К сорокалетию открытия упругих колебательных систем

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
12 декабря 2017, Санкт-Петербург

40 лет - срок достаточный, чтобы понять, что из этого получилось. Как так вышло, что, в общем-то, в некотором смысле периферийная область знания - акустика - за 40 лет позволила мне сделать столько открытий? И, главное, что теперь с этим делать? Признать получившуюся область знания невозможно. Такие подвиги допустимы только для докторов наук, да и то при специальном разрешении. А я даже не кандидат. Но и возникшее новое знание обратно не раскатаешь.

В 1973 году, буквально сразу после получения диплома по специальности «общая радиотехника» сложилось так, что я должен был начать читать курс шахтной геофизики для студентов 5-го курса ЛГИ специальности «горный инженер-физик». В угольных шахтах из геофизики используется практически только сейсморазведка. Так что предстоящий мне для чтения материал - это в основном сейсморазведка. Объем курса - всего семестр. К этому моменту я имел 6 лет работы на кораблях Северного флота с гидроакустическими устройствами. Ремонт и настройка. И 5 лет общения с радиотехническими устройствами очень широкого диапазона. От усилителей низкой частоты до СВЧ-техники в лабораториях кафедры радиоэлектроники ЛГИ. Опыт, в общем, не маленький. Поэтому, когда штатный преподаватель стал уговаривать меня взять этот курс всего на семестр, чтобы выручить его, я решил, что справлюсь.

В тот момент у меня начались «романтические отношения» с разделом философии «методология развития научного познания». Разумеется, я тогда не представлял себе, что это не просто увлечение, а роман на всю жизнь, и что для меня эти знания окажутся чуть ли не самыми главными.

Занявшись этим своим курсом, я обратил внимание на то, что в лаборатории не было ни одной лабораторной работы по сейсморазведке. С точки зрения методологии недопустимо, чтобы раздел физики читался без лабораторных работ. Физика - это совокупность физических эффектов, и каждый физический эффект обязательно является основой соответствующего исследовательского метода. Или, иначе. Любой исследовательский метод обязательно имеет в своей основе определенный физический эффект. Рассказывая теорию у доски, необходимо дать студентам возможность потрогать своими руками основополагающие эффекты в лаборатории.

В течение первых трех лет моей преподавательской работы мне не удалось поставить ни одной лабораторной работы, подтверждающей какой-либо физический эффект, лежащий в основе сейсморазведки. Я, естественно, во всем винил свое неумение, и  обратился за помощью к главному сейсморазведчику ЛГИ, заведующему кафедрой геофизики, Литвиненко Игорю Васильевичу (ныне покойному). Он сказал мне, что у них тоже нет ни одной такой лабораторной работы, но поскольку сейсморазведка - это слишком просто, то нужды в такой лабораторной работе нет. На мое замечание (взятое из методологии), что в физике нет ни одного утверждения, не требующего экспериментального доказательства, он не сказал ничего. Я еще не знал тогда, что за всю историю существования сейсморазведки (тогда это составляло 70 лет) не было ни одного случая, чтобы сейсморазрез совпадал с разрезом земной толщи, полученным с помощью бурения. А также того, что ни один сейсморазведчик Мира не согласится делать свои измерения, не имея разреза, полученного бурением.

Я тогда еще не знал, что ни одно положение сейсморазведки не может быть доказано экспериментально... То есть, с позиций методологии, сейсморазведка и поле упругих колебаний - это не область знания, а область незнания.

Курс же остался за мной, и я его читал до 1993-го года.

Законы распространения, преломления и отражения поля упругих колебаний аналогичны подобным законам распространения света, но экспериментально они подтверждались только для оргстекла. В стекле, металлах и сплавах, а также в горных породах эти законы подтвердить экспериментально было нельзя. Земля-то ведь состоит не из оргстекла... И это было причиной моих мучений.

Но, наконец, пришел столь важный для меня 1977-й год, когда я по заданию моего научного руководителя разработал акустическую аппаратуру для определения затухания поля упругих колебаний в породах кровли угольного пласта с тем, чтобы попытаться найти критерий устойчивости кровли.

При проведении исследовательских работ по определению частотной зависимости затухания поля упругих колебаний в породном слое, залегающем над угольным пластом (и над головами шахтеров), было обнаружено, что этот породный слой проявляет свойства колебательной системы. То есть, была обнаружена неизвестная ранее колебательная система - упругая (акустическая) колебательная система (УКС).

