История возникновения сейсморазведки

В своем начальном развитии сейсморазведка была тесно связана с сейсмологией – наукой о землетрясениях. Её теоретические основы связаны с именами великих математиков и физиков братьев Бернулли, Х. Гюйгенса, П. Ферма, М.В. Ломоносова, Л. Эйлера, практически всю сознательную жизнь работавшего в Петербургской академии наук, Р. Гука, Д.Г. Стокса, У. Кельвина, Д.У. Рэлея и других. Теория создавалась постепенно, начиная с 17-го века, но наиболее широкое и глубокое развитие получила в конце 19-го, в ХХ веке.

Искусственные взрывы для изучения упругих свойств земной коры одним из первых использовал английский ученый Р. Маллет. В 1846 г. он произвел опытный взрыв большого количества пороха под водой и записал возникшие упругие волны специально разработанным им прибором, установленным в магнит­ной обсерватории [Mallet, 1848]. Эта работа, как считал сам Маллет, была первой попыткой ввести в изучение землетрясений физико-мате­матические методы.

В 1873 г. в Германии Пафф и в 1878 г. в США Аббот повторили опыт Маллета, но из-за недостаточной чувствительности регистрирующих приборов – сейсмографов не смогли точно определить время прихода волны. Только в конце XIX в. англичанин Джон Милн разработал простой и надежный сейсмо­граф, в то время широко применяемый в Японии для регистрации земле­трясений. Джон Милн (1850-1913) работал в течение двадцати лет в должности профессора геологии и горного дела в Токийском императорском колледже. Там он создал несколько типов сейсмографов и участвовал в организации государственной службы Японии по прогнозу землетрясений.

Работы Маллета дали основание немецкому физику А. Шмидту в 1888 г. прийти к выводу о возможности использования результатов искусственных землетрясений для изучения законов распространения сейсмических волн в земной коре. Он построил первые годографы – зависимости времени пробега упругих колебаний от расстояния между пунктами их возбуждения и регистрации.

К концу XIX в. относятся работы французского физика Г. Липпмана по теории сейсмографов. Он показал, что известные в то время сейсмографы регистрируют суммарную величину смещения почвы и колебания маятника, и разработал теоретический метод выделения истинного движения почвы с учетом затухания маятника. Теория Г. Липпмана в дальнейшем была развита Б.Б. Голицыным и Э. Вихертом и использована ими при конструировании приборов.

В России совершенствованием методики и аппаратуры регистрации землетрясений занимались в XIX в. многие ученые, в том числе П.А. Кельберг, А.П. Орлов, А.В. Вознесенский, Г.В. Левицкий и другие.

Существенное влияние на развитие сейсмологии как в России, так и в других странах оказали работы русского физика Б.Б. Голицына (1862-1916гг.). Он был выдающимся физиком своего времени, успешно занимался молекулярной физикой и затем сейсмологией.

Важной вехой в развитии сейсмологии и сейсмометрии было введение Б.Б. Голицыным гальванометрического способа записи сейсмических колебаний и устройства, преобразующего механические колебания грузика прибора в колебания электрического тока, которые могли фиксироваться на фотобумаге. Поскольку этот способ записи колебаний допускает телеметрическую регистрацию сейсмических волн, он в том или ином виде сохранился до наших дней и применяется во многих современных устройствах и системах. Б.Б. Голицын создал принципиально новый тип сейсмографа с электромагнитным затуханием (рис. 1). Это обеспечило возможность регистрации сдвигов почвы порядка несколько микрон и записи отдаленных и слабых толчков.

Рис. 1. Сейсмограф конструкции Голицына с сейсмической записью.

