Статья: Так что же такое сейсморазведка?
Любой исследовательский, в том числе, и геофизический метод может оказаться эффективным только в том случае, если он основан на вполне конкретном физическом эффекте. И наоборот, если основой метода оказывается не физический, то есть, экспериментально наблюдаемый, а чисто умозрительный, мысленно сконструированный эффект, то развитие этого метода неизбежно будет идти в тупиковом направлении.
Иначе говоря, потенциальная способность геофизического метода находится в жесткой зависимости от того, насколько учитываются реальные свойства используемого физического поля.
Так сложилось, что самый представительный в геофизике метод - сейсморазведка - создавался без учета реальных свойств поля упругих колебаний в твердых средах, и в основе его оказался как раз такой вот, несуществующий эффект. Предложив в качестве модели сейсморазведки идею звуколокации в твердых средах, Пуассон предполагал, что ударное возбуждение порождает упругий (звуковой) импульс, который должен распространяться во все стороны в горных породах, и при этом отражаться от находящихся в земной толще границ в соответствии с законами геометрической оптики.
В начале ХХ века, то есть лет через 70 после того как Пуассон формализовал свою идею, начались эксперименты по осуществлению сейсморазведочных работ. И вот, начиная с этого момента, и вплоть до наших дней так и не удалось обнаружить ни распространения зондирующего импульса в земной толще, ни, тем более, его отражения, ни даже самого этого импульса.
Вместо ожидавшегося эхо-сигнала, который, как представляется, должен иметь такой же вид и такой же спектр, как и сам зондирующий импульс, сейсмосигнал с самого начала представлял собой длительный, медленно затухающий колебательный процесс неоправданно большой амплитуды. Длительный колебательный процесс наблюдается и в непосредственной близости от точки ударного воздействия, не позволяя увидеть сам зондирующий сигнал. Все это абсолютно не соответствовало математическому1 описанию всех процессов, которые, по представлениям ученых, должны были бы происходить при сейсморазведочных работах.
В обычной ситуации, когда результаты эксперимента не соответствуют первоначальной гипотезе, начинается научный поиск и выяснение причин несоответствия. В данном же случае, не считаясь с этими фактами несоответствия, математики (которые почему-то сами квалифицировали себя как физиков и сейсморазведчиков) объявили во всеуслышание, что получившаяся картина полностью совпадает с великим предвидением великого Пуассона. Более того, чуть ли не в самом начале ХХ века было заявлено, что акустика твердых сред и, главная часть ее, сейсморазведка, как наука, завершила свое развитие, поскольку любая ситуация может быть описана математически.
Это был очень странный шаг. Объявить о завершении познания в какой-либо области - это нонсенс, поскольку познание принципиально бесконечно. А что касается акустики твердых сред, то здесь подобное заявление и вообще должно было бы восприниматься, как минимум, с юмором. Ведь в этой области знания ни тогда, ни сейчас (сто лет спустя) нет ни одного фундаментального положения, которое могло бы быть предъявлено экспериментально. Не может быть доказано ни постоянство скорости распространения упругих волн в однородных средах, ни даже наличие тех или иных типов упругих колебаний...
В акустике твердых сред и по сей день не создан ни один датчик базисных параметров поля упругих колебаний. А это значит, что ни один из аргументов, входящих в уравнения, описывающие поле упругих колебаний, не может быть определен экспериментально. Но ведь математическое уравнение только в том случае становится принадлежностью физики, если его аргументы могут быть определены в эксперименте. И, стало быть, с позиций методологии (а других позиций в науке быть не может), применение математического аппарата для описания поля упругих колебаний, является преждевременным. Все эти моменты, вместе взятые, привели к тому, что ни акустика твердых сред в целом, ни сейсморазведка - не находятся в компетенции метрологических служб.
И тем не менее...
