CC BY
49
Геодезия
УДК 528.563:550.831
ПСЕВДОГРАВИТАЦИОННЫЙ СИГНАЛ,
ФОРМИРУЮЩИЙСЯ В ПРУЖИННОМ ГРАВИМЕТРЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ЕСТЕСТВЕННОГО ЭНДОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ,
И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭТОГО СИГНАЛА В ГЕОЛОГОРАЗВЕДКЕ
Владимир Петрович Дедов
Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИГГиМС), 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный пр-т, 67, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. 8913-725-19-38, e-mail: mainbox@asmsnsk.ru
В работах [8, 13-16, 28, 29] было дано математическое описание псевдогравитационного сигнала ^, возникающего в пружинном гравиметре при его сотрясениях эндогенными микросейсмическими волнами. Сигнал £, несет в себе информацию о погребенных геологических объектах. В упомянутых работах систематизированы разведочные признаки ^-сигнала. Показано, что некоторые из них неосознанно используются в высокоэффективной эмпирической методике оконтуривания залежей нефти и газа, известной под аббревиатурой ГОНГ. Однако автор методики подводит под нее собственный закон всемирного тяготения, очень сильно отличающийся от закона Ньютона. В статье подкрепляется ранее высказанная альтернативная микросейсмическая версия методики ГОНГ.
Ключевые слова: пружинный гравиметр, микросейсмы, гравиразведка.
THE PSEUDO-GRAVITATIONAL SIGNAL FORMED
IN SPRING ГРАВИМЕТРЕ UNDER THE INFLUENCE
OF MICROSEISMIC WAVES NATURAL ЭНДОГЕННОГО OF THE ORIGIN,
AND USE OF THIS SIGNAL IN GEOLOGICAL PROSPECTING
Vladimir P. Dedov
The Siberian scientific research institute of geology, geophysics and raw materials mine-ralnogo, 630091, Russia, Novosibirsk, street the Red avenue, 67, Ph.D., senior research associate, tel. 8913-725-19-38, e-mail: mainbox@asmsnsk.ru
In [8, 13-16, 28, 29] papers it was given a mathematical description of this falsegravitational £, signal happening to appear in our spring gravimeter shaked by the endogenous microseismic waves. Such a signal bears the underground geological objects information. In the above-mentioned papers the ^-signal survey sings are thoroughly systematized. Is has been shown here that some of these indications are undeliberately used in the highly-effective empiric methods of the gas and coal-beds contouring known as the GONG abbreviation. But the author of the methods underpins his own law of gravity which is strongly opposed to Newton's one. In the article the early presented alternative microseismic version the GONG-methods is also presented.
Key words: spring gravimeter, microseisms, gravitational prospecting.
В статье [13], а затем кратко в [2], мы изложили микросейсмическую версию разведочных сигналов, используемых в гравиметрической методике оконтуривания залежей нефти и газа ГОНГ. Автор методики И.Н. Михайлов, откликнувшийся статьей [24], попытался доказать несостоятельность нашей кон-
15
Геодезия
цепции, не подкрепив свои аргументы проверяемыми математизированными выкладками и расчетами.
Но мы все же решили ответить на статью [24] по двум побудительным мотивам. Первый из них - вспомнить академика А.С. Алексеева, который вместе с И. Л. Нерсесовым [27] еще в 1959 г. смог увидеть нефтяную залежь в эндогенных микросейсмических волнах, которые, по нашему общему мнению, и стоят за методикой ГОНГ.
Вторым побудительным мотивом являлось желание поблагодарить И.Н. Михайлова за то, что он заметил у нас опечатку в выходных данных работы В.Г. Буданова [3], которая ныне исправлена, а также еще раз остановиться на основных теоретических и экспериментальных наработках, так или иначе касающихся методики ГОНГ.
1. Эффекты М-1 и М-2 Михайлова
И.Н. Михайлов, в 1970-х г. изучив колоссальный объем первичного гравиразведочного материала, открыл два интереснейших эффекта в показаниях полевых пружинных гравиметров над залежами нефти и газа. Эти эффекты (обозначим их для краткости символами М-1 и М-2) и явились эмпирическими разведочными признаками методики ГОНГ. Напомним их содержание.
