Осознав это, я направил свои усилия на создание простых лабораторных установок, с помощью которых можно было бы моделировать принцип сейсморазведки. То есть, проще говоря, принцип акустической локации. Однако и здесь возникли совершенно непредвиденные и нигде почему-то не описанные сложности.
Как оказалось, принцип звуковой локации, легко моделируемый в воздухе и в жидкостях, в твердых средах не работает. Исключение составило очень незначительное число материалов, и в частности, оргстекло. В оргстекле легко наблюдать возникновение акустического импульса при ударном воздействии, а также распространение этого импульса и отражение его от границ, которое действительно происходит по законам геометрической оптики.
Однако в подавляющем большинстве материалов - стекле, керамике, металлах и сплавах, а также в горных породах - ни сам акустический импульс, ни его распространение, а тем более, отражение, увидеть нельзя. При ударном воздействии на объекты из подавляющего большинства твердых материалов возникает не отдельный импульс, а длительный колебательный процесс, и распространяется этот процесс явно не по законам геометрической оптики. Никаких следов отраженного от границ сигнала при этом также не видно.
В принципе, мы, не желая того, получили доказательство того, что в большинстве твердых сред (а главное, что в том числе, в горных породах) принцип звуковой локации не работает. Но распространить этот вывод на всю сейсморазведку мы не могли опять же в силу ее представительности. В самом деле, не могла же на пустом методе возникнуть огромная, востребованная во всем Мире область знания.
Однако как бы там ни было, читать курс при отсутствии уверенности в существовании читаемого объекта было нельзя. Я было уж принял решение отказаться от чтения этого курса, поставив себе диагноз "профнепригодность". Но вдруг, в начале 1977 года я получил предложение принять участие в натурных сейсмоизмерениях в условиях угольных шахт. Для этого была подготовлена измерительная аппаратура, позволяющая определять частотный спектр сейсмосигнала.
Как известно, сейсмосигналы, принимаемые сейсмоприемниками при сейсмоизмерениях, имеют вид длительного колебательного процесса неоправданно большой амплитуды. Согласно утверждению ученых-сейсморазведчиков, такого рода сигналы возникают в результате интерференции между множеством элементарных отражений зондирующего импульса от залегающих в земной толще мелких границ. Этот, так называемый, паразитный звон является объектом, с которым борется сейсморазведка в течение всего времени своего существования.
У сейсморазведчиков есть надежда, что если бы удалось уменьшить его амплитуду, то удалось бы, наконец, увидеть на сейсмограммах сам эхо-сигнал. Так вот, как оказалось в результате уже самого первого нашего шахтного измерения, что надежда эта напрасна, но зато спектр этого самого "паразитного звона" однозначно связан с геологическим разрезом в зоне измерений. Дело в том, что, как оказалось, сейсмосигнал, возникающий при ударном воздействии на горный массив, имеет вид не каких-то произвольных по форме и спектру колебаний, а представляет собой одну или несколько затухающих синусоид. При этом частота f0i каждой из этих составляющих имеет величину, связанную с толщиной (или, как говорят геологи, мощностью) hi породного слоя следующим выражением:
f0i = 2500/hi [(м/с)/м = Гц] (1)
Какой физической реалии соответствует числитель выражения (1), имеющий размерность скорости, тогда было еще неясно, но, выявленное чисто эмпирически, это соотношение выполняется с погрешностью, не превышающей 10% для всего спектра пород угленосной толщи - от слабого аргиллита и до прочнейшего песчаника и известняка при численном равенстве числителя 2500 м/с.
Из этой случайной находки следовало три вывода. Первый заключался в том, что, используя выражение (1), то есть, иначе говоря, спектрально-сейсморазведочный подход, можно без бурения получать информацию о мощностях пород, залегающих как в кровле, так и в почве подземной выработки. Эта информация имеет крайне важное для шахтеров значение, в связи с чем немедленно началась разработка соответствующей аппаратуры. Аппаратура эта впоследствии получила название "Резонанс", и использовалась для оценки и прогнозирования устойчивости пород кровли во всех угольных регионах СССР.
Второй вывод заключался в том, что колебательный процесс, возникающий при ударном воздействии на горный массив, не является мешающим, поскольку содержит информацию о его геологическом строении. Этот вывод накладывал определенные требования на аппаратуру, которые заключаются в том, что она не должна ни в малейшей степени искажать спектр сигнала. Требование это никогда раньше перед сейсмоаппаратурой не ставилось, и выполнение его потребовало весьма нетривиальных решений.