К заслугам Б.Б. Голицына относятся и его доказательства важности применения сейсмографов высшего класса. Он одним из первых еще в 1906 г. провел и опубликовал результаты сравнительных испытаний всех типов при­менявшихся в то время сейсмографов. Были испытаны горизонтальный сейсмо­граф Вихерта-Минтропа для регистрации короткопериодических колебаний, вертикальный и малый горизонтальный сейсмографы Б.Б. Голицына [Ильина, 1983]. Установлены и другие сейсмографы, изготовленные в разных странах; все они вели непрерывную запись колебаний почвы. За первые 40 дней было зарегистрировано 40 землетрясений. На записях сейсмографа Б.Б. Голицына с электромагнитным затуханием были четко видны отдельные фазы землетрясений, на других приборах (без затухания) их невозможно было разобрать.

По сейсмограммам он смог установить несколько типов упругих волн, возникающих при землетрясениях в земной коре, выявить основные черты строения верхних слоев земной коры и мощность наносов в пунктах наблю­дений. Убедительные доказательства преимуществ нового типа сейсмографов, продемонстрированные в ходе сравнительных испытаний, были высоко оценены всеми европейскими сейсмологами. Многие из них немедленно приняли меры к заказу приборов в России и по получении установили их на станциях. Сейсмографами Б.Б. Голицына в первые годы XX в. были оснащены сейсмические станции первого класса не только в России, но и в Париже, Франкфурте-на-Майне, Бухаресте и других городах.

В Академии наук Б.Б. Голицын организовал сеть сейсмических станций на всей территории России. Первыми сейсмическими станциями, оснащенными приборами Б.Б. Голицына, были станции "Пулково", "Екатеринбург", "Тбилиси", "Ташкент", "Иркутск". К 1927 г. в России ра­ботало 7 станций первого и 14 станций второго разряда. Обработка полученных в первые годы данных дала ему возможность выявить две резкие границы разрыва сплошности физических свойств Земли на глубинах 106 и 492 км, что позднее было подтверждено и уточнено другими учеными и использовано при обсуждении проблемы зонального деления мантии по физическим свойствам. Также Б.Б. Голицын одним из первых глубоко разработал теоретические вопросы сейсмологии. Он дал методы расчета основных параметров сейсмических волн: зависимости скорости их прохождения от глубины эпицентра, траектории сейсмических лучей, их направления и расстояния до очага землетрясений, а также определения его географических координат по данным только одной станции.

Имя русского ученого Б.Б. Голицына стало широко известно во всем мире. Его избрали членом-корреспондентом Гёттингенской академии наук, почетным членом Франкфуртского физического общества и других научных обществ. В 1911 г. на международном конгрессе в Манчестере он был избран президентом Сейсмологической ассоциации. В России он много лет возглавлял Сейсмическую комиссию Академии наук, заведовал Физическим кабинетом. И комиссия, и кабинет были, по существу, первыми в дореволюционной России научными центрами сейсмологических исследований, они послужили фундаментом создания советской научной школы сейсмической разведки. Создание таких научных центров в России стало возможным благодаря научной и организационной деятельности Б.Б. Голицына (рис. 2).

Рис. 2. Голицын Б.Б. (1862-1919), основоположник русской сейсмологии, создатель гальванометрического сейсмографа с м/э затуханием.

Существенное влияние на зарождение первых методов сейсмической разведки оказали экспериментальные и теоретические исследования О. Геккера, касающиеся распространения упругих волн от сильных взрывов, работы Г. Борна, а также труды известных сейсмологов А. Мохоровичича и Э. Вихерта.

А. Мохоровичич заметил раздваивание первой фазы землетрясения на записи сейсмографа, расположенного на удалениях от 300 до 700 км. Юго­славский сейсмолог связал это явление с запаздыванием акустической волны. В 1909 году Мохоровичич установил существование поверхности раздела между земной корой и мантией Земли, получившей название поверхность Мохо. Также Мохоровичич предложил методику регистрации землетрясений.

Это навеяло Э. Вихерта на мысль применять искусственные землетрясения для детального изучения земной коры и поисков месторождений полезных ископаемых. В статье Э. Вихерта, опубликованной в 1907 г. была подробно разработана теория распространения упругих волн. Он показал условия распространения продольных волн в сфере, в которой плотность и упругость изменяются непрерывно в зависимости от расстояния от центра, но не зависят от других координат. Непосредственным практическим следствием теории Вихерта явилась возможность выделения на записях сейсмографов продольных, поперечных и поверхностных волн и их комбинаций.

