Спектральная сейсморазведка - это тоже довольно просто
Гликман А.Г.
Санкт-Петербург
20 ноября 2007
В 2003 году я написал статью "Сейсморазведка - это очень просто". Там я рассказал, как получилось, что сейсморазведка - такая простая по своей идее - оказалась научным заблуждением. Видимо, статья оказалась достаточно интересной. Я сужу об этом потому, что она вот уже года 3 занимает в интернете первые места в рейтинге статей по сейсморазведке. Однако мне уже давно говорят, что не дело останавливаться на анализе ошибок. Нужно двигаться вперед, и пора бы уже написать в таком же духе позитивный материал по этой тематике. И вот что у меня получилось...
Все началось с того, что при проведении сейсмоизмерений в угольной шахте с помощью специально разработанной аппаратуры выяснилось, что реакция на удар по кровле подземной выработки имеет вид затухающей синусоиды.
Это нужно отнести к чрезвычайно маловероятным событиям, потому что здесь в одной точке сошлось множество случайностей. Для того, чтобы дать возможность оценить, насколько ничтожна была вероятность увидеть то, что мы увидели, нужно сначала сказать, для чего осуществлялся этот эксперимент.
Одна из важнейших задач горной науки - изыскать способ прогнозирования обрушения пород кровли в подземных выработках. Явление это очень грозное, и дает 50% травматизма подземных рабочих во всем Мире. Вот и возникла у моего (ныне покойного) шефа идея увязать вероятность обрушения пород кровли с ее трещиноватостью. Казалось логичным, что чем больше трещиноватость пород, тем больше вероятность ее обрушения. С другой стороны, трещиноватость, вроде бы, должна как-то увязываться с затуханием упругих колебаний в породах кровли. Ну действительно же, чем больше трещиноватость, тем больше должно быть затухание.
Предполагалось, что если излучать упругие волны в широком частотном диапазоне, то с увеличением трещиноватости пород должна особенно затухать высокочастотная часть диапазона. На рис.1, а и б приведены ожидаемые частотные зависимости затухания упругих волн.
Рис. 1
Так, согласно этой логике, если проводить измерения в подземной выработке, где трещиноватость пород кровли минимальна, и снимаемые показания соответствуют кривой a, то при переходе в выработку, характеризующаяся более трещиноватой кровлей, интенсивность I на высоких частотах должна уменьшиться, и мы получим кривую b.
Такова была первичная идея, для проверки которой и была разработана аппаратура. Аппаратура представляла собой генератор синусоидального напряжения с частотным диапазоном от 20Гц до 20кГц, излучатель и приемник - одинаковые пьезокерамические преобразователи, и широкополосный усилитель-вольтметр. С генератора сигнал поступал на излучатель, прижатый к кровле. Сигнал с приемного преобразователя, также прижатого к кровле на небольшом расстоянии от излучателя, регистрировался широкополосным усилителем-вольтметром.
Но жизнь опровергла наши предположения, и реальная зависимость при самом первом нашем измерении имела вид, подобный зависимости с.
Так вот, если зависимость с показать человеку, знакомому с теоретическими основами радиотехники и спросить его, что бы это значило, то ответ будет однозначным. Дело в том, что зависимость эта геометрически подобна резонансной характеристике колебательного контура. И любой человек, минимально знакомый с радиофизикой скажет, что кривая эта - либо частотная характеристика единичной колебательной системы, либо это спектральное изображение затухающей синусоиды, которая возникнет в результате импульсного (ударного) воздействия на эту же колебательную систему.
Если говорить строго, то синусоиду в ее временнóм изображении мы при этом, самом первом нашем измерении, не видели. Но получить такую спектральную зависимость - означает, что если бы воздействие на породный массив было ударным, то мы получили бы именно затухающую синусоиду. В дальнейшем, при следующем поколении аппаратурной реализации, так оно и было.
Как известно, получить синусоидальный затухающий сигнал возможно только при одном условии - если имеет место импульсное воздействие на колебательную систему. Другими средствами и методами получить такой сигнал невозможно. Понятно, что мне ничего не оставалось, как задаться вопросом - что в данном случае проявило свойство колебательной системы? Или, иначе говоря, резонатора.
Чтобы иметь хотя бы отправную точку для рассуждений, необходимо было знать строение пород кровли в зоне измерений. И вот здесь возникла первая помощь Его Величества Случая.