Колебательная система - это объект, который на ударное воздействие реагирует возникновением затухающего синусоидального (гармонического) сигнала. С другой стороны, синусоидальный сигнал может быть создан только с помощью колебательной системы, и это единственный сигнал, который не может быть получен с помощью интерференции. В соответствии с положениями методологии развития научного познания, в результате обнаружения нового физического эффекта, свойства или явления всегда возникают новые исследовательские методы и инструменты, с помощью которых возможно получение принципиально новой информации, которую нельзя получить с помощью каких-либо других методов.

В данном случае было экспериментально доказано и осознано, что земная толща и вся наша (и любая другая) планета в целом по акустическим характеристикам представляет собой не совокупность отражающих границ (что всегда утверждала сейсморазведка и что является ее основой), а совокупность упругих колебательных систем. Это открытие повлекло за собой появление новых исследовательских методов, новых возможностей в прогнозировании техногенных катастроф и в поисках ряда полезных ископаемых.

Наука о колебательных системах пережила свой звездный час в 70-х годах XIX века, когда лорд Кельвин открыл электрическую колебательную систему - колебательный контур. Электрические колебательные системы обладают всеми признаками колебательных систем. На ударное воздействие (коротким электрическим импульсом) они реагируют затухающим синусоидальным сигналом. Частота этой синусоиды f₀ следующим образом зависит от величин емкости C и индуктивности L, составляющих колебательный контур:

При воздействии на колебательный контур переменным электрическим напряжением с частотой, равной собственной частоте колебательного контура, возникает резонансный процесс, и это на заре применения переменного электрического напряжения привело к множеству пожаров. Понятно, что когда электрическое напряжение ни с того ни с сего возрастает в 100 и более раз, возгорание неизбежно. Открытие электрических колебательных систем привело к возникновению электродинамики и, как следствие, возникло радио, телевидение etc.

Спустя примерно 100 лет после этого пришло время для открытия еще одного типа колебательных систем - упругих колебательных систем (УКС), что и произошло в 1977 году, в ходе определения частотной зависимости затухания поля упругих колебаний в породах кровли, когда было обнаружено, что породный слой (в том случае это был песчаник) проявляет свойства упругой колебательной системы (УКС) [1]. Вот тогда-то и стало понятно, почему в лаборатории мне не удалось поставить лабораторную работу, иллюстрирующую принцип сейсморазведки. Пытаясь исследовать образцы горных пород, я не учитывал их колебательных свойств. Я просто тогда не подозревал об этих свойствах...

Далее, было обнаружено, что собственная частота этой колебательной системы f₀ жестко связана с толщиной (геологи говорят - мощностью) h породного слоя следующим соотношением:

h = k / f₀ или f₀ = k / h      (1),

где k - коэффициент, равный 2500м/с.

Выражение (1) имеет огромное информационное значение, поскольку с его помощью можно, измерив значение частоты f₀ сигнала, возникающего в результате удара по кровле, получить значение мощности породного слоя. Или, если структура пород кровли мелкослоистая, то частот будет несколько, и в результате спектрального анализа сигнала, мы получим информацию о мощностях всех тех слоев, которые находятся над головами шахтеров. А это уже ключевая информация для прогнозирования устойчивости кровли.

То есть, можно сказать, что обнаружение колебательных свойств породных слоев сразу же породило новое научное направление - науку о прогнозировании устойчивости пород кровли в подземных выработках. Это очень важное направление, так как не проходит месяца, чтобы где-нибудь на Земле (вернее, под землей) по причине обрушения пород кровли не погибали шахтеры.

Но при этом возникла некая неувязка, которая не давала нормально развиваться этому направлению. Дело в том, что единый для всех горных пород коэффициент k, равный 2500м/с оказался изрядной «костью в горле». Согласно представлениям сейсморазведки и горной науки, диапазон скоростей, характеризующих горные породы, очень велик. Для иллюстрации этого приведу одну строчку из справочника характеристик горных пород под редакцией Н.Б. Дортман: «Скорость продольных упругих волн в песчанике в зависимости от месторождения может иметь значение от 1900 до 7000м/с».

Это только для одной породы и только для одного типа волн. А у нас в результате экспериментальных исследований получилось, что для любой породы с погрешностью, не превышающей 10%, скорость равна 2500м/с. Что это за скорость? Для того, чтобы мне не срывали доклады и не возвращали статьи, я несколько лет скрывал, как мог, что размерность k - м/с. Вот коэффициент и всё. Слава Богу, что горняки и геофизики очень любят всяческие коэффициенты...