Теория Вихерта послужила основой для создания первых методов сейсмической разведки. В их числе запатентованный в США в 1917 г. метод Фессендена, основанный на использовании звуковых волн (рис. 3). Источник звука помещался в скважину с водой, приемная аппаратура находилась в другой скважине. По записи можно было, по мнению изобретателя, делать заключения о породах, лежащих между осциллятором и приемником. Однако в то время метод не нашел практического применения.

.

Рис. 3. Страница из патента Фессендена.

Одним из первых методов, получивших распространение в геологической разведке, был метод годографов или метод первых вступлений, запатентован­ный немецким геофизиком Л. Минтропом в 1919 г. Он, следуя уже на­метившейся к тому времени традиции, использовал для возбужения упругих волн взрывы, а для регистрации – портативные полевые сейсмографы. Для этих целей в 1914 году Л. Минтроп сконструировал новый сейсмограф (рис. 4), с помощью которого ему удалось с достаточной точностью регистрировать время прихода возбужденной взрывом упругой волны [Резяпов].

Рис. 4. Механический сейсмограф Минтропа.

Теоретические и практические основы метода долгое время сохранялись им в секрете. В общих чертах метод Минтропа был описан им только в 1922г. Располагая вдоль исследуемого участка ряд сейсмографов, можно было, как указывал Минтроп, определить условия залегания пород на глубине до 2500 футов. Он провел успешную разведку нефтяных месторождений в Калифорнии, связанных с соляными куполами. Свой метод Минтроп рекомендовал в первую очередь для исследования соляных куполов, но предупреждал, что он не может быть использован для случая наклонных пластов. Теория интерпретации результатов сейсморазведки, по Минтропу, была основана на рассмотрении геометрического хода лучей.

В 1922 году Дж. Ивенс и У. Уитни получили британский патент на метод отраженных волн. В СССР патент на метод отраженных волн был выдан В. С. Воюцкому в 1923 году [ТГУ]. Однако практическое применение метода отраженных волн как в СССР, так и на Западе началось в 30-х годах.

В 20-х годах основной объем сейсмических работ выполнялся методом прелом­ленных волн. В 1924 году в штате Техас (США) впервые по сейсмо­разведочным данным был открыт нефтеносный купол Орчард. Уже к 1929 году сейсмическим методом преломленных волн открыто более 50 соляных куполов, к которым были приурочены крупные залежи углеводородов.

В Советском Союзе записи преломлённых волн, возникающих при искусственных землетрясениях-взрывах, стали проводиться с 1925 г [Федоренко]. Особую роль в эти годы сыграл П.М.Никифоров. Будучи ближайшим помощником Б.Б. Голицына, он принимал участие в большинстве работ по экспериментальной и теоретической сейсмометрии, в частности, провел всю организационную работу по созданию еще в 1910-1914 гг. сейсмической сети Академии наук.

В 1918-1921 гг. П.М. Никифоров по собственной инициативе принял меры к восстановлению разрушенных во время мировой и гражданской войн сейсмических станций. В последующие годы П.М. Никифоров создал облегчен­ный сейсмограф для регистрации ближних землетрясений. Полевой разведо­чный сейсмограф П.М. Никифорова малой приведенной длины представлял новый для того времени тип приборов. При сравнительно небольших размерах и массе сейсмограф обладал достаточной чувствительностью и обеспечивал при регистрации увеличение смещения почвы до 5000 раз. Аналогичные опыты проводились и в США, однако данные, полученные с помощью сейсмографа П.М. Никифорова, были опубликованы на несколько месяцев раньше, чем данные американских геофизиков.

