Зарождение сейсморазведки

Из книги "Ильина Т.Д. Формирование советской школы разведочной геофизики (1917-1941 гг.).-М.:Наука, 1983. 216 с."

 

Глава 5. Зарождение сейсморазведки

                Одним из важных приложений физики упругих волн и математической теории распространения колебаний к природным средам явились сейсмические методы разведки полезных ископаемых. Зарождение первых методов связано с развитием физики и широким проникновением физико-математических методов в естественные науки, с развитием сейсмологии. В отличие от общей сейсмологии, методы интерпретации которой базируются на уравнениях классической теории упругости и представлениях об идеальной упругости тел, при изучении строения верхних слоев земной коры (одна из основных задач сейсморазведки) требуются точные знания упругости различных пород.

                В сейсмических методах разведки в качестве источника колебаний используются  искусственные землетрясения, обычно взрывы, и изучаются возникшие упругие волны (в 70-х годах в сейсморазведке начали применяться невзрывные источники колебаний). Наблюдая за их распространением, определяя время между возбуждением и приходом волны к месту регистрации, период и амплитуду колебаний, характеризующих упругие свойства погребенных горных пород, в конечном счете можно судить о геологическом строении исследуемого района, выявлять структурные формы и состав слагающих пород.

                В развитии знаний о распространении упругих колебаний в земной коре можно отметить следующие этапы: накопление сведений о землетрясениях, разработка основ общей теории распространения упругих колебаний в твердых телах, изучение искусственных землетрясений – взрывов, применение искусственных землетрясений к разведке полезных ископаемых.

                Первые приборы, отмечающие толчки землетрясений, были созданы в XII-XIII вв. Основы теории колебаний упругих сред и распространения сейсмических волн – лучей связаны с именами великих математиков и физиков братьев Бернулли, Х. Гюйгенса, П. Ферма, М.В. Ломоносова, Р. Гука, Д.Г. Стокса, У. Кельвина, Д.У. Рэлея и других. Теория создавалась постепенно, начиная с XVII в., но наиболее глубокое и широкое развитие получила в конце XIX и особенно XX в.

                Изучение скорости распространения упругих колебаний в земной коре, вызванных искусственных землетрясениями – взрывами, началось в середине XIX в., а в первых десятилетиях XX в. стало возможным их использование для детального изучения неоднородностей верхних слоев земной коры и разведки полезных ископаемых.

                В СССР на основе  накопленных знаний в 20-х годах XX в. были проведены первые опытные работы, доказавшие практическую пригодность сейсмических методов к разведке полезных ископаемых. В конце 20-х – начале 30-х годов были опробованы и внедрены в разведку методы  преломленных и затем отраженных волн. В 30-х годах благодаря усилиям Г.А. Гамбургцева, сформировавшего научную и производственную школу, сейсмическая разведка была включена в общий комплекс геофизических методов.

 

Опыт научного использования «искусственных землетрясений» в середине XIX - начале XX в.

                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, или, как он выразился, «ввести изучение землетрясений в разряд точных наук», систематизировать «необъятное количество фактов, содержащихся в рассказах о землетрясениях», и при помощи  установленных законов высшей механики построить теорию «сотрясений земного шара». Маллет по результатам своего опыта вычислил скорости распространения упругих волн в земной коре, но его данные основывались на весьма неточных измерениях времени взрыва и прихода волн к регистрирующему прибору.

                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. Известный английский горный инженер и сейсмолог Джон Милн (1850-1913) работал двадцать 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. В Японии широкой применение сейсмографов Милна обеспечило сбор и накопление инструментальных данных о землетрясениях. Милн разработал также математическую теорию распространения волн в упругих телах, которая впоследствии нашла применение в сейсмологии.

                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. Опыты по определению скорости распространения упругих колебаний в горных породах проводили в конце 80-х годов прошлого XIX века Л. Фуко и М. Леви. Для возбуждения колебаний они использовали взрывы пороха, динамита и сотрясения от работы 100-тонного пресса. Регистрация прохождения сейсмических волн производилась ими с помощью фотоаппарата, фиксирующего волны на поверхности ртути в блюдечке.

                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. Он был выдающимся физиком своего времени, успешно занимался молекулярной физикой и затем сейсмологией. Его путь в науке оказался довольно сложным и трудным.

                Б.Б. Голицын, будучи сторонником точных измерений и исследований физических процессов, в том числе природных, начал свой путь в сейсмологии с разработки приборов для регистрации колебаний почвы при землетрясениях. Он создал принципиально новый тип сейсмографа с электромагнитным затуханием. Это обеспечило возможность регистрации сдвигов почвы порядка несколько микрон и записи отдаленных и слабых толчков. Возможности работы нового сейсмографа и его отдельных устройств подробно обсуждались на заседаниях Сейсмической комиссии 15.X 1902 и 3.III 1903 г. Подробное описание прибора было изложено в нескольких статьях, многочисленных докладах и сообщениях, в также в книге «Лекции по сейсмометрии», вышедшей в 1912 г. В России было изготовлено несколько партий таких сейсмографов.

                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.

                Применение вертикальных сейсмографов Б.Б. Голицына в отличие от сейсмографов Вихерта давало возможность судить о характере первой дошедшей до станции упругой волны и определять, является ли она волной сжатия или растяжения, что имеет существенное значение при вычислении географического положения эпицентра землетрясения. Сравнивая вертикальную и горизонтальную составляющие колебаний почвы, записанные соответствующими сейсмографами системы Б.Б. Голицына, можно было судить о скорости сейсмической волны, ее траектории и, следовательно, о физических свойствах глубинных слоев и их границ в земной коре и верхней мантии.