Как оказалось, через выработку, в которой проводились измерения, в непосредственной близости от места, где велись измерения, проходила разведочная скважина, пробуренная еще при проектировании этой шахты. Это была колоссальная удача, потому что других способов, кроме как с помощью бурения, определить строение породного массива невозможно. По материалам же скважины удалось выяснить, что породы непосредственной кровли в точке измерений были представлены двухметровым слоем песчаника.
Дальнейшее проделал бы любой другой человек, оказавшийся на моем месте. Я попытался увязать частоту f0 (см. рис.1) с толщиной породного слоя h, в котором осуществлялись измерения. Понятно, что если этот породный слой сработал действительно как резонатор, то толщина (или, как говорят геологи, мощность) слоя-резонатора должна быть как-то связана с длиной волны . Если допустить, что толщина слоя равна длине волны1, получаем:
= h = V / f0 (1)
Мощность породного слоя в точке измерений составляла, как следовало из документации разведочной скважины, 2м, а частота f0 была равной 1,25кГц. То есть, выражение (1) становилось тождеством при величине скорости упругих волн V, равной 2500м/с. По сути, это оказалось первым спектрально-сейсморазведочным измерением, но мы этого тогда еще не поняли.
Ну, во-первых, нужно было осознать, является ли эта совокупность чисел случайным совпадением или она соответствует действительно существующей зависимости между мощностью породного слоя и частотой сигнала, формирующегося при ударном на него воздействии. Для этого необходимо было повторить эти измерения для других значений h. Вот тут-то и стало понятно, насколько трудно узнать величину мощности породного слоя, находящегося у нас над головой.
Далее, важнейшим вопросом было - что это за скорость такая V?! Я понял так, что это какой-то коэффициент, имеющий размерность скорости. И ожидал от него всяческих неожиданностей. Ведь согласно основам сейсморазведки, скорости распространения упругих колебаний, характеризующие различные породы, имеют очень большой разброс значений. Так что даже если зависимость типа (1) действительно имеет место, то применить ее к различным породам без знания скорости в них нельзя. А вот откуда получать информацию о величине скорости - непонятно.
И вот, о Чудо! Трехлетние работы, которые заключались в том, что измерения, подобные описанным, осуществлялись в различных угледобывающих регионах на территории СССР, показали следующее:
Зависимость (1) устойчиво соответствует результатам измерений, выполняемых при исследовании объектов из подавляющего большинства твердых сред. Включая и горные породы.
Коэффициент V для горных пород имеет величину, отличающуюся не более чем на ±10% от 2500м/с. То есть, для всех горных пород использование значения V =2500м/с дает погрешность измерений, не превышающую ±10%. И только спустя несколько лет после этого, обнаружив эффект акустического резонансного поглощения (АРП) [1], удалось понять, что V - это не что иное как скорость поперечных волн (Vsh). А метод спектрально-акустических измерений оказался первым и пока единственным способом метрологически корректного определения этой скорости.
И, наконец, третье, которое заключается в том, что использование спектрально-сейсморазведочных измерений позволяет получать информацию о строении пород кровли без бурения(!!!). Это замечательный результат! Получать строение земной толщи без бурения еще никому не удавалось. Таким образом, можно сказать, что мы нашли ключик к прогнозу обрушения пород кровли.
Строго говоря, с помощью спектральной сейсморазведки мы не определяем строения породной толщи. Давая мощности породных слоев, мы не можем определять их вещественный состав. Но применительно к прогнозированию устойчивости кровли подземной выработки, это и не нужно. Не имеет ведь значения, что именно упадет на голову - известняк или песчаник. Важно оценить вероятность этого события. А это с появлением такого исследовательского аппарата стало не просто возможным, но элементарно простым.
Только-только возникнув, спектрально-сейсморазведочные измерения стали инструментом, с помощью которого оказалось возможным решать задачи, очень далекие от собственно сейсморазведки. Так, оказалось, что вероятность обрушения пород кровли связана не с изменением трещиноватости пород кровли, а с процессами расслоения в принципиально слоистых породах угленосной толщи. Ведь очень существенный момент - идет расслоение между находящимся над головой породным слоем и вышележащей толщей или нет.
И вот еще один момент, по поводу которого следовало благодарить Случай. Породы угленосной толщи - принципиально слоистая среда. И если бы в точке нашего первого измерения порода кровли была представлена мелкослоистой структурой (а это, как мы теперь понимаем, имеет место весьма часто), то зависимость затухания от частоты не имела бы ничего общего с кривой, показанной на рис.1с. И мне бы, разумеется, не пришло в голову искать какие-то зависимости между частотами и толщинами породных слоев.
