Сейсморазведка как средство для прогнозирования разрушений и землетрясений
или
ПРИГЛАШЕНИЕ К НОВОСЕЛЬЮ
Гликман А.Г.
НТФ «Геофизпрогноз»
январь 2009, Санкт-Петербург
Нам, землянам, предстоит новоселье и мы переедем в новый дом. Это не первое новоселье в истории нашей цивилизации. Когда-то мы перебрались с надежной Земли-арены, о которой так долго заботились киты со слонами и другие атланты, на легкомысленный шарик, который непонятным образом то ли висит, то ли падает неясно где, откуда и куда. Одно утешало - это его твердость. Твердь земная, одним словом. Собственно говоря, в этом смысле ничего с тем переездом не изменилось. Как жили, так и живем. Ходим, ездим, строим...
Хотя, какую-то неуверенность иногда испытываем. Дело даже не в том, что время от времени наша планета вздрагивает. В конце концов, происходит это не где угодно, а только в специально отведенных, сейсмоактивных и вулканоопасных местах. Неприятно то, что время от времени во вполне благополучных регионах происходят техногенные катастрофы, которые, очень похоже, инициируются какими-то свойствами самой нашей планеты.
Напрямую, разумеется, Землю никто не обвиняет. Все больше строителей. Но то, что некоторые аварии настойчиво повторяются в одном и том же месте, настораживает.
Один из наиболее уязвимых элементов нашей цивилизации - газо- и нефтепроводы. По количеству разрывов они далеко ушли от всех других видов аварий1. На первый взгляд представляется, что причина этих аварий в недостаточной прочности трубопроводов. Однако когда эти разрывы трубопроводов повторяются в одном и том же месте, при условии, что в соседних с ними местах трубы безаварийно служат по много лет, то приходит понимание, что причина здесь в чем-то другом.
Первый сигнал о том, что не все понятно с устройством нашего Жилища, пришел в 1977 году, когда я вдруг обнаружил, что при проведении сейсмоизмерений, при землетрясениях, и вообще при всяческих воздействиях на грунт реакция имеет вид затухающей синусоиды. Чаще, правда, не одной, а нескольких, но это дела не меняет.
Из начального курса физики известно, что получить гармонический (синусоидальный), в том числе, затухающий гармонический сигнал возможно только тогда, когда имеется колебательная система. Если колебательной системы нет, то сигнал, возникающий при воздействии на такой объект, может иметь любую форму, только не синусоидальную. Так что же, получается, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем?!
Ну что ж, как есть, так есть. Мы ведь не придумываем физические эффекты и их свойства, а только лишь используем их и изучаем в том виде, в котором они существуют. И если уж объект проявляет свойства колебательной системы, то и изучать его следует именно с этой стороны, и с использованием соответствующих наработок и понятий.
В первую очередь, исследовать необходимо спектральные характеристики колебательных систем или, что то же самое, сейсмосигналов. Ведь если мы возбуждаем ударом колебательную систему, то возникающий при этом сигнал по своим характеристикам полностью соответствует параметрам этой колебательной системы. То есть одно и то же изображение характеризует как гармонический сигнал, так и колебательную систему, которая этот сигнал создает. Эти исследования применительно к земной толще получили название спектрально-сейсморазведочного профилирования, и поскольку от их повседневного и повсеместного применения уже не уйти, то удобнее использовать аббревиатуру - ССП.
Так сложилось, что при создании традиционной, т.н. лучевой сейсморазведки акустические свойства земной толщи были именно придуманы, а не выявлены. Ученым показалось очевидным, что по акустическим свойствам земная толща представляет собой совокупность отражающих границ. И несмотря на то, что это свойство никогда не было подтверждено экспериментально, лучевая сейсморазведка вот уже 100 лет развивается в этом, заранее заданном, и теперь уже понятно, что тупиковом направлении. Ну, а поскольку лучевая сейсморазведка эксплуатирует несуществующий эффект, то по крайней мере, хотя бы понятно, почему она имеет нулевую результативность.