Эффект М-1 состоит в следующем (рис. 1, 2).
Рис. 1. Схема показаний разведочного пружинного гравиметра над залежью углеводородов:
ФФ - региональный фоновый уровень сигнала; сплошная кривая - типовой аномальный сигнал, отсчитанный от фона ФФ и имеющий странную, на первый взгляд, двухмодовую форму; пунктир MRN - восстановительное построение по И.Н. Михайлову. Согласно его концепции, границам залежи соответствуют экстремумы Ми N. Приведенная схема у И.Н. Михайлова [20, 25] дается в несколько иной редакции: линия фона опущена так, что вся наблюденная кривая оказывается в области положительных значений
16
Геодезия
01 Q2 #3 ®4 об
Рис. 2. Области положительных и отрицательных сигналов гравиметра над реальной залежью нефти - фрагмент иллюстрации из [25]:
1 - «контур положительной гравиметрической аномалии»; 2 - «контур характерной отрицательной аномалии»; 3, 4, 5 - скважины соответственно с промышленным, непромышленным и нулевым притоками нефти
Над границами залежи независимо от глубины H ее залегания всегда прослеживаются высокоградиентные положительные относительно фона ФФ всплески M и N сигнала гравиметра. Между ними - более или менее пространный спад к минимуму Q. Амплитуды экстремумов M, N и Q исчисляются десятками микрогал. Линия фона ФФ может быть и горизонтальной, как на рис. 1, и наклонной, и даже криволинейной. Характерные реальные примеры представлены в [19-23].
До И.Н. Михайлова эффект М-1, как систематическое явление, содержащее ценную разведывательную информацию, ускользал от внимания поисковиков. Детали эффекта ввиду их малости интерпретаторы обычно относили к случайным погрешностям и исключали из рассмотрения традиционным «сглаживанием» кривых силы тяжести. А при недостаточно густой съемке, как это тоже бывало, эффект М-1 просто не мог проявиться и утрачивался безвозвратно.
Эффект М-2. Оказалось, что гравиметр откликается ГОНГ-сигналом на погребенный геологический контраст вроде края залежи, если этот контраст попадает в так называемый конус видимости. Вершина конуса находится на дневной поверхности в точке наблюдения, ось направлена к центру Земли, а центральный угол составляет ~15°. Объекты, оказавшиеся вне «конуса видимости», практически не проявляются в ГОНГ-сигналах гравиметра.
Заметим, кстати, что угол 15° почти точно равен угловому радиусу слоя F в градации земных недр по Буллену. Этот переходный слой окутывает твердое ядро Земли и имеет наружный радиус 1 660 км [18, с. 53].
17
Геодезия
2. Интерпретация эффектов М-1 и М-2
Эффектам М-1 и М-2 никак не удавалось подыскать подходящего объяснения в рамках ньютоновского закона тяготения. Расчетные поля силы тяжести от уже известных залежей неизменно оказывались несовместимыми с данными наблюдений.
Некоторую надежду вроде бы подало любопытное начинание О.В. Вит-вицкого [7]. Обратившись к дипольным гравитирующим системам, составленным из аномальных тел положительной избыточной плотности (источники) и тел отрицательной избыточной плотности (стоки), автор в ньютоновской постановке добился эффектов, весьма похожих на М-1. Вообще говоря, таким путем можно синтезировать любую желаемую картину распределения силы тяжести по дневной поверхности (Хороший пример являет собой работа [4]). К сожалению, адекватность модельных плотностных конструкций в этом случае всегда остается сомнительной.
Но главная беда заключается в том, что теория источников - стоков, как и любая другая гравитационная теория, не вмещает одного странного, реально существующего и метрологически значимого явления. Речь идет о систематической разнице в показаниях нескольких гравиметров, имеющих существенно различную механическую чувствительность, при параллельной одновременной съемке в одних и тех же контрольных точках. Получается неожиданный, на первый взгляд, эффект: аномальный ГОНГ-сигнал оказывается тем большим, чем меньше чувствительность гравиметра.