Осенью 1926 г. под руководством П.И. Никифорова была проведена сейсмическая экспедиция в район Кривого Рога. В результате работ была определена глубина залегания кварцитов (40 м.), совпадающая с данными гравиразведки и шурфования [Кирнос и др.].

В 1928 г. образован Сейсмологический институт. Директором был избран П.М. Никифоров. Перед институтом было поставлено множество задач: всесто­рон­нее изучение природы землетрясений; разработка способов ослабления послед­ствий землетрясения; изучение физических свойств земного шара, в т.ч. его внутреннего строения; разработка сейсморазведочных методик; создание сейсморазведочной аппаратуры.

Для выполнения этого плана в составе Сейсмологического института были предусмотрены следующие научные лаборатории: сейсмологическая (Н.В. Вешняков, Н.С. Харин, М.В. Осипов), радиосейсмическая (П.М. Никифоров, О.Г. Страхова), упругих колебаний и деформаций (Н.В. Райко, В.П. Спесивцева, Д.П. Кирнос, С.И. Масарский), антисейсмическая (В.О. Цшохер, Е.А. Коридалин, Н.Н. Созин), а также теоретический отдел, где работали математики и будущие академики В.И. Смирнов, С.Л. Соболев, Е.А. Нарышкина.

Постановка П.М. Никифоровым интересных теоретических и практи­ческих задач, способствующих развитию народного хозяйства страны, с первых же дней привлекла к работе в институте молодежь и крупных ученых того времени. К плодотворно работавшей в институте талантливой молодежи отно­сились известные в будущем ученые нашей страны М.А. Садовский, Е.А. Коридалин, Е.Ф. Саваренский, Е.А. Розова и другие.

С 1929 г. проводились сейсмические исследования на поперечных волнах. В 1932 г. опубликовано решение задачи Х. Лэмба с применением теории плоских волн. Динамическая теория упругости С.Л. Соболева и В.И. Смирнова позволяла проводить сравнительную оценку параметров глубинных зон земной коры при землетрясениях или искусственных взрывах. В 1934 г. решена задача о распространении колебаний для трёхмерного полупространства, для двумерного пространства с расположением источника в случайной точке. В 1935 г. Е.А. Коридалиным была разработана методика корреляции фаз [Ризниченко, 1947]. На её основе Г.А. Гамбурцевым и его учениками был создан корреляционный метод преломлённых волн (КМПВ). В 1936 г. Сейсмологический институт с целью детального расчленения земной коры по сейсмическим скоростям организовал в 1936 г. наблюдение над взрывом в Коркино под Челябинском. Было взорвано 1800 т. взрывчатых веществ для вскрытия угольного пласта на глубине 30 м. Запись сейсмических волн проводилась на девяти станциях, расположенных вдоль трассы в 850 км. Позднее были разработаны нормы безопасности при горновзрывных работах.

М.А. Садовский подробно теоретически и экспериментально исследовал механическое действие ударной волны взрыва; его результаты были опубликованы в отдельном выпуске «Трудов Сейсмологического института». Была решена задача сейсмического районирования Советского Союза.

Однако всего этого было уже явно недостаточно. Требовался более широ­кий размах исследовательских и конструкторских работ, чтобы в короткие сроки создать производственные методы разведки полезных ископаемых. В связи с этим в ряде организаций возникли небольшие группы, возглавляемые инженерами или физиками, которые проводили первые опытные работы по сейсмической разведке.

С начала 30-х годов решающее значение в развитии сейсмической разведки стали иметь работы Г.А. Гамбурцева. Им были сформулированы основополагающие идеи в области теории сейсмических методов разведки и конструкции сейсмической аппаратуры, актуальные по сей день. Первые же проведённые им сейсмические исследования с использованием сейсмографа собственной конструкции выявили локальное поднятие фундамента в районе КМА. Оно соответствовало скоплению особо богатых слабомагнитных руд, что было подтверждено бурением и вскрытием месторождения.

Следует отметить научно-техническую помощь фирмы Schlumberger. Она передала в распоряжение сейсмической лаборатории Г.А. Гамбурцева партию сейсмографов и осциллографов. Были проведены совместные геофизические исследования на западных склонах Урала.