Известно, что исследовательский метод, в основе которого лежит новый физический эффект, неизбежно становится источником принципиально новой информации. В спектральной сейсморазведке новым, прежде всего, оказался характер выявляемых этим методом границ.
Границей, выявляемой с помощью поля упругих колебаний, всегда считалась поверхность, разделяющая две среды, различающиеся значениями акустического импеданса R, который равен произведению плотности ρ на скорость распространения упругих волн V. И, таким образом, если значения R по обе стороны границы между объектами из различных материалов одинаковы, то считалось, что с помощью поля упругих колебаний такую границу выявить нельзя.
Границы, выявляемые спектрально-акустическими измерениями, имеют совершенно иной характер. Спектрально-акустические измерения позволяют выявлять поверхности, по которым возможно взаимное проскальзывание соседствующих материалов. Иными словами, этим методом выявляются микротрещины.
Микротрещины, зоны аномальной микротрещиноватости - это все объекты, которые никогда раньше никакой аппаратурой не могли быть определены. Наличие трещиноватости обычно выявляется уже после разрушения, ретроспективно. Здесь же оказалось возможным на основании измерений микротрещиноватости прогнозировать обрушение пород кровли в угольных шахтах. Этим мы занимались 15 лет в шахтах всех угольных регионов СССР, и, в результате, добились того, что на шахтах, которые пользовались нашей аппаратурой, внезапного обрушения пород кровли быть просто не могло.
Уже одно это достижение оправдало бы существование метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). Однако это было только начало...
Если в условиях угольных шахт выявляемые нами границы соответствовали процессам расслоения пород, то при работе с дневной поверхности метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) позволяет выявлять границы, возникшие в результате подвижек в земной толще. Но об этом позже.
Многие известные физические эффекты не имеют своего объяснения, и дать это объяснение, пожалуй, не менее важно, чем открыть сам эффект. Иногда, обнаружив какой-нибудь новый эффект, уже не надеешься, что хватит жизни, чтобы его понять. Но вдруг и поймешь. Так произошло, например, когда удалось найти механизм, ответственный за формирование колебательных систем, регистрируемых при эксплуатации метода ССП.
Вот уж воистину, чем проще вопрос, тем сложнее ответ. А в самом деле, с какой стати плоскопараллельная структура из однородной монолитной твердой среды проявляет резонансные свойства?! Не трудно доказать, что этого просто не может быть. Причем доказать экспериментально. Если взять модель из оргстекла, то никаких резонансных свойств и не будет. При ударном воздействии на модель из оргстекла прекрасно видно распространение и отражение от стенок первичного импульса, и никаких резонансных явлений там не наблюдается. Сигнал, возникающий в результате многократного переотражения короткого зондирующего импульса, не есть синусоида.
Так почему же в объектах из стекла, металлов, керамики, горных пород - первичного импульса не видно, а при ударном на них воздействии возникают гармонические (синусоидальные) затухающие сигналы?! Много же крови мне попортил этот эффект. Даже не могу себе представить дальнейшую судьбу спектрально-акустического направления, если бы не удалось разгадать эту загадку.
Чем только ни пытались объяснить различие резонансных свойств оргстекла и, скажем, стекла! Почему-то первое, что всем приходило в голову - это различие в затухании в этих средах. Но нет! Специальные измерения показали, что во всех перечисленных средах затухание пренебрежимо мало.
Помог... удар по голове. Я полагаю, что история с яблоком, которое поразило Ньютона в момент острых раздумий, имеет реальную основу. Известно, что иной виртуальный удар может оказаться не менее действенным, чем реальный. Дело было так.
Году в 81-м, после серии удачных прогнозов обрушения пород кровли в угольных шахтах пришел момент, когда нужно было передавать нашу аппаратуру в пользование шахтным геологам. И тут возникла совершенно неожиданная проблема. Можно ли передавать в эксплуатацию прибор, назначение которого - повышение безопасности труда, если работа его основана на эффекте, существование которого, вообще говоря, в высшей степени сомнительно? А если в некий момент аппаратура сработает "по науке", то по результатам измерений может быть принято решение, не повышающее безопасность труда, а наоборот, снижающее его?