И только совсем недавно удалось понять и доказать, что метрологически корректно можно определить только лишь скорость распространения фронта поля упругих колебаний методом регистрации момента первого вступления, и на образцах определенной формы эта скорость равна 5000м/с ±10% для всех горных пород. Коэффициент же k оказался равен половине этой скорости. И если это подставить в соотношение (1), то получится, что h есть не что иное как половина длины волны, что нормально для любой колебательной системы.

И никакой другой скорости как характеристики поля упругих колебаний в твердых, жидких и газообразных средах просто нет и быть не может, так как наличие продольных, поперечных и прочих волн зависит от параметров траекторий колеблющихся частиц, которые экспериментально определены быть не могут. А всё, что не может быть определено экспериментально, не находится в компетенции физики.

И пока мы разбирались с т.н. теоретиками, наша шахтная аппаратура исправно работала для прогнозирования устойчивости пород кровли в угольных шахтах на всех угольных месторождениях СССР. Это продолжалось 16 лет, с 1977-го по 1993-й год. Аппаратурой «Резонанс», которую удалось запустить в серию, были оборудованы примерно 200 шахт, и за всё это время на этих шахтах не было ни одного внезапного (т.е., неспрогнозированного) обрушения пород кровли и, собственно, гибели людей.

В начале этой практики оценки и прогнозирования устойчивости пород кровли были даже скандалы из-за того, что на основании наших измерений мы требовали дополнительных креплений кровли в некоторых местах подземных выработок (капитальных и подготовительных). Но после нескольких случаев, когда возведенные по нашим требованиям крепи спасали жизнь шахтерам, авторитет этой разработки стал непререкаемым.

В 1993-м году, по воле независящих от нас обстоятельств мы покинули ЛГИ и, естественно, потеряли возможность работать в шахтах. Собственный экземпляр аппаратуры «Резонанс» у нас остался, но от использования ее на земной поверхности мы не ожидали ничего хорошего. Ведь на больших глубинах есть определенность в строении земной толщи. Одна порода сменяет другую, и границы между ними достаточно четкие, чтобы можно было определять их нашим методом. На небольших глубинах, как нам казалось, такой определенности быть не может.

Но тем не менее, мы решили сделать измерительный профиль вдоль петербургской улицы, называемой Торфяной дорогой. От Серафимовского кладбища до Богатырского проспекта. Это составляет примерно 1км. Шаг измерений был равен 5м.

На этом километре нам встретилось 4 примерно одинаковых объекта, которые на получившемся разрезе имели вид воронкообразных (V-образных) объектов. Я не могу здесь привести этот разрез, так как в начале девяностых годов шел переход от аналоговой аппаратуры к цифровой, применявшаяся нами аппаратура была частично аналоговой, а частично цифровой (запись сигналов шла на аналоговый портативный магнитофон, а оцифровка этих сигналов производилась затем в лаборатории), и качество графики было совершенно недопустимым на сегодняшний взгляд.

Если бы V-образный объект был всего один, то можно было бы сослаться на низкое качество аппаратуры, на случайность. Но 4 воронки - это уже требовало объяснения. Они на этом километровом профиле были распределены примерно равномерно, и, как оказалось, каждый из этих объектов находился в непосредственной близости к дому, на котором были визуально наблюдаемые признаки разрушения. Эти признаки - рвущие кирпичную кладку вертикальные трещины в стенах, косые трещины между углами оконных переплетов, следы обрушившейся облицовки, провалы в грунте около домов.

По мнению геологов, к которым мы обратились за консультацией, таких воронкообразных объектов в земной толще быть не может. Единственное сомнение у них вызвал тот факт, что в результате радоновой съемки по этому же профилю оказалось, что над каждой из этих воронок был сильно повышен уровень радона, что является признаком того, что выявленные объекты принадлежат зонам тектонических нарушений.

Тогда же мы предположили, что выявленные объекты могут служить прогностическими факторами разрушения инженерных сооружений. Начиная с этого момента мы начали систематические исследования грунта около сооружений, имеющих признаки разрушений. При этом мы ускорили переход нашей аппаратуры на цифровой уровень обработки сигналов, метод назвали спектрально-сейсморазведочным профилированием (ССП), а аппаратуру назвали аппаратурой ССП. На рис.1 показан пример ССП-разреза, пересекающего зону тектонического нарушения.

На этом разрезе изображены два типа зон тектонических нарушений. Симметричная воронка (3-9м) и одна образующая воронки (24-29м). Эти два типа зон тектонических нарушений называют разрывными и сдвиговыми.

