичной колебательной системы, в результате ударного воздействия возникает затухающий гармонический (синусоидальный) сигнал. А сам зондирующий, инициирующий сигнал исчезает, преобразуясь в сигнал гармонический. В сейсморазведке существует утверждение, что гармонический сигнал возникает как результат интерференции сигналов, возникающих при множестве отражений зондирующего сигнала от множества отражающих границ. Я не знаю, почему сейсморазведчики не знают, что в результате интерференции может возникнуть любой сигнал, за исключением синусоидального.

Математики это хорошо знают, и именно поэтому, скажем, ряд Фурье представляет собой сумму членов, каждый из которых – именно синусоида (или косинусоида).

На рис.2 приведен реальный сейсмосигнал. Ось абсцисс – ось времени. Числа, стоящие на этой оси – это количество периодов дискретизации.

Здесь очень важно, что в момент удара (t=500) отсутствует сам зондирующий импульс. Мы слышим этот инициирующий удар только потому, что мы слушаем в воздухе. А в земной толще его нет. То есть логика традиционной сейсморазведки, содержащая заявление, что зондирующий импульс распространяется в земной толще исключается. Этого зондирующего импульса в земной толще просто нет. Ведь когда мы наносим удар по клавишам рояля, мы же его не слышим. Мы слышим только ноты.

Рис. 2

Даже не очень глубокое знание математики не позволит не прийти к идее спектральной сейсморазведки, если хоть раз увидеть сигнал, показанный на рис.2.

В принципе, если начать с нуля и воспользоваться предложенной здесь логикой, то обязательно придешь к спектральным представлениям при использовании поля упругих колебаний для изучения нашей планеты, совсем не избалованной вниманием геофизиков.

А там недалеко и до создания эталона, и тогда сейсморазведка попадет, наконец, в компетенцию метрологов.

Я никогда не ставил эксперименты специально, чтобы опровергнуть традиционную сейсморазведку. Но вот, однажды, уже много лет назад, изучая эффект акустического резонансного поглощения, я обнаружил, что при нормальном прозвучивании пластины-резонатора, на собственной частоте пластины поле, которое должно пройти насквозь, переориентируется на 90° и переизлучается через торцы прозвучиваемой пластины-резонатора. Но разве это не означает, что при сейсморазведочных работах в случае слоистых осадочных пород поле распространяется не во все стороны, как постулируется в сейсморазведке, а только лишь в горизонтальных направлениях? То есть, получается, что если приходит эхо-сигнал, то приходит он не снизу, а сбоку? Но тогда становится понятно, почему сейсморазрезы никак не могут совпадать с реальными геологическими разрезами.

На очередных чтениях им. Федынского в ГЕОНе, в которых я участвовал 5 или 6 лет подряд, я задал этот вопрос участникам. Я ожидал всё что угодно. Но не такого дружного смеха... Оказалось, что они давно ломают голову, почему если перенести сейсмокосу на какое-то расстояние, глубина выявленной границы изменяется на такую же глубину. Теперь стало понятно, что это происходит потому, что сейсмосигнал приходит сбоку.