Указанный феномен, несомненно, имеет вибрационную микросейсмическую природу. Впервые он был описан математически в [8], а затем получил однозначное подтверждение в реальной съемке [6]. Автор методики подводит под эффекты М-1 и М-2 собственную неньютоновскую модель гравитационного взаимодействия, из которой можно вычленить и конспективно подать следующее.
2.1. «Восстановительная» гипотеза
Вернемся к рис. 1, иллюстрирующему, что, в отсутствие залежи показания гравиметра следовали бы некой «восстановленной» кривой MRN, которую интерпретатор всякий раз должен строить по своему опыту и разумению. Эффект от залежи тогда определяется разностью ц(х) между наблюденной и «восстановленной». Но это лишь правдоподобная гипотеза. В микросейсмической версии, которую мы отстаиваем, в отсутствие залежи гравиметр всюду показывает фоновое значение сигнала без всяких локальных экстремумов. Так что сигнал m(x) физически является фиктивным, а методически - отягощенным субъективными ошибками «восстановительных» процедур.
Согласно [21], амплитуды сигнала ц(х) достигают 50-150 мкГал для нефти и 100-300 мкГал для газа. И.Н. Михайлов изначально приписал «восстановленному» сигналу m(x), как и эффектам М-1 и М-2, незыблемо гравитационную природу.
18
Геодезия
2.2. «Принцип узконаправленного приема информации гравиметром» [19]
За неудачным заглавным термином стоит постулат, согласно которому маятник гравиметра притягивают только те массы, которые находятся в пределах упоминавшегося «конуса видимости». А к боковым массам, не попавшим в «конус видимости», маятник практически не тяготеет. Автор методики материализовал свой постулат в специальной «узконаправленной» палетке [19] и без всякого обоснования распространил его на тела, расположенные над гравиметром, т. е. в полупространстве верхней ветви «конуса видимости».
Научной общественностью этот постулат принят не был ввиду несоответствия многоплановым наблюдениям, например, экспериментам по измерению ньютоновской константы тяготения G [26]. Большая их часть, начиная с опытов Кавендиша (1798), выполнена на крутильных весах по горизонтальной схеме, когда центры притягиваемых и притягивающих масс лежат в единой горизонтальной плоскости. При этом притягивающие массы не вписываются в 15-градусные «конусы видимости». Другая группа G-экспериментов, начиная с опытов Йолли (1878), осуществлена с рычажными весами по вертикальной схеме, когда притягивающую массу устанавливают строго под притягиваемой массой, полностью или частично в пределах «конуса видимости». Указанные эксперименты дали практически одинаковые значения G. Следовательно, постулат «узкона-правленности» ошибочен. Об этом очень определенно высказался профессор К.Е. Веселов в критической заметке [5].
2.3. «Гравитационное излучение» и его поглощение весомыми телами
Автор методики [22, 23, 25] считает, что сила тяжести g создается гравитационным излучением двух видов. Первый вид - эндогенное излучение. Оно эмиттируется из окрестности твердого ядра Земли. Радиус источника «виден» с дневной поверхности под углом 15°. Второй вид - более мощное всенаправленное излучение из космического пространства. Оба потока пронизывают всякое весомое тело и в очень малой доле поглощаются этим телом. Таким образом формируется сила, заставляющая свободное тело падать с ускорением g. А в случае несвободного пробного тела (каковым является, в частности, подпружиненный маятник гравиметра) возникает деформация связей, выступающая как опосредованная мера того же ускорения g. За ГОНГ-эффекты отвечает эндогенное излучение. Оно пересекает дневную поверхность квазирадиальными потоками. В данной точке наблюдения это излучение вписывается в «конус видимости».
Свое понимание «гравитационного излучения» автор не раскрывает, склоняясь к корпускулярному механизму гравитации в духе идей Ломоносова - Ле-сажа.
Эту модель мы исследовали очень внимательно. Основные ее трудности удалось преодолеть без коренной перестройки модели путем устранения изначальных упрощающих искусственностей. Подправленная лесажевская теория
19
Геодезия
фрагментарно изложена в [11], а детально - в Отчете-2001. Эта теория имеет ряд интересных геологических следствий. Поэтому представим небольшие извлечения из лесажевской теории, необходимые для дальнейшего изложения.