                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.

В Академии наук Б.Б. Голицын организовал сеть сейсмических станций на всей территории России. Станции были снабжены сейсмографами высшего класса конструкции Б.Б. Голицына и вели непрерывное наблюдение. 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.

К заслугам Б.Б. Голицына относятся и его доказательства важности подбора специального оборудования для сейсмических станций, 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. В подвале главного здания Пулковской обсерватории при содействии ее директора О.А. Баклунда была создана временная сейсмическая станции. Были испытаны горизонтальный сейсмограф Вихерта-Минтропа для регистрации короткопериодических колебаний, вертикальный и малый горизонтальный сейсмографы Б.Б. Голицына [Никифоров, 1926а]. 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.

Результаты этих испытаний дали возможность Б.Б. Голицыну не только определить технические требования к конструкции сейсмографов, но и сделать ряд важных научных обобщений. 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.

                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. Его ученик, известный советский сейсмолог П.М. Никифоров вспоминает о нем как о человеке, увлеченном наукой, энергичном, прямом и в то же время сердечном и доброжелательном.

                Существенное влияние на зарождение первым 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, анализируя сейсмограммы от близких землетрясений, подметил, что на записях сейсмографов, расположенных на расстояниях от 300 до 700 км, первая зафиксированная фаза раздваивается; это означало, что помимо волны Р, прошедшей через глубокие слои, появляется еще одна волна Р. Эта волна отмечается при расстояниях менее 300 км, в при расстояниях более 700 км регистрируются только глубинные волны. Он объяснил это явление тем, что от очага землетрясений часть сейсмических волн Р приходит к сейсмографу непосредственно по воздуху, а часть проходит по земной поверхности и затем достигает сейсмографа. При расстоянии от очага землетрясений в 300 км время пробега обеих волн одинаково, а при большем расстоянии волна Р проходит свой путь быстрее. По графикам времени пробега, по его мнению, можно определить границы раздела между верхним континентальным и нижележащим (более проводящими) слоями.

                Это навеяло Э. Вихерта на мысль применять искусственные землетрясения для детального изучения земной коры и поисков месторождений полезных ископаемых. Но поскольку глубина их залегания относительно мала и время прохождения упругих колебаний через эти слои также ничтожно мало при высокой скорости их распространения в твердых телах, для практических целей требовалось точное, до тысячных долей секунды, определение времени прихода волн и применение высокочувствительных сейсмографов. При этих условиях по записям искусственных землетрясений можно сделать заключение о глубине залегания отражающих слоев, границах раздела между горными породами различной плотности и определить скорости распространения в них упругих колебаний. Глубина распространения сейсмических волн при такого рода исследованиях должна зависеть от силы взрыва и чувствительности сейсмографа.

                В статье Э. Вихерта, опубликованной в 1907 г., помимо общих вопросов распределения масс в земном шаре, была подробно разработана теория распространения упругих волн [Wiechert, 1907]. 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 и аппаратура Фессенда, предложившего использовать звуковые волны. 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.

                Одним из первых методов, получивших распространение в геологической разведке, был метод годографов, или метод первых вступлений, запатентованный немецким геофизиком Л. Минтропом в 1917 г. Он, следуя уже наметившейся к тому времени традиции, использовал для возбужения упругих волн взрывы, а для регистрации – портативные полевые сейсмографы.

                Теоретические и практические основы метода Минтропа долгое время сохранялись в секрете фирмой, производившей по договорам разведочные геофизические работы различными, в том числе сейсмическими, методами.

                В общих чертах метод Минтропа был описан им только в 1922г. [Mintrop, 1922], а позднее Р. Амбронном в руководстве по геофизике [Ambronn, 1926] и Ю.А. Стигандом в «Очерках природного проявления и геологии нефти» [Stigand, 1925]. Минтроп исследовал пути прохождения волн, возбуждаемых взрывами, через воздух, по поверхности земли, через породы, вдоль границ раздела рыхлых и плотных пород, через глубокие слои и горизонты. Он отметил замедление скорости сейсмических и акустических волн в рыхлых породах и их усиление в более твердых породах. В качестве рекомендаций применения метода к разведке полезных ископаемых ископаемых Минтроп приводил возможность определения положения соляных куполов, отражающих сейсмические волны. 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. По мнению П.М. Никифорова, эта теория была до крайности элементарна и сводилась к простому геометрическому построению распространения сейсмических лучей по законам отражения и преломления, принятым в оптике и акустике. П.М. Никифоров видел в этом противоречия с твердо установившимися физическими законами, но допускал, однако, применение выведенных немецкими учеными формул в качестве первого, грубого приближения к действительности.

                В 20-х годах применимость принципов геометрической сейсмики, предложенных Л. Минтропом, оставалась, по словам Ю.В. Ризниченко [1947], спорной. Только в 30-х годах теоретические работы сотрудников математического отдела Сейсмологического института АН СССР В.И. Смирнова, С.Л. Соболева, Е.А. Нарышкиной, Д.П. Кирноса и других позволили предположить справедливость принципов геометрической сейсмики в отношении вступлений прямых и отраженных волн, где они не вызывают сомнений [Ризниченко, 1947].