Примерно в то же время, когда было объявлено о завершении развития акустики твердых сред, в 1909-1910 годах, почти одновременно произошло несколько эпохальных в судьбе сейсморазведки событий. Несмотря на отсутствие эхо-сигналов, а также на то, что усилительной техники еще не существовало, был сделан ряд открытий, поставивших сейсморазведку сразу на высоту, недосягаемую никакими другими геофизическими методами. Средствами сейсморазведки были открыты поверхности Мохоровичича, Конрада, Голицына, Гутенберга и ряд других, находящиеся на глубинах от 10 до 800 (!) км. На основании этих открытий пришли к поистине глобальным выводам: о жидком состоянии ядра Земли, о том, что кора под материками толще, чем под морями...
Здесь необходимо отметить, что И.И. Гурвич не считал эти результаты достоверными. Но так или иначе, эти якобы результаты положили начало великой фальсификации результатов сейсморазведочных работ.
Сейсморазведка, начало которой, по мнению Гурвича, относится только к 1923 году, развивалась в следующих двух направлениях.
Происхождение длительного колебательного процесса, который наблюдается при сейсмоработах, было воспринято как результат интерференции между множеством отражений от множества залегающих в земной толще границ. При этом стало как-то очевидным, что сейсмосигнал в виде длительного звона мешает выявлению эхо-сигнала, и этот колебательный процесс стали считать помехой. И первое направление развития сейсморазведки - это борьба с этой помехой. Метод борьбы - совершенствование аппаратуры, а затем, и программ обработки.
Для того, чтобы иметь деньги на совершенствование аппаратуры, необходимо было представить сейсморазведку как эффективный геофизический метод. И поэтому второе направление - это создание системы фальсификаций, направленных на то, чтобы представить сейсморазведку как эффективный геофизический метод. Основной прием, который используется при этом, заключается в том, что сейсморазведка осуществляется только в том случае, когда уже имеется геологическая информация, которая может быть получена с помощью разведочного бурения или (и) с помощью различных геофизических методов, а в отчете скрывается, что эта информация уже была известна при проведении сейсморазведки. Таким образом, сейсморазведке приписывается открытие очень многих месторождений, которые на самом деле были открыты с помощью других средств.
Все силы были брошены в этих двух направлениях, а непосредственно физика формирования и распространения поля упругих колебаний оказалась в стороне от интересов сейсморазведки. И поэтому, наверное, никто не обращал внимание на спектр этого самого паразитного звона, то есть, непосредственно сейсмосигнала. И когда в 1977 году мы осуществили исследование спектра сейсмосигнала, то выяснилось, что он имеет вид затухающей синусоиды, а чаще, нескольких затухающих синусоид. Это очень важный момент, потому что никакая интерференция не может привести к возникновению такого сигнала.
Физики, в отличие от математиков, не вольны в своих действиях. Если математик, описывающий мысленную модель, может принимать любые гипотезы относительно этой модели, то физик обязан двигаться вперед с учетом результатов уже сделанных экспериментов. Поэтому исследователь, обнаруживший, что реакция на удар имеет вид затухающей синусоиды, уже не может вести дальнейшую работу иначе как по следующей, вполне определенной логике:
Преобразовать ударный импульс в затухающую синусоиду может только колебательная система. Следовательно, первое, что необходимо было делать после обнаружения подобного рода сейсмосигнала - это искать, какой объект исполняет роль колебательных систем. Эта задача была решена довольно быстро, уже в 1977 году, когда выяснилось, что этим свойством обладают плоскопараллельные объекты почти из всех твердых сред, в том числе, и геологические структуры. То есть было выяснено, что в плоскопараллельной геологической структуре ударный импульс преобразуется в затухающую синусоиду, которая (а не сам импульс) и распространяется вдоль этой структуры.
Если наличие колебательной системы выявлено, то следующее, что нужно было сделать - это найти соответствие между характеристиками геологических структур и их свойств как колебательных систем. Эта задача также была решена в том же 1977 году, и была обнаружена эмпирическая зависимость между толщиной (мощностью) h плоскопараллельной геологической структуры и собственной частотой f0 этой структуры как колебательной системы:
h=k/f0 (1)
Обнаружение этой зависимости положило начало спектральной сейсморазведке /1/, то есть методу, позволяющему определять толщины залегающих в земной толще геологических слоев на основании спектра сейсмосигнала.