■ За гравитационное взаимодействие в лесажевской теории отвечают мельчайшие космические частицы, летящие в мировом пространстве во всевозможных направлениях. Эти частицы условно назовем гравитонами (помня, однако, что термин «гравитон» уже занят гипотетической релятивистской частицей).
■ Предположения: 1) в обозримом свободном пространстве гравитоны не сталкиваются друг с другом; 2) скорости v гравитонов случайны и равномерно распределены как по направлениям, так и по модулям v; 3) с обычным весомым телом могут взаимодействовать только те гравитоны, скорость которых относительно тела попадает в узкую полосу селективности Dv, приуроченную к некоторому весьма большому значению модуля v0. Прочие гравитоны пролетают сквозь тело, «не замечая» его присутствия.
■ В современной лесажевской теории упомянутое взаимодействие сводится к акту поглощения. Если скорость v гравитона удовлетворяет условию v0 - 0,5Dv < v < v0 + 0,5Dv, то вероятность поглощения составляет величину
p =1 - exp[ - h0 q(l)] = h0 q(l) - 2 h02 q2(1)+3! h03q3(1) -.... , (1)
где q(l) = J p(l)dl; l - хорда тела, вдоль которой пролетает гравитон; р - плот-
i
ность тела; h0 - массовый показатель поглощения, выступающий в лесажевской теории в качестве новой мировой константы (И.Н. Михайлов обозначает этот показатель символом h, закрепленным за постоянной Планка).
■ Справка. К. Майорана* из своего наиболее удачного эксперимента (1919 г., подробности в [30]) нашел:
h = 6,7 Z, (2)
где Z = 10-12 см2/г.
Он же теоретически сделал верхнюю оценку возможных значений показателя поглощения:
h < 7,6 Z.
(3)
Quirino Majorana (1871-1957), физик-экспериментатор, академик, бессменный президент Ассоциации итальянских физиков. Область научных интересов: гравитация, магнитооптический и фотоэлектрический эффекты, зодиакальный свет, радиоизлучение Юпитера, скорость света (Просим не путать К. Майорану с его племянником Этторе Майораной, физиком-теоретиком, введшим нейтрон и открывшим «силы Майораны»).
И.Н. Михайлов и некоторые другие авторы употребляют неверную транскрипцию фамилии ученого («Мажорана»).
20
Геодезия
Эксперимент К. Майораны перепроверен в [10, 11] на независимом материале многих надежных опытов, осуществленных в разное время разными исследователями с целью определения постоянной тяготения. Этот поиск в разных версиях дал
ho = (6,1 ± 0,2) Z. (4)
А современные вычислительные возможности позволили также более точно переобработать сам эксперимент К. Майораны. Как сказано в [12], вместо (4) получается вполне согласная с (6) оценка:
ho = 6,2 Z. (5)
■ Мы не станем здесь воспроизводить и обсуждать лесажевский закон тяготения в его общем виде. Укажем лишь, что в случае «небольших» тел, у которых h0q << 1 и в разложении (1) можно ограничиться лишь первым членом ряда, лесажевский закон финитно выливается в закон Ньютона.
Нам потребуется только выражение для силы тяжести на поверхности сферически симметричного небесного тела:
%
g = J ^(P)sin р cos pdp, (6)
ho 0
где - = 6,76 • 10 см г с - лесажевская константа тяготения; Р(Р) - вероятность поглощения гравитонов, пронизывающих тело вдоль хорды, исходящей из точки наблюдения и ориентированной под углом р к направлению на центр тела.
Если масса некоторого гипотетического тела неограниченно возрастает, то получается Р(Р) ^ 1, т. е. тело становится «непрозрачным» для гравитонов. На поверхности такого тела сила тяжести принимает (вопреки закону Ньютона) предельно возможное конечное значение
g =
%
-
h0
При - = 6,76 • 10 8 см3 г 1 с 2 и h0 = 6,2 Z имеем
g = 3,4 -105 см/с2.