 

Первые методы сейсморазведки, предложенные в 20-х годах в СССР

                В СССР методы сейсмической разведки начали разрабатываться в 20-х годах XX века. Первый в нашей стране оригинальный метод сейсмической разведки предложил в 1922 г. инженер В.С. Воюцкий. Он показал, что для разведочных целей можно использовать не только преломленные минтроповские, но и отраженные волны [Гамбурцев, 1947]. Однако для осуществления идеи В.С. Воюцкого необходимо было провести теоретические исследования распространения упругих волн в земной коре и располагать соответствующими типами сейсмографов. В связи с этим предположение В.С. Воюцкого было реализовано только в 30-х годах XX века.

                В 20-х годах XX века предпринимались попытки использовать метод минтроповских волн. Для этого надо было прежде всего представить теоретическую модель прохождения таких волн. Основы теории использования преломленных минтроповских волн для сейсморазведки достаточно разработали советские ученые А.И. Заборовский и П.П. Лазарев. Они, как и Л. Минтроп, приняли гипотезу о подчинении хода сейсмического луча принципам Ферма и Гюйгенса, преломлении его границей раздела горных пород под критическим углом. Выбрали схему и показали направление, по которому упругие колебания распространяются за кратчайшее время. Такая схема, называемая схемой «наклонного луча», разрабатывалась также В.Ф. Бончковским.

                Статьи А,И. Заборовского и П.П. Лазарева были опубликованы одновременно в «Журнале прикладной физики» [Заборовский, 1926; Лазарев, 1926б]. Рассматривая путь сейсмического луча, авторы исходили из того, что при прохождении через несколько сред луч преломляется и при встрече с более упругим слоем немного проникает в этот слой, здесь при все увеличивающейся скорости искривляется и вновь выходит из упругого слоя. А.И. Заборовский дал расчет скоростей и времен пробега преломленных волн для упругих сред, близких к реальным.

                Большое значение в ускорении разработок сейсмического метода разведки имели работы П.П. Лазарева. На примере исследований Курской магнитной аномалии он увидел значение физического подхода к пониманию природных явлений.

                П.П. Лазарев предварительно изучил метод Минтропа по патентным заявкам и проспекту немецкой геофизической фирмы «Сейсмос», которая проводила сейсмическую разведку во многих странах и накопила обширный материал. В рекламных изданиях, как и следовало ожидать, не оказалось никаких интересных для практики сведений. Поэтому П.П. Лазареву пришлось прежде всего рассмотреть теорию метода, с тем чтобы можно было использовать сейсмические методы в разведке полезных ископаемых. Основы теории сейсмического метода разведки были опубликованы им в серии статей [Лазарев, 1926б-г]. Это были первые в мировой литературе статьи по интерпретации сейсмических данных.

                В статье «О некоторых задачах сейсмического метода исследования глубины залегания горных пород» [Лазарев, 1926а] им была разработана основа общей теории прохождения отраженных волн при разведке рудных залежей, ограниченных плоскостями. Имея в виду залежи магнитных руд в районе КМА, П.П. Лазарев рассмотрел случаи параллельных и наклонных к горизонту плоскостей. Для описания хода отражений от плоскостей раздела волны им был использован способ эллипсов, который и в настоящее время применяется на практике наряду с другими способами построения отраженных границ. П.П. Лазарев рассмотрел случай, когда от импульса или взрыва, произведенного в произвольной точке земной поверхности, упругие волны распространяются в толще земной коры. Прибором могут быть зарегистрированы продольные, поперечные и отраженные волны. Он установил необходимые условия, когда прибором могут быть последовательно зарегистрированы «сначала непосредственно продольная, затем отраженная продольная и непосредственная поперечная волна» [Лазарев, 1926а].

                П.П. Лазарев рассмотрел ход сейсмического луча между двумя отражающими горизонтами, расположенными параллельно или под некоторым углом (т.е. для случая наклонного пласта). Он вывел простые формулы определения положения рудной залежи, ограниченной плоскостями, отражающими упругие волны, возникшие в результате искусственного взрыва на поверхности. По его подсчетам, необходимый для выявления залежи импульс мог быть получен при взрывах небольших (до 600 г.) количеств тротила и других взрывчатых веществ.

                По выведенным П.П. Лазаревым формулам можно было ориентировочно определить направление и глубину залегания рудного тела по данным нескольких сейсмографом, расположенных под различными азимутами. Он также показал, что могут существовать волны, прошедшие через залежь, которые также могут регистрироваться сейсмографами. В случае, если залежь невелика, эти преломленные залежью волны практически не должны совпадать с отраженными.

                В статье «О приложении метода кратчайшего подхода Гельмгольца для исследований слоистых сред» [Лазарев, 1926а] теоретические развиваются основные идеи сейсмической разведки методом преломленных волн. П.П. Лазарев детально разработал формулы определения времен пробега по методу Минтропа на основе геометрических построений хода сейсмического лучей в случаях отражения и преломления его различными средами и плоскостями.

                Интересно отметить, что, рассматривая общий ход сейсмического луча в случае двух сред, П.П. Лазарев отметил возможность возникновения вдоль поверхности раздела сред волн, идущих в обратном направлении, причем в идеальном случае, их, по его мнению, не должно было быть.

                Путь преломленных волн, предсказанный П.П. Лазаревым, позднее оспаривался зарубежными сейсмологами. Однако, согласно более точным специальным работам по математической теории упругих волн и полученным экспериментальным данным, было доказано существование таких волн, которые должны возникать во всех случаях, к том числе и в идеальном. На регистрации этих волн основан современный метод разведки преломленными волнами.