Если под домом находится разрывное нарушение, то длительность эксплуатации этого дома может ощутимо уменьшиться относительно запроектированного. А если сдвиговое - то разрушение может начаться уже во время строительства.

Рис. 1

Изучая литературу из области строительной науки, мы обнаружили там очень интересную проблему. Как оказалось, начиная с XIX века строители вели поиски геологического объекта, наличие которого было причиной разрушения инженерных сооружений. Было замечено, что время от времени происходит внезапное и ничем не мотивированное разрушение инженерных сооружений. Домов, дорог, трубопроводов, мостов, насосных станций, электростанций и т.д. и т.п. Было замечено, что если объект так вот разрушается, то, если его снести и на том же месте построить новый объект, то он тоже будет разрушаться. Из этого было сделано заключение о том, что причиной этого должен быть какой-то геологический объект.

Во всем Мире, начиная с начала XIX века начались поиски этого объекта. В связи с этим возникла область знания, которую назвали сначала подповерхностной геологией, а затем - инженерной геологией. Почему подповерхностной? Потому что строители считают, что виновником разрушения может быть какой-то геологический объект, находящийся на очень малой (не глубже 10м) глубине.

Идея инженерной геологии заключалась в том, что перед строительством любого более или менее значительного объекта площадь, которую он будет занимать, обуривали некоторым количеством скважин (керновое бурение) десятиметровой глубины. А затем, если сооружение разрушалось, то его сносили и повторно бурили в тех же местах, чтобы установить причину разрушения. Но после 150 лет таких работ пришли к тому, что это бессмысленно. В результате, во всем Мире отказались от этой затеи. За исключением России. Но это, увы, не потому, что надеялись всё-таки найти причину разрушения, а из соображений бизнеса, построенного на техногенных катастрофах. Но это относится к нам лишь постольку, поскольку инженерная геология оказалась никак не заинтересованной в прогнозировании разрушений инженерных сооружений. Так что в дальнейшем мы стали этим заниматься самостоятельно путем выявления зон тектонических нарушений (ЗТН) и изучения их влияния на различные сооружения.

Сейчас можно сказать со всей уверенностью, что ЗТН - это те геологические объекты, которые являются причиной техногенных катастроф.

Как и в случае любой колебательной системы, наличие упругих колебательных систем предполагает возникновение резонансных явлений. Резонансные явления возникают при наличии упругих колебательных систем, когда на эти колебательные системы воздействуют вибрирующими механизмами. Возникающие при этом техногенные катастрофы проявляются в виде внезапных провалов грунта, а также разрушениями инженерных сооружений и фундаментов, на которых крепятся вибрирующие устройства (генераторы, насосы и проч.).

Большая вероятность резонансных явлений привела к тому, что все вибрирующие при работе устройства оказались в группе риска. Техногенные катастрофы, возникающие в результате резонансных разрушений, по своей механике и принципу действия оказались явлениями, подобными землетрясениям. Техногенные землетрясения (типа того, что случилось на Саяно-Шушенской ГЭС) являются более опасными, чем природные, потому что природные землетрясения зачастую бьют по территориям малонаселенным и вовсе ненаселенным, по акваториям, тогда как техногенные - всегда бьют по электростанциям, насосным станциям, железнодорожным коммуникациям...

Как оказалось, ЗТН обладают множеством совершенно неожиданных и очень важных свойств. Одно из них (открытое в 1997-ом году) заключается в том, что при бурении в центр ЗТН или постановке там колодца можно получать родниковую воду. Нам удалось подтвердить гипотезу известного геолога В.Н. Ларина [2] и определиться с происхождением воды на Земле. А кроме того, разобраться с происхождением ЗТН.

Согласно этой гипотезе, ядро Земли в значительной степени состоит из водорода.

В результате огромного давления и очень высокой температуры в ядре поддерживаются условия, при которых находящийся в околоядерном пространстве водород и кислород постоянно синтезируют воду. Постоянно протекающая в ядре реакция ядерного распада и синтеза происходит с увеличением давления, что время от времени приводит к образованию трещин в коре Земли. Выход через эти трещины материала ядра позволяет снижать это давление. Этот материал - вода, синтезированная в околоядерном пространстве и глубинные газы.

Поиск воды, который осуществляется сейчас геофизическими отрядами, оснащенными аппаратурой ССП, является ощутимым подспорьем в решении задачи снабжения водой.

Процесс трещинообразования проявляется характерной пульсацией, которая носит название планетарной. Как выяснилось, эта пульсация, собственно, и разрушает инженерные сооружения. Теперь, когда строители знают механизмы разрушения инженерных сооружений, они могут применять технологии, снижающие риск разрушения.