В оправдание сейсморазведчиков, необходимо отметить, что с помощью существовавших до сих пор сейсмоприемников обнаружить колебательные свойства земной толщи невозможно. Так сложилось, и доказать это оказалось проще простого, что любой сейсмоприемник из созданных до сих пор для сейсморазведки и сейсмологии сам по себе является высокодобротной колебательной системой. А использовать одну колебательную систему (сейсмоприемник) для исследования спектра другой колебательной системы (земная толща) невозможно. Сейсмоприемник, применяемый в ССП, не обладает собственной колебательностью и поэтому может служить датчиком спектра сейсмосигнала.
Вот, кстати, я употребил важнейшую характеристику колебательной системы - ее добротность. Этот параметр являлся до сих пор довольно узко-специальным, представляющим интерес только, пожалуй, для радиофизиков. Но поскольку Земля наша, как оказалась, проявляет свойства колебательных систем, то никуда не денешься, придется нам к этому параметру привыкать.
Ударив по камертону, мы слышим медленно затухающий звук ноты «ля», что соответствует частоте 440 Гц. Можно было бы сказать иначе и понятнее для физиков: камертон как колебательная система обладает очень большим значением добротности (добротность принято обозначать буквой Q). Для камертона добротность Q имеет значение, равное нескольким тысячам. Мало существует устройств, обладающих столь высокой добротностью. Если, скажем, пальцем прикоснуться к вибрирующей части камертона, то добротность его резко упадет, и возникающий при ударе сигнал будет той же самой частоты 440 Гц, но затухнет он быстрее. То есть, прикоснувшись к колеблющейся части камертона, мы уменьшим его добротность.
Понятно, что как только обнаружилось, что земная толща проявляет свойства совокупности колебательных систем, необходимо было выяснить, какой именно геологический объект, залегающий в земной толще проявляет эти свойства. Задача эта оказалась не самой сложной, и буквально сразу же выяснилось, что в простейшем случае слоистой среды этими объектами являются породные слои. Причем собственная частота f0 породного слоя толщиной (мощностью) h определяется следующим соотношением:
h = Vsh / f0, где (1)
Vsh - скорость поперечных (сдвиговых) упругих колебаний. Совершенно поразительным с точки зрения традиционной сейсморазведки оказалось то, что с погрешностью, не превышающей ±10% это соотношение выполняется для всех горных пород при постоянном значении Vsh, равном 2500м/с .
При воздействии на колебательную систему вибрацией, частота которой равна собственной частоте этой колебательной системы, возникнет явление, известное как резонанс. Резонанс - это совпадение частоты внешнего колебательного воздействия с собственной частотой колебательной системы, на которую это воздействие оказывается. При этом, как только возникает это совпадение, амплитуда колебаний начинает медленно, от периода к периоду, возрастать. В пределе, амплитуда колебаний может возрастать в Q раз.
Значения Q окружающих нас колебательных систем находятся в пределах от 1 до примерно 200. Как правило, максимально возможная амплитуда колебаний при возникновении резонанса недостижима, поскольку разрушение высокодобротной колебательной системы наступает еще до того.
Наблюдение за колебательными свойствами этих, обнаруженных в 1977 году колебательных систем, показало, что добротность их, в общем случае, небольшая, однако в некоторых зонах она имеет существенно повышенные значения.
И вот тут был получен второй, еще более громкий сигнал о том, что не все понятно с устройством нашего Жилища. Это было в 1993 году, когда выяснилось, что сейсмосигнал, а вернее, отдельные его гармонические составляющие имеют повышенную добротность в зонах тектонических нарушений. А так как использовать это понятие впредь нам придется постоянно, то удобнее будет для него принять аббревиатуру ЗТН.
Собственно, благодаря этому эффекту увеличения добротности и удается обнаруживать эти ЗТН. Однако здесь необходимо дать некоторые пояснения.
Дело в том, что про тектонические нарушения было известно очень давно. Существует много научной и учебной геологической литературы, где рассматриваются тектонические нарушения. Существует также и классификация тектонических нарушений. Но вот экспериментально их обнаруживать было возможно только в очень ограниченных случаях. А именно, при отсутствии осадочного чехла и на обнажениях, на крутых обрывах, и в условиях подземных выработках. А в случае, скажем, равнинной поверхности, то есть, в большинстве случаев, это было невозможно. Поэтому никогда не приходило в голову, насколько важным для людей является знание о местонахождении и параметрах ЗТН.