В общем, встал вопрос ребром: или я нахожу механизм преобразования ударного воздействия в гармонический сигнал - или все наши наработки будут ждать своего часа, когда этот механизм найдет кто-нибудь другой. Это был сильнейший стресс. Физика воздействия стресса мне не известна, но условия преобразования удара в синусоиду вдруг как-то проявились.
С тех пор логику этого, оказавшегося простейшим, решения я с удовольствием рассказываю студентам, да и на подходящих по теме семинарах. И, надо сказать, что немало людей разгадывает эту загадку еще до завершения повествования.
Да, действительно, в оргстекле собственные колебания не возникают, а в стекле - возникают. Но ведь это свидетельствует о том, что оргстекло является не только по вещественному составу, но и по акустическим свойствам, материалом однородным. А стекло, значит, таковым не является... То есть, будучи по вещественному составу материалом однородным, оно имеет какие-то акустические неоднородности. О каких акустических неоднородностях может идти речь? К какому вообще акустическому параметру кроме скорости распространения упругих колебаний мы можем апеллировать? Но может ли быть, чтобы в объекте, скажем, из стекла скорость распространения фронта упругих колебаний (Vфр) в различных участках стеклянного объекта была бы неодинакова?
Не скрою, заставить себя проверить эту сногсшибательную гипотезу было крайне трудно. Уверенность в том, что скорость в однородных средах есть величина постоянная, думаю, заложена в нас генетически. Это, как бы, аксиома. Однако, как отметил еще Лобачевский, аксиома - это не то, что не требует доказательства, а такое утверждение, которое при абсолютной своей очевидности, доказать не представляется возможным. Здесь именно тот самый случай. Постоянство скорости Vфр в подавляющем большинстве твердых сред (оргстекло - одно из весьма немногих исключений) - экспериментально доказать невозможно.
В конце концов, если гипотеза возникла, она должна быть проверена. Что мы здесь теряем? Если она окажется несостоятельной, ну так мы с еще большей уверенностью будем утверждать, что скорость в однородных по вещественному составу материалах постоянна и одинакова во всех точках.
В самом деле, если скорость Vфр постоянна, то, определяя ее для образцов, имеющих различные размеры, получим величину постоянную и независящую от их размеров. Если же эта скорость внутри образца не всюду одинакова, то определяемая величина будет зависеть от их размеров.
На рис.2 приведены зависимости скорости, усредненные по толщине пластин Vфр.ср., определяемые при сквозном их прозвучивании пластин из стекла (a) и оргстекла (b), от их толщины h.
Рис. 2
Возрастание средней по толщине пластины скорости распространения фронта в стеклянных пластинах означает, что при сквозном прозвучивании пластин-резонаторов, вблизи от границ скорость распространения фронта упругих колебаний Vфр уменьшается. Специальные исследования [2] показали, что характер этого изменения геометрически подобен показанному кривой а на рис.3.
Рис. 3
Поразительный результат! Опротестовать корректность этих измерений нельзя, так как в пластинах из оргстекла (в слоях-нерезонаторах) скорость от толщины не зависит.
Честно признаюсь, я делал все что мог, чтобы опровергнуть эти результаты. И даже имея неопровержимые экспериментальные доказательства, я не мог с ними смириться. Два года я уменьшал погрешность измерений установки, но чем точнее были измерения, тем явственнее подтверждался этот эффект.
Но осознать это наличие приповерхностных зон h, в которых скорость фронта плавно уменьшается по мере приближения фронта к границе, я не мог до тех пор, пока не научился создавать эти зоны искусственно, и тогда слой-нерезонатор становился слоем-резонатором. Это касается как твердых сред группы оргстекла, так и жидкостей и газов.
Так сложилось, что традиционная и спектральная сейсморазведки оказались в крайних позициях. Традиционная сейсморазведка имеет мощнейшую математическую основу и ни одного экспериментального подтверждения, а спектральная - вся построена на реальных, экспериментально наблюдаемых физических эффектах, и при этом не имеет никакого математического обеспечения. Вся аналитическая основа ее построена на аналогиях с электрическими колебательными системами.
Так же произошло и с изучением зон h. Дальнейшее изучение их показало, что наличие этих зон у плоскопараллельной структуры эквивалентно наличию конденсатора и индуктивности в электрической цепи. В обоих случаях, это приводит к тому, что возникает колебательная система.