                В 1927 г. в Германии была опубликована работа Швейдера и Рейха о результатах экспериментальных работ изучения сейсмического луча [Sweydar and Reich, 1927]. Они отказались от схемы наклонного луча Минтропа и рассмотрели свою схему «нормального луча», при которой колебания от места взрыва идут по нормали к поверхности раздела слоев и, достигнув его в кратчайшее время, вызывают колебательные движения, распространяющиеся затем вдоль границы раздела. Второй слой действует на вышележащий, и в результате упругая волна возвращается к поверхности земли под прямым углом. Многое в этой схеме было неясно и требовало проверки. Они применили прибор, получивший в дальнейшем широкое распространение в СССР. В приборе смонтированы для вертикальной и горизонтальной составляющей два маятника с одинаковым увеличением и периодом собственных колебаний, что давало возможность определить углы сейсмической радиации.

                Схемы Минтропа и Швейдара исследовались экспериментально и теоретически. Поскольку кратчайшее время распространения упругих колебаний в неоднородных средах, как правило, не соответствует времени прохождения геометрически кратчайшего расстояния между источником и приемником, для приложения законов геометрической оптики к сейсмическим лучам требовались дополнительные исследования. Только в 1938 г. XX века О. Шмидту удалось непосредственно сфотографировать распространение волн в жидких и твердых средах и показать его соответствие законам геометрической сейсмики [Ризниченко, 1947]. В СССР исследованиями в этой области начали заниматься с конца 20-х годов XX века сотрудники Сейсмологического института под руководством П.М. Никифорова.

 

Создание сейсмологического института и работы по сейсморазведке, проводимые под руководством П.М. Никифорова в конце 20-х – начале 30-х годов XX века.

                Одним из создателей и организаторов работ по сейсмологии и сейсморазведке и советскому геофизическому приборостроению был ученик Б.Б. Голицына, член-корреспондент АН СССР (с 1932 г.) Павел Михайлович Никифоров (1884-1944).  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. За четыре года с его помощью было оборудовано и открыто семь станций первого класса и семнадцать второго класса.

                После смерти Б.Б. Голицына в 1916 г. Н.И. Никифоров возглавил и физическую лабораторию, и Сейсмическую комиссию, а к 1918 г. он оставался единственным штатным сотрудником комиссии. В 1918-1921 гг. П.М. Никифоров по собственной инициативе принял меры к восстановлению разрушенных во время мировой и гражданской войн сейсмических станций. Вскоре после передачи в 1912 г. Сейсмической комиссии в состав Физико-математического института восстановленные станции начали работать и в 1924 г. по предложению директора института академика В.А. Стеклова были включены в состав Международной сейсмической сети Союза геодезии и геофизики [Никифоров, 1927].

                П.М. Никифоров принимал активное участие в геофизических исследованиях района КМА, где проводил гравиметрические измерения. В последующие годы он сконструировал облегченный вариант полевого гравитационного вариометра, работал в гравиметрических партиях по разведке полезных ископаемых. Одновременно он работал в области создания приборов и аппаратуры для сейсмических методов разведки и был одним из первым ученых, посвятивших опыты сейсмического исследования верхних слоев Земли с помощью разработанных им сейсмографов. Прототипом полевого разведочного сейсмографа был созданный П.М. Никифоровым 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.

                П.М. Никифоров, имея многолетний опыт работы с сейсмографами, смог в 1925 г. по аналогии с задачами гравиметрической разведки сформулировать требования к исследованиям неоднородностей земной коры с использованием регистрации сейсмических волн. Через год после опубликования А.И. Заборовским и П.П. Лазаревым первых статей об основах сейсмической разведки [Заборовский, 1926; Лазарев, 1926а-г] П.М. Никифоров впервые в нашей стране провел широкие экспериментальные исследования с искусственными источниками землетрясений в районе Луги под Ленинградом.

                Конкретная практическая задача заключалась в том, чтобы выяснить пригодность существовавших в то время сейсмографов различного назначения для регистрации искусственных землетрясений, вызванных взрывами, и экспериментально проверить основные теоретические предпосылки применения сейсмического метода к горной разведке. Было выполнено две серии опытов. В первой производилась запись упругих колебаний и эталонирование приборов при возбуждении колебаний механическим путем (сбрасывание грузов с разных высот). Во время второй серии испытаний с целью изучения распространения упругих колебаний в поверхностных слоях земной коры была произведена серия взрывов на различных расстояниях от прибора, изменялись количество и состав взрывчатых веществ, глубина заложения зарядов и т.п.

                В результате испытаний, проведенных в Луге, удалось установить скорость распространения упругих колебаний в поверхностных слоях данного района и коэффициент поглощения энергии колебаний этими слоями, определить зависимость относительных полей энергии колебания этими слоями, определить зависимость относительных полей энергии взрывов от порохов различного состава и местоположения источника взрыва, а также выявить несколько типов волн, возникающих в земной коре при одиночном возбуждающем импульсе. Были намечены и проверены способы определения строения земной коры в ограниченном районе испытаний и при ограниченной мощности наносов, причем наблюдения проводились двумя взаимоконтролирующими методами. Важным следствием сравнительных испытаний сейсмографов и записи ближних взрывов было предварительное установление основных технических характеристик, какими должны были бы обладать сейсмографы, предназначенные для использования при сейсмической разведке полезных ископаемых [Никифоров, 1926а].