Первые же обнаруженные с помощью ССП зоны с повышенной добротностью отдельных спектральных составляющих сейсмосигнала (мы тогда еще не знали, что это как-то связано с тектоническими нарушениями) показали удивительную зависимость. Во-первых, они проявлялись на ССП-разрезе в виде воронкообразного (V-образного) объекта или одной его образующей. На рис.1 показан такой объект, полученный в результате проведения ССП в подвале одного из самых разрушающихся жилых домов в Петербурге.
ССП-РАЗРЕЗ ПО ПРОФИЛЮ 2
(Шпалерная, 11)
Рис. 1
Профилирование проводилось с шагом 0.5м. Вертикально вытянутые объекты на ССП-разрезе - это спектральные изображения сейсмосигналов, полученных при профилировании. Соотношение обеих осей ординат - оси частот и оси глубин - соответствуют выражению (1). Величины черных раздувов (ширина их) пропорциональны значениям добротностей соответствующих спектральных составляющих. Как видим, соединенные штриховой линией раздувы имеют повышенную относительно других сигналов добротность.
Самая высокая добротность - у острия V-образного объекта, и это при пересечении профилем ССП зоны тектонического нарушения обычно так и бывает. Эта спектральная составляющая имеет частоту, примерно равную 17Гц, добротность Q≈100. Сейсмосигнал, полученный в 8-й точке профиля (на 4-м метре), приведен на рис.2.
Рис. 2
Если на поверхности Земли или, как в данном случае, в самом доме вблизи 4-го метра профиля будет включен механизм, вибрирующий с частотой, близкой к 17Гц, то возникнет резонанс, и амплитуда вибрации земной поверхности начнет расти, в пределе, до 100-кратного значения первичной амплитуды. В зависимости от прочности крепления вибрирующего механизма к фундаменту, он либо запрыгает с нарастающей амплитудой, либо фундамент резко, удароподобно провалится в грунт.
Вероятность того, что частота вибрации механизма, случайно установленного в ЗТН, окажется равной собственной частоте залегающей в земной толще высокодобротной колебательной системе, достаточно велика.
Так, например, частота вибрации обычной стиральной машины в режиме отжима белья, близка к 17Гц. Это прочувствовали жители этого дома. Они, честно говоря, не обратили внимание на наше предупреждение о том, что при наличии вибрационного воздействия в пределах выявленной воронки их дом может разрушиться. И приведенный пример Иерусалимского Дворца Торжеств, который разрушился во время быстрого молодежного танца во время первой же свадьбы, их не впечатлил.
Однако, когда сосед с 4-го этажа, кухня которого находится прямо над центром воронки, включил свою только что купленную стиральную машину на отжим, то дом (6-этажный дом, построенный в начале ХХ века) задрожал так, что все жители в панике выскочили на улицу.
Такое явление, в общем случае, называется горным ударом или техногенным землетрясением. Это явление хорошо известно, но причины его были неизвестны. Собственно, название свое горный удар получил потому, что чаще всего его наблюдают при ведении горных работ. Горные удары бывают разной силы. От чисто акустических эффектов - периодических громких ударов, и до разрушения инженерного сооружения. Горняки давно заметили, что при остановке механизмов горные удары прекращаются.
Второй аспект влияния ЗТН, обнаруженный нами еще в 1993 году, заключается в том, что любое инженерное сооружение, оказавшееся в зоне тектонического нарушения, разрушается существенно быстрее, чем это ожидалось при его проектировании и строительстве. Временнόй диапазон разрушения сооружений очень широк. В одних случаях разрушение начинается уже в момент начала строительства, и если строительство при этом доводят до конца, то эксплуатация этого сооружения идет с непрерывным ремонтом. Яркий пример такого случая - очистные сооружения в пос. Ольгино, под Санкт-Петербургом.
В стенах домов, оказавшихся в ЗТН, возникают субвертикальные трещины, а также косые трещины, проходящие между углами оконных переплетов. Все аварии на трубопроводах, как оказалось, также происходят исключительно в ЗТН.
Впрочем, перечислять различные объекты, которые разрушаются в ЗТН, можно долго. Главное - в другом. Если эти объекты содержат в себе вибрирующие механизмы, то механизм их разрушения в ЗТН понятен. Это резонансные явления. А вот если объект оказывает на грунт только статическое воздействие, то почему и при этом возникают разрушения? Да, действительно, с самого начала выяснилось, что в ЗТН несущая способность грунта имеет существенно меньшее значение, чем вне этих зон. Ну и провисала бы, скажем, стальная труба при пересечении ею ЗТН, но почему же она в этом месте непременно рвется? Ответ на эту загадку пришел из Екатеринбурга.