Вот этот, вроде бы и не очень значительный физический эффект неожиданно привел к глобальным последствиям. В самом деле, если земная толща сложена породными слоями, каждый из которых представляет собой колебательную систему, то в целом, земная толща по акустическим свойствам является не совокупностью отражающих границ, как мы раньше предполагали, а совокупностью колебательных систем. Это переводит в новый, резонансный аспект все процессы, происходящие в земной толще. И уж во всяком случае, переход от традиционной, лучевой сейсморазведки к сейсморазведке спектральной представляется естественным, логичным, и просто неизбежным.
Горные породы, как правило, переходят одна в другую плавно, и следовательно, учитывая специфику границ, выявляемых с помощью ССП, следует предполагать, что слоистость земной толщи на ССП-разрезах проявляться должна только в тех редких случаях, когда соседствующие породы не прилипают друг к другу. И так оно и есть. Выявляются границы между терригенными и карбонатными породами, а также между кристаллическими и осадочными породами.
Однако, как оказалось, границы начинают прорисовываться также и в тех случаях, когда в результате разрывных нарушений в кристаллических породах возникают подвижки, и породные слои начинают терять свою опору, изгибаться и провисать.
Именно такие процессы происходят в зонах тектонических нарушений (ЗТН). Как показывает опыт, при пересечении ЗТН на ССП-разрезах прорисовываются специфические воронкообразные (V-образные) объекты или отдельные образующие таких объектов. На рис.4 приведен случай, когда при спектрально-сейсморазведочном профилировании с шагом 2м на участке профиля 50-70м прорисовался воронкообразный объект.
Рис. 4
В принципе, выявив столь конкретный объект как ЗТН, спектральная сейсморазведка выполнила свои функции. Однако, как это следует из общеметодологических принципов, исследовательский метод, основанный на новом принципе, является источником принципиально новой информации. И в данном случае, получив инструмент для выявления ЗТН, мы обнаружили такое количество новых, неизвестных раньше свойств этого геологического объекта, что не рассказать о них просто невозможно.
В пределах зоны тектонического нарушения имеют место следующие эффекты и явления:
Горные породы на всю толщу осадочного чехла находятся в настолько нарушенном, трещиноватом состоянии, что для этого материала пришлось ввести понятие твердой жидкости. Появление этого термина обязано тому, что в горных породах в ЗТН работает закон Архимеда. Снижение несущей способности грунта в этих зонах происходит уже после проведения строительных работ, и внезапное разрушение домов, оказавшихся там, происходит иногда спустя годы после их строительства.
Средствами космической геодезии в ЗТН обнаружена планетарная пульсация. Амплитуда ее в спокойных, несейсмоопасных регионах может достигать 10 см. Она является одним из следствий того, что планета Земля представляет собой совокупность колебательных систем. В сейсмоопасных районах амплитуда пульсации может возрастать, достигая значений, при которых происходят разрушения и нарушение сплошности земного покрова, что в совокупности носит название землетрясения.
Наличие планетарной пульсации приводит к тому, что сооружения, возводимые в ЗТН, не только погружаются в грунт вследствие его пониженной несущей способности, но и разрушаются. Рвутся кирпичные кладки даже самых незначительных сооружений; разрушаются трубопроводы, рельсовые и шоссейные магистрали; разрушаются фундаменты типа плавающего основания, на которые сейчас возлагаются особые надежды, чтобы сократить аварийность жилья; разрушаются разного рода подземные сооружения, захоронения и саркофаги (как, например, над 4-м блоком ЧАЭС).
На самом деле, свойств ЗТН существенно больше [3], и многие из них как раз и являются следствиями того, что по акустическим свойствам земная толща представляет собой совокупность колебательных систем. С этих позиций, спектральная сейсморазведка представляется вполне логичным геофизическим направлением. Понятно ведь, что если некий объект проявляет свойства колебательной системы, то и изучать следует именно его колебательные, и в первую очередь, спектральные характеристики.
Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений. http://www.newgeophys.spb.ru/ru/article/tectonic/, а также опубликовано в журнале Жизнь и безопасность. N1-2, 2005, с. 213-241
. Если допустить, что толщина слоя равна длине волны
h, в которых скорость фронта плавно уменьшается по мере приближения фронта к границе, я не мог до тех пор, пока не научился создавать эти зоны искусственно, и тогда слой-нерезонатор становился слоем-резонатором. Это касается как твердых сред группы оргстекла, так и жидкостей и газов.