                Осенью 1926 г. сейсмологическим отделом физико-математического института под руководством П.И. Никифорова была проведена сейсмическая экспедиция в район Кривого Рога. На трех участках параллельно с гравиметрическими работами проводились взрывы по простиранию на различных расстояниях (от 75 до 1000 м) от регистрирующего прибора. Помимо решения методологических задач, экспедиция должна была определить глубину залегания железистых кварцитов в нескольких районах. В составе экспедиции работали Е.А. Коридалин, Д.П. Кирнос, С.И. Масарский. Вся аппаратура экспедиции состояла из одного горизонтального сейсмографа Вихерта-Минтропа модели 1911 г., испытывавшегося в Луге. В портативное регистрирующее устройство были внесены самые элементарные усовершенствования. В результате работ была определена глубина залегания кварцитов (40 м.), совпадающая с данными гравиразведки и шурфования, а также установлена непригодность данного типа сейсмографа для разведочных целей [Кирнос и др., 1934].

                В том же году Геологический комитет организовал первые опытные полевые сейсмические работы на Алтае.

                Если к середине 20-х годов магнитные, гравиметрические и электроразведочные методы уже начали применяться в разведке полезных ископаемых и, таким образом, была доказана целесообразность использования в разведке полезных ископаемых результатов фундаментальных научных исследований, то сейсмические методы разведки в то время еще не получили должного признания.

                К заслугам П.М. Никифорова относятся первые доказательства практического  значения методов сейсмологии и для нужд народного хозяйства. В 1927 г. в одном из районов строительства железной дороги он развернул сеть временных сейсмических станций и за несколько месяцев собрал необходимые сведения о сейсмичности отдельных участков Турксиба. Позднее аналогичные исследования были проведены под его руководством при строительстве Сулакской гидроэлектростанции и Транскавказской железной дороги.

                П.М. Никифоров был активным пропагандистом внедрения геофизических методов разведку полезных ископаемых.

                В статье «Сейсмология и гравитация в Академии наук», опубликованной в журнале «Природа» в 1925 г., он обратил внимание читателей на практическую сторону исследований, проведенных в Академии наук в области гравиметрии и сейсмологии. Отмечая значение теоретических исследований академика В.А. Стеклова по общей теории гравитационного вариометра и созданию советских гравитационных вариометров, П.М. Никифоров указал на необходимость исследований распространения колебательных движений в упругих средах и горных породах с целью применения их для разработки практических методов сейсморазведки.

                На Всесоюзном совещании по вопросам охраны и рационального использования нефтяных недр в Москве в ноябре 1925 г. П.М. Никифоров сделал доклад «О применении геофизических методов к разведке нефтяных месторождений» [Никифоров, 1925а]. Он подробно остановился на тех сведениях, какие можно было почерпнуть из иностранной литературы о применении сейсмической разведки по методу Минтропа. В принятой на совещании резолюции отмечалось, что обширность районов, имеющих признаки нефти, и сравнительная медлительность геологических и разведочных работ побуждать искать более скорые методы исследования, и указывалось на возможность применения для целей разведки «так называемых геофизических методов, в том числе сейсмического», о котором говорилось в докладе П.М. Никифорова [Нефт. хозяйство, 1925, №11/12, с.912].

                В мае 1926 г. П.М. Никифоров в составе советской делегации участвовал в работе XIV сессии Международного геологического конгресса в Мадриде. Он продемонстрировал участникам конгресса сконструированные им и изготовленные в мастерских Физико-математического института полевые сейсмограф и гравитационный вариометр. Новые приборы чрезвычайно заинтересовали и геологов, и геофизиков. Его доклад о первых опытах сейсмической и гравиметрической разведки был одобрен, а П.М. Никифоров был избран представителем СССР в Постоянное международное бюро прикладной геофизики [Материалы к истории АН СССР, 1950].

                В октябре-ноябре 1926 г. П.М. Никифоров выступил с докладом на III Всетихоокеанском международном конгрессе о работе сейсмической сети и первых опытах сейсмической разведки, а в июне 1927 г. он в составе советской делегации, в которую входили также В.И. Вернадский, А.Ф. Иоффе, А.Е. Ферсман, А.А. Борисяк и другие ученые, принял участие в Неделе русской науки в Берлине. В сентябре того же года П.М. Никифоров демонстрировал сконструированный им сейсмограф на общем собрании Международного геодезического и геофизического союза в Праге. Союз решил ходатайствовать перед Академией наук СССР «о предоставлении возможности снабдить такими сейсмографами все страны». На этом собрании он был избран в состав постоянной Международной комиссии при Центральном Международном бюро сейсмологии.

                И в последующие годы П.М. Никифоров активно вел пропаганду достижений советской науки за рубежом. Помимо обстоятельных докладов о достижениях советских геофизиков на различных конгрессах и симпозиумах, он выступал с подробными сообщениями на эту тему во время служебных командировок. В 1930 г. П.М. Никифоров по приглашению крупнейших немецких университетов Гёттингена, Мюнхена, Йены и некоторых научных обществ прочитал в Германии серию докладов о развитии прикладной геофизики и сейсмологии в СССР и своих научных работах в этих областях. В том же году на IV Международном конгрессе по геодезии и геофизике в Стокгольме он был избран членом Международной гляциологической комиссии.