Переход сейсмической разведки с МПВ на метод отражённых волн (МОВ) вызвал необходимость замены технической базы сейсмических партий того времени. В несколько лет были созданы сейсмограф СМ-4 и распределительные щитки, термомикрофонный сейсмограф [Гамбурцев, 1932], трехкомпонентный сейсмограф, фотоэлектрический генератор и иное оборудование; разработана теория интерпретации метода отраженных волн, теории устройств для приема отраженных волн и способов устранения влияния микросейсм; разработан метод периодов и амплитуд; проведены теоретические исследования явлений на границе раздела двух сред. Были изготовлены первые образцы электрических сейсмографов.

Под руководством Г.А. Гамбурцева начала также разрабатываться аппаратура для одновременной регистрации на одной ленте колебаний от нескольких сейсмографов, ныне известная как многоканальная запись.

К 1935 г. при участии Г.А. Гамбурцева были созданы основы для развития приборостроительной геофизической базы. К этому времени работало уже три десятка сейсмических и гравиметрических партий, исследующих недра нашей страны от Украины до Дальнего Востока.

Не везде и не всегда все шло хорошо, поскольку в полевых условиях в те годы новые геофизические методы одновременно с выполнением производ­ственных чисто разведочных задач проходили, по существу, только первую опыт­ную проверку. Г.А. Гамбурцев успевал посетить все партии, проверить их работу, оказать необходимую помощь, найти выход из затруднительного поло­жения. Инженеры-геофизики, работавшие в геофизических партиях, в большин­стве были учениками Г.А. Гамбурцева. Вместе с ними просматривая полученные материалы, он высказывал появившиеся в связи с новыми данными идеи, которые на месте немедленно проверялись, и в конце концов находился оптимальный вариант, обеспечивающий выполнение производственного задания. Работали полный световой день, а иногда и ночью, отдыхали, не покидая разведочный профиль. Появлялись новые сейсмографы, вмонтирован­ная в автомашину усилительная и регистрирующая аппаратура, механизи­рованные буровые станки и т.д.

В 1935 г. были начаты первые работы по созданию методов регулируемого направленного приёма сейсмических волн (РНП). По предложению Г.А. Гамбурцева выделение отраженных волн по новому методу должно было производиться по записям сейсмических колебаний на кинопленке при помощи «интенсивного метода», известного из техники звукового кино. При записи сейсмические данные в некоторой степени подвергались фильтрации. Затем сейсмограммы анализировались в лаборатории с целью корреляции частотных характеристик. Как считал Г.А. Гамбурцев, этот метод мог оказаться полезным при выделении отражений в трудных геологических условиях. В дальнейшем разработку этого весьма перспективного направления возглавил Л.А. Рябинкин; под его руководством и при активном участии были разработаны теория и аппаратура. Благодаря настойчивой и многолетней работе Л.А. Рябинкина метод РНП был внедрен в практику геофизической разведки и в конце 50-х годов оказал революционизирующее влияние на развитие сейсмической разведки.

В тот богатый на открытия год В.С. Воюцким была создана и испытана специальная установка приёма сейсмических волн на малых базах. Данная схема послужила основой для разработки сейсмокаротажа, но уже в послевоенный период.

С 1936 года в сейсморазведку внедрено группирование сейсмографов и суммирование сейсмических записей. Г.А. Гамбурцев исследует механические фильтры высоких частот. Исследуются связи между скоростью воздушного потока и пульсациями силы тока, изучается влияние упругости воздушной под­ушки и тепловой инерции нити накаливания на сейсмическую запись. Совер­шен­ствуются термомикрофонные и фильтросейсмографы, компонентность опти­ческого сейсмографа возрастает до трёх.