(7)
(8)
Вернемся к воззрениям автора методики, которому для обеспечения согласия гипотезы «узконаправленности» с реальной силой тяжести на поверхности Земли пришлось (см. [23, 25]) ввести невероятно высокий показатель поглощения:
h0 = 140 Z. (9)
21
Геодезия
Налицо явное несоответствие верхнему пределу (3) и опытным значениям (4) и (5). А если подставить (9) в (7), то окажется, что сила тяжести на любом небесном теле не должна превышать величины 1,52 ■ 10 см/с . Напомним, что у Солнца и Юпитера соответственно g = 2,74 ■ 10 и 2,49 ■ 10 см/с .
К сожалению, эти противоречия проигнорированы, не принята во внимание статья [32] выдающегося астрофизика Г.Н. Рассела, в которой показано, что даже при майорановском h0 = 6,7 Z возникали бы ощутимые деформации орбитальных движений в Солнечной системе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Опыт и результаты применения высокоточной гравиразведки при прямых поисках нефти на примере Верх-Тарского и Малоичского месторождений / Агульник И.М., Звягин Е.М., Колчин С. А., Михайлов И.Н., Яковенко А.А. // Повышение геологической эффективности и практические способы интерпретации гравиразведочных работ: сборник научных трудов. - М.: ВНИИГеофизика, 1982. - С. 58-65.
2. Алексеев А.С., Дедов В.П., Тригубович Г.М. Геофизики должны хорошо знать механику // Геофизика. - 2007. - № 3. - С. 55-62.
3. Буданов В.Г. Механизм влияния микросейсм на показания кварцевых наземных гравиметров // Прикладная геофизика. - 1997. - Вып. 86. - С. 99-116.
4. Василевский А.Н. «Фокусирующая» инверсия гравитационного поля в задачах мониторинга процесса заводнения на газовых месторождениях // Материалы международной конференции «Математические методы в геофизике (ММГ-2008), 13-15 октября 2008 г. -Новосибирск, 2008.
5. Веселов К.Е. Об «узконаправленном приеме гравиметрической информации» // Повышение геологической эффективности и практические способы интерпретации гравиразведочных работ: сборник научных трудов. - М.: ВНИИГеофизика, 1982. - С. 49-51.
6. Веселов К.Е., Горин В.П., Глухова Е.В., Науменко-Бондаренко О.И. Инерционные аномалии - новый источник геологической информации // Прикладная геофизика. - 1992. -Вып. 127. - С. 54-61.
7. Витвицкий О.В. Локальный прогноз нефтегазоносности по данным высокоточной гравиразведки // Прикладная геофизика. - 1990. - Вып. 122. - С. 107-118.
8. Галимов Р.В., Дедов В.П., Дорохин В.М. Неньютоновская гравитация или микро-сейсмы в гравиметрических экспериментах? // Метрология. - 1990. - № 5. - С. 30-34.
9. Горбатиков А.В., Ларин Н.В., Моисеев Е.И., Беляшов А.В. Применение метода микросейсмического зондирования для изучения строения погребенной трубки взрыва // ДАН. -2009. - № 428 (4). - С. 526-530.
10. Дедов В.П., Рыжкин Ю.В., Филимонов Б.П. Возможная роль Земли в гравитационных опытах // Проблемы гравитации и теории относительности. - М.: Изд-во УДН, 1986. -С.146-152.
11. Дедов В.П., Филимонов Б.П., Рыжкин Ю.В., Шейкин А.Р. Гравитационный экранный эффект в G-экспериментах // Измерительная техника. - 1999. - № 10. - С. 17-23.
12. Дедов В. П., Филимонов Б. П. О промахах в тестировании и использовании рабочих гипотез гравитационных опытов // Измерительная техника. - 2006. - № 4. - С. 7-12.
13. Дедов В.П., Омельченко О.К., Тригубович Г.М., Филимонов Б.П. О перспективах разведки методом проходящих микросейсмических волн естественного эндогенного происхождения // Геофизика. - 2006. - № 3. - С. 30-40.
14. Дедов В.П., Дорохин В.М., Каленицкий А.И., Филимонов Б.П. Микросейсмический сигнал пружинного гравиметра // Измерительная техника. - 2007. - № 3. - С. 48-51.