                Работы П.М. Никифорова в области теории и аппаратуры геофизических методов разведки получили признание на Международном геологическом конгрессе. На XVI сессии конгресса в 1934 г., проходившей в Вашингтоне, он заочно был избран председателем Постоянной комиссии по прикладной геофизике. На XVII сессии конгресса в Москве П.М. Никифоров вновь избрали председателем той же комиссии, статус которой по его предложению был одобрен конгрессом. Он был избран членом Американского сейсмологического, Немецкого физического и других научных обществ.

                Несмотря на активность П.М. Никифорова и других ученых, производственные методы сейсморазведки в 20-х годах еще не были созданы. Опытно-методические работы по сейсморазведке ускорились в конце 20-х - начале 30-х годов XX века в связи с организацией в Академии наук специализированного Сейсмологического института, необходимость создания которого стала очевидной особенно после Крымских землетрясений 26 июня и 12 сентября 1927 г. В октябре 1928 г. по инициативе П.М. Никифорова сейсмологический отдел и сейсмическая сеть Академии наук выделились из Физико-математического института в Сейсмологический институт. Директором был избран П.М. Никифоров [Материалы к истории АН СССР, 1950]. Перед новой организацией были поставлены такие основные научные и практические задачи, как всестороннее изучение механизма и условий возникновения землетрясений, а также их геологических и экономических последствий; разработка способов ослабления вредных последствий землетрясений, систематическая инструментальная регистрация землетрясений; изучение физических свойств земного шара как целого и его внутреннего строения на основании законов распространения упругих колебаний; разработка практических приложений методов сейсмометрии для прикладных целей и т.д. В области сейсмической разведки было намечено решить и экспериментально подтвердить задачи динамической теории упругости, а также создать портативную полевую аппаратуру. Для выполнения такого плана в составе Сейсмологического института были предустмотрены 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, имеющих важное значение для народного хозяйства страны, дала возможность привлечь к работе в институте с первых же дней молодежь и крупных ученых того времени – профессоров А.А. Михайлова, В.Ф. Бончковского, А.В. Вознесенского и других. 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.

                Помимо решения фундаментальных теоретических задач, о которых будет сказано ниже, в институте интенсивно проводились экспедиционные работы по опробованию различных аспектов сейсмических методов разведки и аппаратуры.

                В конце 1928 г. Сейсмологическим институтом совместно с Институтом прикладной геофизики была проведена вторая гравитационно-сейсмологическая экспедиция в район Ферганской долины, одной из наиболее интенсивных сейсмических областей страны. Начальником экспедиции был П.М. Никифоров, в состав сейсмической партии входили Н.В. Райко, Е.А. Коридалин, Д.П. Кирнос, П.М. Каратыгин, С.И. Масарский и Хоромский [Кирнос и др., 1934]. Сейсмическая партия располагала двумя горизонтальными сейсмографами Вихерта-Минтропа и одним вертикальным сейсмографом П.М. Никифорова. Приборы «устанавливались в киргизской юрте, служившей также фотолабораторией». Одновременно с сейсмическими проводились маятниковые и вариометрические исследования.

                В 1929-1930 гг. по заданию Грознефти проводились сейсмические экспедиции в составе П.М. Никифорова, Е.А. Коридалина, Д.П. Кирноса, С.И. Масарского, М.В. Осипова.  Сейсмическая аппаратура состояла из шести комплектов приборов Швейдара, в который входили сейсмограф, регистрирующий прибор и коротковолновая радиоприемная станция. В результате экспедиций Сейсмологического института уточнились требования к конструкции сейсмографов, была показана возможность использования регистрации поперечных волн и целесообразность интерпретации всего годографа, а не только первых вступлений (отмечено изменение скорости распространения упругих волн на 10-15% в пределах одного слоя).

                Однако внедрение сейсмической разведки для поисков нефтяных месторождений продвигалось чрезвычайно медленно из-за отсутствия соответствующей аппаратуры. С большим трудом достигалась необходимая синхронность записи момента взрыва и сейсмических волн, поскольку в сейсморазведке применялись еще механические сейсмографы с оптической регистрацией колебаний почвы. Каждый замер занимал много времени и требовал от персонала партии не только высокого, но даже виртуозного владения техникой.

                К числу первых сейсмических исследований нефтяных месторождений у нас в стране относятся следующие. Экспедиция Сейсмологического института под руководством Н.В. Райко и П.М. Никифорова проводила разведку в 1929 г. в Грозненском нефтяном районе, сейсмическая экспедиция под руководством Д.П. Кирноса в 1931 г. вела исследования в Закавказье, сейсмический отряд под руководством Г.П. Горшкова изучал тектонику, сулакская экспедиция С.И. Масарского в 1932 г. работала в Дагестане. С 1934 г. по заданию Востокнефти Сейсмологический институт начал опытные сейсморазведочные работы в районе Ишимбаево. К тому времени была несколько улучшена техника измерений. Разработкой аппаратуры и методики интерпретации занимались Е.А. Коридалин, С.И. Масарский, П.М. Никифоров и А.Е. Островский [Коридалин и др., 1936]. Следует отметить методику интерпретации, разработанную Е.А. Коридалиным на основе использования принципа корреляции фаз [Коридалин и др., 1935]. В дальнейшем, как отмечает Ю.В. Ризниченко [Ризниченко, 1947], введение корреляции фаз открыло реальную возможность прослеживания волн, приходящих на фоне других колебаний, являющихся в отношении этих волн помехами и часто сравнимых по интенсивности с основными полезными колебаниями. Корреляция фаз, разработанная для метода отраженных волн только в 1938-1940 гг., была применена в интерпретации данных сейсморазведки методом преломленных волн и послужила основой для создания Г.А. Гамбурцевым и его учениками корреляционного метода преломленных волн (КМПВ).