В 1937-1938 гг. была издана книга Г.А. Гамбурцева «Сейсмические методы разведки» [Гамбурцев, 1937]. В ней систематически изложены основы различных сейсмических методов, теория интерпретации, теории аппаратуры. На тот момент это был единственный справочник для полевых геофизиков и единственный учебник для студентов вузов. В 1959 г. она была дополнена и вновь переиздана с названием «Основы сейсморазведки».

В 1938 г. экспериментально опробована возможность прослеживания годографов обменных отражённых волн.

В 1939 г. разработан общий метод интерпретации сейсмических данных - поле времён.

К 1940 г. под руководством Г.А. Гамбурцева были созданы основы корреляционного метода преломлённых волн (КМПВ) [Гамбурцев, 1942]. При разведке методом КМПВ регистрируются не только первые вступления, но и приход после­дующих групп преломленных волн, соответствующих различным прелом­ляющим границам. При его разработке применён новый электродинамический сейсмограф СИ-2, изготовленный в 38-м году по схеме Г.А. Гамбурцева.

В годы Великой Отечественной войны сейсморазведочные работы позволили в короткий срок открыть новые нефтяные месторождения в районах Эмбы, Азербайджана, Туркмении и Урало - Поволжья.

В 1944 г. проведены опытные сейсморазведочные работы на море. Специальное судно «Геолог», вышедшее на шельф Каспийского моря, было оснащено морскими сейсмографами отечественного производства. Работами руководил Г.А. Гамбурцев.

По словам его сына, сослуживцы Г.А. Гамбурцева вспоминали: “Сорок девятый год, эпопея борьбы с космополитизмом и преклонением перед иностран­щиной… Со стен научных кабинетов срывают портреты галилеев, ньютонов, эйнштейнов и прочих представителей загнивающей науки Запада. Прямого указания именно о Галилее, надо полагать, не было, но перегнуть палку всегда безопаснее, чем наоборот. Но, переступая в те дни порог ГЕОФИАН, вы попадали как будто в другой мир, куда не доплескиваются мутные воды повального мракобесия. На этом удивительном островке нормальные люди продолжали нормально заниматься наукой, нормально говорили о её достижениях во всём мире, нормально ссылались на иностранных авторов и нормально пожимали плечами при рассказах о том, что творится в других учреждениях” [Седова, 2003].

Рис. 5. Гамбурцев Григорий Александрович (1903-1955).

В послевоенные годы сейсмическая разведка развивалась особенно быстро. Были существенно усовершенствованы аналоговые сейсморазведочные станции, осуществлен переход на магнитную аналоговую запись (А. М. Алексеев, М. К. Полшков, Л. А. Рябинкин и др.). Значительное развитие получила теория направленного приема сейсмических волн (В. С. Воющий, Ф. М. Гольцман, И. И. Гурвич, Ю. В. Напалков, Л. А. Рябинкин и др.). Крупные теоретические исследования общемирового значения были выполнены в области теории распространения упругих волн (Л. М. Бреховских, Н. В. Зволинский, Г. И. Петрашень и др.).

Серьезным достижением отечественной сейсморазведки шестидесятых годов следует считать создание теории, методики и техники вертикального сейсмического профилирования (ВСП). Основные результаты в этой области были получены советскими геофизиками под руководством Гальперина Е. И.

В шестидесятые годы (в США в 1963 г., в СССР в 1966 г.) осуществлен переход на цифровую запись полевой информации. Это открыло новую эру в сейсморазведке - эру широкого применения вычислительной техники. Массовое применение метода общей глубинной точки (МОГТ) в СССР началось в 1965 году [Бондарев] – позволил существенно повысить эффективность сейсморазведки. Полный переход на цифровую регистрацию полевой информации в СССР осуществлен в 1982 - 1983 годах. С этого момента сейсморазведка стала наиболее технически оснащенным и совершенным геофизическим методом.

Таким образом, отечественные сейсмологи и сейсмики на протяжении всего ХХ века практически не уступали, а иногда и превосходили своих западных коллег в своей дисциплине. Несмотря на две мировые войны, революцию и гражданскую войну.