Третий вывод, самый важный для судьбы нового, родившегося при этом направления, в дальнейшем получившего название спектральной сейсморазведки, состоял в том, что породные слои проявляют свойства каких-то новых, неизвестных ранее колебательных систем.
Здесь представляется необходимым дать некоторые пояснения.
Дело в том, что если реакция некоторого устройства (будем говорить, "черного ящика") на короткое (ударное) воздействие имеет вид затухающего синусоидального (гармонического) процесса, значит, этот черный ящик - не что иное как колебательная система. Другого пути, чтобы импульс преобразовать в затухающую синусоиду, просто не существует. Синусоида - это один член ряда Фурье, неделимый информационный кирпичик, который нельзя получить никакой интерференцией. Но в том-то и штука, что единственный мыслимый в акустике процесс, освещенный прошлыми и нынешними авторитетами, с помощью которого предполагается возможным изменение формы сигнала - это интерференция.
В самом деле, а что еще может быть? Сигнал распространяется, многократно отражается, и все эти элементарные отражения векторно складываются друг с другом, то есть, интерферируют. А поскольку другие процессы, способные преобразовывать форму сигнала, неизвестны, то всяческое упоминание о возникновении гармонических сигналов в акустике и сейсмике просто запрещено.
Между тем, наличие такого рода сигналов известно всем. Более того, от них просто деваться некуда. Но называют их квазигармоническими, что само по себе ничего не меняет1, но зато как бы дает право настаивать на том, что они являются результатом интерференции.
Надо сказать, что здесь мы встретились с удивительным совпадением. Эта история практически полностью повторяет ту, что происходила в XIX веке при открытии электрического колебательного контура.
Первый колебательный контур был случайно реализован в 40-х годах XIX века Джозефом Генри (тем самым, чье имя носит единица индуктивности). Произошло это при исследовании процессов, возникающих при коротком замыкании конденсатора. Это было время, когда начались исследования новой субстанции - электрической жидкости, содержащейся в только что изобретенных гальванических элементах. Эксперимент заключался в том, что заряжался конденсатор (как тогда говорили, "лейденская банка") от гальванического элемента, а для регистрации процесса разряда Генри использовал праобраз амперметра - магнитную стрелку, многократно обвитую проводом. Провод был достаточно толстым, чтобы можно было не считаться с его сопротивлением. На этом основании Дж. Генри полагал, что разряд шел накоротко.
К его величайшему удивлению, стрелка при разряде многократно изменяла направление своего отклонения. Истолковано это было так, что электрическая жидкость при коротком замыкании лейденской банки не только вытекает из нее, но и втекает обратно.
Сначала эта публикация вызвала бурю негодования у всех действующих тогда физиков. Однако после того как оказалось, что описанный результат устойчив при повторении эксперимента, ученые нашли ему объяснение. Многократное изменение направления тока через конденсатор при коротком замыкании было воспринято как следствие интерференционных процессов, возникающих в "электрической жидкости", заполняющей лейденскую банку, в результате ее встряхивания, которому эквивалентно короткое замыкание. В таком виде это явление и существовало в учебниках и научных публикациях еще лет 30.
Второе открытие колебательного контура было сделано спустя 30 лет после этого лордом Кельвином. Он заинтересовался формой сигнала, возникающего при разряде конденсатора и, чтобы удовлетворить свое любопытство, изобрел осциллограф. Увидев же, что электрический ток, протекающий через лейденскую банку, имеет форму синусоиды, Кельвин сообразил, что имеет дело с неизвестной ранее колебательной системой.
И только еще через почти 10 лет электрический LC контур был открыт окончательно, когда Фергюсон осознал роль индуктивности2.
Проводя параллель с историей открытия электрического контура, можно сказать, что, найдя зависимость (1), я выполнил только первую часть - обнаружил наличие акустической колебательной системы в виде плоскопараллельной структуры (как частный случай). Однако при этом остался непонятен механизм преобразования импульса в гармонический сигнал, а также был неясен физический смысл числителя выражения (1).
Достаточно долгое время, уже используя на практике выражение (1) и аппаратуру "Резонанс", я, тем не менее, мог без труда доказать, что обнаруженный эффект существовать не может. В самом деле, при условии, что материал пластины однороден по вещественному составу и по акустическим свойствам, можно представить себе лишь один механизм - это прямолинейное распространение упругих колебаний внутри пластины и отражение их от границ. Результат многократного переотражения от поверхностей пластин короткого импульса - это отнюдь не гармонический процесс. В отличие от гармонического, такой процесс имеет очень широкий частотный спектр, и перепутать их невозможно.