                В 1929-1930 гг. сотрудники Сейсмологического института Д.П. Кирнос, Е.А. Коридалин, С.И. Масарский, Н.В. Райко провели опыты использования поперечных волн в сейсмической разведке (1934-1935 гг.) [Коридалин и др., 1936]. Эти опыты были проведены совместно с трестом Грознефть для выяснения строения нефтеносных структур на Затеречной равнине с самой простейшей аппаратурой. Продолжалось изучение физического смысла распространения упругих, в том числе минтроповских, волн [Кирнос, 1935].

                Кроме того, Сейсмологический институт с целью детального расчленения земной коры по сейсмическим скоростям организовал в 1936 г. наблюдение над взрывом в Коркино под Челябинском. Было взорвало 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. Обработку полученных даны провели П.М. Никифоров и Е.А. Коридалин при консультации геолога А.Д. Архангельского.

                В математическом отделе Сейсмологического института были поставлены исследования по теории упругости, не утратившие своего значения и до наших дней.

                Так, в 1930 г. В.И. Смирновым и С.Л. Соболевым проводился ряд исследований распространения волн в упругом полупространстве. В работе С.Л. Соболева «Применение теории плоских волн к задаче H.Lamb» [1932] решение этой задачи было четко сформулировано. Применение динамической теории упругости В.И. Смирнова и С.Л. Соболева давало возможность подойти к установлению количественных соотношений физических параметров глубинных зон земной коры с режимами колебаний, записанными на земной поверхности при землетрясениях или искусственных взрывах [Смирнов, Соболев, 1935].

                В 1934 г. Е.А. Нарышкина использовала теорию упругости для решения задач о распространении колебаний в трехмерном упругом полупространстве [1934б] и для двумерного пространства, когда источник колебаний расположен в любой точке твердой или жидкой среды [1934в].

                Теоретические работы по распространению упругих колебаний в твердых телах были в дальнейшем использованы для разработки методов интерпретации сейсморазведки и обоснования применимости принципов геометрической сейсмики в практической сейсмометрии [Ризниченко, 1947].

                Как было показано, в начале 30-х годов XX века по инициативе П.М. Никифорова в СССР были проведены первые опыты регистрации специальных мощных взрывов для изучения строения земной коры. Научно-исследовательские работы по сейсмике взрывов проводил молодой сотрудник Сейсмологического института М.А. Садовский. С того времени он и возглавляет это направление в геофизических исследованиях земной коры. В 1935 г. в связи с разработкой в институте основ сейсмического районирования он начал изучение колебаний, возбуждаемых взрывами при проведении горных работ и сейсмической разведки. В ходе исследований он установил характер колебаний и распространения сейсмических волн, производивших на земной поверхности эффект, подобный наблюдаемому при землетрясениях [Садовский, 1938, 1940, 1941, 1945]. Тогда же им была определена степень опасности и возможные последствия для промышленных и бытовых сооружений от возникших при взрыве колебаний. Были разработаны основы нормирования сейсмической безопасности при горно-взрывных работах.

                Помимо инструментальных наблюдений, М.А. Садовский собрал и проанализировал имевшиеся к тому времени сведения о повреждении сооружений и коммуникаций и провел их статистическую обработку, оценив разрушительную мощность колебаний, возникающих как во время землетрясения, так и при искусственных взрывах. При сравнении разрушений, отмеченных в результате катастрофического Токийского землетрясения 1923 г., и колебаний, вызванных взрывом в Коркино, оказалось, что ускорение при коркинском взрыве было значительнее, чем при землетрясении в Токио. Однако в Коркино никаких серьезных разрушений в близких к месту взрыва строениях не наблюдалось. М.А. Садовский подробно теоретически и экспериментально исследовал механическое действие ударной волны взрыва; его результаты были опубликованы в отдельном выпуске «Трудов Сейсмологического института» [Садовский, 1945]. М.А. Садовский провел также измерения максимального давления в зависимости от расстояния от места взрыва и массы взрывчатого вещества, вычислил импульс ударной волны вблизи и на больших расстояниях от места взрыва, а также время действия ударной волны, скорость и характер ее распространения. В этих работах Сейсмологического института принимали участие Д.А. Харин и Н.С. Носков.

                В Сейсмологическом институте в начале 30-х годов XX века были также впервые поставлены труднейшие задачи сейсмического районирования, связанные с развитием народного хозяйства и размещением промышленных центров, и решалась проблема предсказания землетрясений, разрабатываемая по настоящее время.

                С первых же лет существования Сейсмологического института П.М. Никифоров привлек к его работе виднейших советских и иностранных ученых, вошедших в состав ученого совета института. Осенью 1931 г. была созвана первая международная сессия Сейсмологического института, на которой выступили: проф. Вейнинг-Мейнец, Г. Стилле, Ф. Коссмат, А. Борн, А.А. Михайлов, А.П. Герасимов, Д.И. Мушкетов, П.М. Никифоров, В.П. Генгартен и другие. Подводя итоги сессии по тектоническим вопросам, геолог Д.И. Мушкетов отметил важность накопления инструментальных сведений о землетрясениях, данных сейсморазведки. «Всякая попытка тектонических обобщений и выводов для СССР,- пишет он,- наталкивается на убийственную скудность факторов, освещающих тектонику района, несмотря иногда даже на обилие литературы… Еще более чувствуется отсутствие общих схем, попыток широких тектонических синтезов, которые в большинстве случаев мы позорно импортируем, причем импорт этот обычно представляет собой переработку наших же устаревших материалов» [Мушкетов, 1932]. Международная сессия Сейсмологического института 1931 г. была своего рода демонстрацией широкого размаха и успехов советской науки на фоне разразившегося в то время общего кризиса и кризиса науки в капиталистических странах.