22
Геодезия
15. Дедов В.П., Тригубович Г.М., Филимонов Б.П. Микросейсмические разведочные признаки залежей углеводородов // Методы прямого прогнозирования залежей углеводородов: тезисы докладов научно-практической конференции 24-26 ноября 2008 г. - Новосибирск: СНИИГГиМС, 2009. - С. 88-92.
16. Каленицкий А.И., Дедов В.П., Филимонов Б.П., Дорохин В.М. Воздействие микро-сейсм на показания пружинного гравиметра // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. - 2005. - Вып. 10. - С. 43-49.
17. Лоджевский М.И., Михайлов И.Н., Чертовских К. А. Возможности гравиразведки при поиске и изучении подземных сооружений // Разведка и охрана недр. - 2002. - № 2. -С. 38-41.
18. Мельхиор П. Физика и динамика планет. Ч. 2. - М.: Мир, 1976. - С. 483.
19. Михайлов И. Н. Разработка новых принципов интерпретации гравиразведки // Повышение геологической эффективности и практические способы интерпретации гравиразведочных работ: сборник научных трудов. - М.: ВНИИГеофизика, 1982. - С. 40-48.
20. Михайлов И.Н., Веселов К.Е. Результаты и место гравиразведки в проблеме прямого прогнозирования нефти и газа // Прикладная геофизика. -1989. - Вып. 120. - С. 147-153.
21. Михайлов И.Н. Методика ГОНГ: Гравиразведка. Справочник геофизика. - М.: Недра, 1990. - С. 530-532.
22. Михайлов И.Н. Рабочая гипотеза о физических и теоретических основах интерпретации по методике ГОНГ // Прикладная геофизика. - 1995. - Вып. 129. - С. 119-124.
23. Михайлов И.Н. Гравитация и гравиразведка. Физические основы и практическая реализация // Геофизика. - 2005. - № 1. - С. 38-49.
24. Михайлов И.Н. Геофизики хорошо знают не только механику // Геофизика. -2008. - № 5. - С. 76-80.
25. Михайлов И.Н. Проблема внедрения разработанных и разрабатываемых технологий в практику геологоразведочных работ на нефть и газ // Геофизика. - 2010. - № 3. - С. 16-21.
26. Сагитов М.У. Постоянная тяготения и масса Земли. - М.: Наука, 1969. - 188 с.
27. Садовский М.А., Николаев А.В. Новые методы сейсмической разведки. Перспективы развития // Вестник АН СССР. - 1982. - № 1. - С. 57-64.
28. Dedov V.P., Omelchenko O.K., Trigoubovich G.M., Filimonov B.P. On a seismic prospecting method in propagation of endogenous microseismic waves: Bull. of the Novosibirsk computing Center, Issue 11 // NCC Publisher, Novosibirsk, 2006. - С. 65-83.
29. Dedov V.P., Dorokhin V.M., Kalenitskii A.I., Filimonov B.P. Microseismic signal of a spring gravimeter: Measurement Techniques. - 2007. - 50, № 3. - 302-307 (USA).
30. Edwards M.R. (edit.) Pushing gravity. New perspectives on a Le Sage's theory of gravitation: Publ. by C. Roy Keys Inc., Apeiron, Montreal, 2002. 316 p.
31. Fajklewicz Z. Origin of the anomalies of gravity and its vertical gradient over cavities in brittle rock: Geophys. Prosp., 34, 2002. 1233-1254.
32. Russell H.N. On Majorana's theory of gravitation: Astrophys. Jour. 1921, 54, 5, 334-346.
33. Schlomka T. Uber die Abhangigkeit der Schwerkraft vom Zwischenmedium: Zeitschrift fur Geophysik,1927, 3, 397-400.
34. Schlomka T. Uber die Abhangigkeit der Schwerkraft vom Zwischenmedium: Zeitschrift fur Geophysik, 1930, 6, 392-396.
Окончание в следующем выпуске «Вестник СГГА» № 2 (18) 2012.
Получено 21.02.2012
© В.П. Дедов, 2012
23