Далее, следовало выяснить, во-первых, что представляет собой коэффициент k, имеющий размерность скорости, и почему этот коэффициент имеет на удивление постоянное для всех типов горных пород значение, равное 2500м/с с отклонением от этого значения, не превышающим 10%. Это было очень важным моментом, так как все вопросы, связанные с кинематическими характеристиками поля упругих колебаний, являются ключевыми. Согласно справочникам, нет таких скоростей распространения упругих колебаний, которые имели бы столь одинаковое значение в различных горных породах. Наоборот, как указано в этих самых справочниках, скорость в одной и той же породе может изменяться в несколько раз.
И, кроме того, очень важно было понять, за счет чего происходит преобразование удара в синусоиду. Без понимания физики этого явления развитие теории спектральной сейсморазведки было невозможно. На все эти вопросы удалось ответить примерно в 1982 году, когда уже шло внедрение первого поколения аппаратуры спектральной сейсморазведки. Это была шахтная аппаратура для прогнозирования устойчивости пород кровли "Резонанс". Существенную роль в том, что мы смогли ответить на эти вопросы, сыграл обнаруженный тогда же эффект акустического резонансного поглощения (АРП).
Эффектов резонансного поглощения в физики очень немного - ферромагнитное, парамагнитное, электронное, гамма-поглощение... Теперь к этим, уже известным фундаментальным эффектам можно прибавить и акустическое резонансное поглощение.
Мне хотелось бы напомнить, что физика - это прежде всего, совокупность физических эффектов и явлений, и каждый из них - это как бы кирпичик самого здания физики. Каждый из таких "кирпичиков" имеет ценность для процесса познания независимо от того, насколько он оказался понятым при своем обнаружении. Как известно, многие из известных физических эффектов на сегодняшний день воспринимаются на чисто феноменологическом (констатационном) уровне. Что, впрочем, не мешает их использовать. Резонансные поглощения занимают особое место среди физических эффектов, поскольку с их помощью как раз и происходит понимание других эффектов и явлений.
Одним из результатов того, что был обнаружен эффект АРП, было то, что удалось выяснить смысл коэффициента k в формуле (1), который, как оказалось, есть не что иное, как скорость поперечных волн Vсдв . И таким образом, возник наконец-то метрологически корректный способ определения скорости Vсдв . И формула (1) приобрела вид:
h=Vсдв /f0 (1’)
При этом оказалось, что поперечные волны - это совсем не то, что имел в виду Пуассон. Поперечный (сдвиговый) процесс - это мнимая (реактивная) часть поля упругих колебаний. И сразу стали понятными некоторые наблюдаемые при сейсмоработах эффекты. В частности, чрезвычайно низкое затухание упругих волн при распространении их вдоль геологических структур. Здесь получается замечательная аналогия с электромагнитным полем...
Электромагнитное поле характеризуется реальной (активной) и мнимой (реактивной) составляющими. Реальная часть отвечает за активные потери - нагрев, механическая работа. Мнимая же отвечает за распространение поля. Затухание этой (мнимой) части поля совершенно незначительно. Известно, например, что с помощью одноваттного передатчика радиолюбители связываются на предельных расстояниях, вплоть до противоположных точек Земли. Точно так же происходит и при распространении поля упругих колебаний. Сейсмосигнал (а он всегда имеет вид затухающего гармонического процесса) формируется мнимой (поперечной) составляющей поля, и затухание его весьма незначительно. То есть все сейсмосигналы, принимаемые различными сейсмоприемниками при сейсмоработах, сформированы поперечными волнами.
Но, в конце концов, ведь получают же при сейсмоработах сигналы, которые вполне могут оказаться эхо-сигналами, пусть спектрально и неидентичными зондирующему импульсу. И если эти эхо-сигналы приходят через какие-то там секунды, значит, они являются отражением от каких-то глубоко залегающих границ. Вот эта логика и заставляет сейсморазведчиков искать, от каких именно находящихся на больших глубинах отражающих поверхностей отразился зондирующий сигнал. Однако на самом деле, это не совсем так.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--