Проф. А.Д. Сашурин, занимающийся космической геодезией, в 1998 году обнаружил, что существуют на Земле зоны, в которых многократно увеличивается погрешность геодезических измерений. Как оказалось, это происходит потому, что в этих зонах имеет место весьма низкочастотная пульсация планетарного происхождения с невероятно большой амплитудой, достигающей 10см. Это как бы дыхание нашей планеты, которое может наблюдаться не повсеместно, а только в определенных зонах. И зоны эти, как выяснилось в дальнейшем, являются зонами тектонических нарушений.
Вот теперь все встало на свои места. В самом деле, если стальная труба зажата как неподвижным грунтом, так и подвижным, пульсирующим, то она будет испытывать постоянные знакопеременные изгибные напряжения, что неизбежно закончится ее разрывом. Или если фундамент дома частично стоит на неподвижном грунте, а частично на пульсирующем, то разрушение такого фундамента неизбежно. Нетрудно заметить, что с ростом прочности фундамента и применением особых технологий количество внезапных разрушений отнюдь не уменьшается.
Одним словом, открытие планетарной пульсации плюс обнаруженные резонансные явления поставили крест на нашей уверенности в прочности и незыблемости земной толщи. А ведь это ставит под сомнение надежность многих и многих сооружений, определяющих уровень нашей цивилизации. Для примера, вспомним Чернобыльскую аварию.
Что именно привело к аварии на Чернобыльской АЭС, сказать нельзя, так как все существующие источники информации расходятся в своих показаниях. Но одно известно точно - это возникновение подземного толчка, характерного для землетрясения, за 20 секунд до взрыва реактора. Нельзя забывать, что ЧАЭС находится в несейсмоактивной зоне.
Тогда получается следующее. При изменении режима работы 4-го блока ЧАЭС частота вибрации турбины приблизилась к резонансной, и произошел горный удар, который и зафиксировали сейсмологи. Мгновенное, взрывоподобное разрушение грунта и фундамента, на котором стоял генератор, и привело к самой аварии с реактором, которая и произошла спустя малый промежуток времени после горного удара. Но на этом история не закончилась. Разрушенный в результате аварии 4-й блок был изолирован саркофагом, который по прочности не имеет себе равных сооружений на Земле. Однако этот саркофаг не только аномально быстро погружается в грунт, но при этом весьма интенсивно разрушается. Понятно, что разрушается он в результате воздействия на него планетарной пульсации. Не сомневаюсь, что и при работе 4-й блок имел много неприятностей от планетарной пульсации, но такие вещи принято скрывать.
Таким образом, в ЗТН имеет место подвижность двух видов. Одна, резонансная, касается только тех объектов, которые оказывают на грунт динамическое воздействие, а другая, существенно более низкочастотная, воздействует на все сооружения, оказавшиеся в ЗТН.
Что же касается планетарной пульсации, то здесь имеет место еще один немаловажный момент. Дело в том, что амплитуда этой пульсации, как оказалось, перед землетрясением начинает расти, и по достижении совершенно запредельных значений, завершается именно землетрясением. Без сомнения, это явление должно быть использовано при разработке подходов к прогнозированию землетрясений.
Изучая описанные эффекты в течение 10 лет и наблюдая за сообщениями о различных внезапных разрушениях, мы можем сказать с уверенностью, что на Земле ежедневно происходит множество техногенных катастроф различной степени тяжести именно по причине воздействия этих эффектов.
Да, так о новоселье. Это мы говорили все о недостатках Дома, в котором живем сейчас. Там, куда мы переедем, не будет техногенных катастроф, перестанут внезапно разрушаться дома и исчезнут те губительные на нас воздействия со стороны ЗТН, которые сегодня так нас достают. А что же для наступления такого благоденствия и благолепия нужно сделать? Да не так уж много. Нужно всего лишь выявлять ЗТН до того, как начинать возведение инженерных сооружений и подхватить те исследования свойств этих зон, которые сейчас только начаты.
- В целом по России в год происходит порядка 80 тысяч порывов нефте- и газо трубопроводов.