На поверхности Земли  трещины избыточного внутриядерного давления (то есть, ЗТН) на ССП-разрезах выглядят воронкообразными объектами.

Таким образом, получается, что ЗТН не могут характеризоваться глубинностью. Обнаружив воронкообразные объекты даже в приповерхностной зоне, мы можем их экстраполировать на любую глубину. Эти планетарные трещины строго вертикальны, что позволяет с большой точностью определять зоны осложнений горнотехнических условий в шахтах, даже если сами воронки прослеживаются на небольшую глубину.

Так, хромитовые месторождения в Хромтау (Казахстан) добывают на глубине 700м, а ССП-разрезы можно получать только до глубины 50м, поскольку породы там не осадочные, а скальные. И тем не менее, экстраполяция этих измерений на глубину 700м дает очень точную информацию (с точностью до шага измерений) о наличии осложнений горнотехнической ситуации.

Как мы недавно узнали, разрабатывающие в Хромтау месторождения хромитов англичане и немцы тоже ни одного метра проходки не делают без информации, получаемой с помощью аппаратуры ССП.

В пределах планетарных трещин горные породы имеют повышенную нарушенность, и в осадочных породах это проявляется увеличением расслоений. Это как раз то, что мы наблюдали в угольных шахтах еще при работе с аппаратурой «Резонанс», и совершенно справедливо определяли как свидетельство наличия зон повышенной вероятности обрушения пород кровли.

Из этого следует, что оценивать и прогнозировать устойчивость подземных выработок (на любой глубине) надежнее всего методом ССП с земной поверхности.

Из наиболее интересных находок нельзя не назвать эффект акустического резонансного поглощения (АРП). Этот эффект был обнаружен лет 30 назад, и его информационная емкость колоссальна.

При изучении этого эффекта обнаружено и доказано, что при ударном воздействии на земную поверхность возникающее поле упругих колебаний распространяется не во все стороны в пределах земной толщи, а в направлениях, строго параллельных земной поверхности. И поэтому, если при сейсмоработах приходит эхо-сигнал, то он приходит не снизу, а сбоку. Этим самым эффект АРП под корень рубит всю идею традиционной сейсморазведки.

На сайте www.newgeophys.spb.ru  в рубрике «книги по теме» висят три мои книги. Лет 20 назад я написал книгу «Физика и практика спектральной сейсморазведки». Лет 10 назад в этой книге обнаружилось много ошибок, противоречий и была получена новая информация, и я написал вторую книгу - «Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия», и года 3-4 назад - по той же причине была написана книга «Основы спектральной сейсморазведки». Вот эта последняя книга была издана еще и в бумажном варианте благодаря предложению издательство LAP LAMBERT Academic Publishing .

Но даже несмотря на это, издание бумажной книги - труд огромный. Вряд ли я еще когда-нибудь пойду на это. А эффективность интернетской книги выше, чем бумажной. Больше прочтений и реакций (в основном, на форуме). Каждый раз, когда книга появляется, я уверен, что всё, больше нового уже не будет. Но буквально через год начинается поток новой информации, вскрываются ошибки, и опять возникает необходимость новой книги.

Для того, чтобы узнать что-то новое, необходимо общение. Однако каждый новый физический эффект обязательно перечеркивает уже существующие знания (в том числе, и мои), и общение резко уменьшается. Люди всегда очень обижаются, когда кто-то перечеркивает их привычные представления, и не хотят даже обсуждать со мной что-либо. Когда я читал лекции, моим пробным камнем были студенты. У нас был уговор - останавливать меня, если им в моем повествовании кажется что-то нелогичным, неправильным или недоказанным экспериментально. В результате, материал лекций каждый год радикально изменялся, появлялись новые лабораторные работы...

В 2014-м году мне показалось, что опять необходимо написать книгу. Но было очень некогда. И я упаковал основные результаты в реферате [3], и потребность в новой книге вроде бы отодвинулась. Шаг был правильный, этот реферат вызвал большую реакцию, и книга пока что отложилась.

Ну, а уж сколько лет понадобится на то, чтобы эта научная разработка перешла в ранг повседневного производственного применения - это зависит не от меня...

Литература

1. Гликман А.Г. Другая акустика  2017
2. Ларин В.Н. Наша Земля (происхождение, состав, строение и развитие изначально гидридной Земли). М. «Агар» 2005, - 248 с., табл., ил.
3. Гликман А.Г. Поле упругих колебаний как раздел физики - физические эффекты, явления и свойства. Реферат.  2014