3.2. Скорость звука при распространении вдоль слоя-резонатора

График 2 рис.1-5б иллюстрирует характер скорости распространения поля упругих колебаний вдоль слоя-резонатора. При больших значениях измерительной базы величина скорости звука вдоль слоя-резонатора V_fr→ примерно равна скорости, значение которой стоит в числителе выражения (1). При уменьшении расстояния от излучателя величина V_fr→ уменьшается.

В принципе, этот эффект давно известен. При проведении сейсморазведочных работ замечено, что на малых расстояниях от точки ударного (взрывного) воздействия скорость распространения фронта имеет небольшие значения. Объясняют это наличием приповерхностной зоны, которая в результате атмосферного воздействия обладает малыми значениями скорости распространения упругих колебаний. Это так называемая зона малых скоростей (ЗМС). Но вот мы видим то же самое и при исследовании слоев из безусловно однородных сред, когда приповерхностная разрушенность отсутствует.

На самом деле, график 2 рис.1-5б объясняется следующим образом.

Вдоль слоя-резонатора распространяется не сам акустический импульс, созданный ударным источником в точке i, а тот гармонический затухающий процесс, который возникает в этом слое-резонаторе. То есть, в результате ударного воздействия идут одновременно два процесса - формирование спектра собственных колебаний слоя-резонатора и распространение этих колебаний вдоль слоя-резонатора. Там, где идет распространение уже сформировавшегося процесса, скорость максимальна и равна скорости V_ph. Это тот случай, когда скорость распространения упругих волн вдоль слоя-резонатора по своей величине приближается к фазовой скорости.

Там, где идет изменение спектра по длине пути, скорость распространения снижается. Максимальное изменение спектра происходит вблизи точки ударного воздействия, и поэтому скорость там минимальна. Там, где толщина слоя-резонатора изменяется (местное утолщение или утоньшение), спектр изменяется, и скорость также уменьшается.

Распространяющийся вдоль слоя-резонатора упругий гармонический процесс достигает его границы, отражается от нее и идет обратно. Однако в зоне этой границы также идет преобразование спектра, а стало быть, и там происходит замедление. Таким образом, измеряемая величина скорости распространения звука вдоль слоя-резонатора всегда оказывается несколько меньше, чем скорость V_ph.

Границей слоя-резонатора в земной толще (в слоистом осадочном чехле) может оказаться разрывное (тектоническое) нарушение. И таким образом, оказалось возможным осуществлять эхо-локацию зон тектонических нарушений. В том числе, и непосредственно в условиях угольных шахт. В этом случае, как показал опыт, вполне приемлемые результаты будут, если принять значение скорости распространения упругих волн вдоль породного (кровли или почвы) слоя равным 2000м/с.

И, наконец, важнейший для традиционной сейсморазведки момент - вопрос о том, какой конкретный тип упругих колебаний проявляется при регистрации сейсмосигнала. Споры о том, какой именно тип упругих колебаний сформировал эхо-сигнал - непрерывны и не имеют своего метрологически оправданного обоснования.

Как показали наши эксперименты, все сейсмосигналы имеют вид гармонических затухающих процессов. Преобразование их к гармоническому виду происходит, как было показано выше, только в том случае, если они обусловлены наличием слоев-резонаторов. Отсюда делаем вывод, что все сейсмосигналы обусловлены упругими процессами, обусловленными наличием структур-резонаторов.

Приведенный выше анализ можно свести к следующим пунктам:

При ударном воздействии на земную толщу сам зондирующий импульс отсутствует уже непосредственно в зоне удара, поскольку преобразуется в совокупность гармонических затухающих процессов.
Преобразование ударного воздействия в гармонические затухающие процессы происходит в находящихся в зоне удара породных слоях, которые, кроме того, что являются резонаторами, преобразующими исходное поле в поперечные волны, выполняют роль направляющих структур.
Упругие колебания распространяются не вниз, перпендикулярно дневной поверхности, как было принято считать до сих пор, а в направлениях, соответствующих характеру залегания направляющих породных структур-резонаторов. В большинстве случаев, залегание направляющих структур субгоризонтально, и поэтому вертикальная составляющая вектора направления распространения поля упругих колебаний обычно отсутствует;
Сейсмосигналы гармонического характера формируются мнимой частью поля упругих колебаний или, пользуясь традиционной терминологией, поперечными волнами. Вопрос, распространяются ли в земной толще другие типы волн, может возникнуть, если обнаружится негармонический сейсмосигнал;
Скорость распространения упругих колебаний V вдоль направляющих структур имеет значение несколько меньшее, чем V_ph. Значение V тем ближе к V_ph, чем протяженнее направляющая структура, так как в зоне ударного воздействия, а также вблизи границ структуры величина скорости распространения V уменьшается. Это обусловлено процессами, связанными с преобразованием спектра в этих зонах;
Дойдя до границы направляющей структуры (наличие которой может быть обусловлено тектоническим нарушением), упругие колебания отражаются от этой границы и возвращаются в зону ударного воздействия в виде эхо-сигнала