                Сейсмологический институт под руководством П.М. Никифорова с первых лет своей работы, занимаясь всесторонним изучением механизма и условий возникновения землетрясений, решил теоретические геофизические и геологические проблемы, которые в конечном счете направлялись на решение актуальных задач народного хозяйства страны. Работы по изучению и распределению упругих колебаний при различных граничных условиях дали, например, возможность институту, с одной стороны, решать вопросы о внутреннем строении Земли, а с другой – применять выводы теории в полевой сейсмической разведке. Опыт конструирования аппаратуры для записи землетрясений использован институтом при создании приборов для сейсмической разведки полезных ископаемых, промышленной сейсмики и т.п. Однако всего этого в то время было уже явно недостаточно. Требовался более широкий размах и 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 в содружестве с производственно-геологическими управлениями проводили первые опытные работы по сейсмической разведке.

 

Формирование научной школы сейсморазведки Г.А. Гамбурцева в 30-х годах XX века

                В развитии сейсмических методов разведки с начала 30-х годов XX века решающее значение имели работы и деятельность выдающегося советского ученого-геофизика, академика Г.А. Гамбурцева [1903-1955].

                Талантливый физик-экспериментатор и глубокий теоретик, он еще в 30-х годах смог сформулировать основополагающие идеи в области теории сейсмических методов разведки и конструкции сейсмической аппаратуры, которые актуальны и в наши дни и разрабатываются его учениками и последователями.

                Г.А. Гамбурцев возглавлял все теоретические исследования, проводившиеся в разведке нефтяных месторождений, организовывал подготовку инженеров-геофизиков в высших учебных заведениях, провел первые опытно-производственные работы новыми методами отраженных волн, а также первые работы на море. Несмотря на то, что сейсморазведка в нашей стране начала развиваться несколько позднее, чем, например, в США и других странах, благодаря деятельности Г.А. Гамбурцева советская научно-производственная школа сейсмических методов разведки в предвоенный период развивала более прогрессивные идеи, чем зарубежные ученые.

                Первые сейсмические исследования Г.А. Гамбурцев провел в 1931 г. в районе КМА методом преломленных волн. Вскоре сейсморазведка по предложению П.П.Лазарева вошла в комплекс геофизических исследований КМА. Там был впервые опробован манометрический сейсмограф, сконструированный Г.А. Гамбурцевым. Сейсмическая партия провела детальную съемку у с. Лебедянь и выявила на глубине 100 м местное поднятие кровли кристаллических пород. По вычислениям Г.А. Гамбурцева, высота поднятия составляла 15 м. и соответствовала включениям особо богатых, но слабомагнитных железных руд, что подтвердилось затем при бурении и вскрытии месторождения [Иванов, 1971].

                В том же году партия Научно-исследовательского нефтяного геологоразведочного института под руководством Г.А. Гамбурцева провела сейсморазведку в районе Ишимбаево. В ее задачи входили «поиски известняковых выступов и определение их структуры». В обосновании было также указано, что поставленная задача могла бы быть решена и методами электроразведки, но, «учитывая, что структура известковых выступов в несколько измененной и ослабленной форме отражается на структурах вышележащих толщ», геологические условия вполне благоприятны для сейсморазведки. По материалам партии 1931 г. было установлено распределение скоростей упругих волн района Ишимбаево по разрезу уфимского яруса и наносов в широком диапазоне от 1500 до 4500 м/с, которое должно было учитываться при интерпретации данных. Однако в дальнейшем применение сейсморазведки в этом районе было сильно затруднено. Долгое время не было получено удовлетворительных результатов о погребенных структурах из-за трудности выявления пологих структур сейсмическими методами. Только через четыре года работы по опробованию сейсмических методов в этом районе стало возможным поставить ряд конкретных задач по выявлению областей с неглубоким залеганием кунгура и определению наиболее интересных в смысле нефтеносности структур.

                В начале 1932 г. Г.А. Гамбурцев организовал в ГИНИ специальную сейсморазведочную лабораторию, которая в 1934 г. вошла в состав Всесоюзной конторы геофизических разведок (ВКГР), а позднее в Государственный союзный геофизический трест (ГСГТ). С этого времени Г.А. Гамбурцев был научным руководителем работающих нефтяных сейсмических и гравиметрических партий.

                ГИНИ в 1932 г. проводил сейсмическую разведку в г. Темира. По результатам на месторождении Джаксымбай была составлена карта рельефа кровли соляного купола, как оказалось имеющего форму эллипса, вытянутого в меридиональном направлении. Структурная карта, составленная по сейсмическим данным, была подтверждена картой равных сопротивлений по данным электроразведки, проведенной в 1934 г.

                В 1933 г. институт провел сейсмическую разведку на нефть в районе Эмбы. Партия под руководством П.Г. Терсинцева обследовала огромное соляное поднятие площадью около 200 км2 Южно-Эмбенского нефтеносного района. Перед партией, помимо решения геологоразведочных задач, были поставлены и вопросы отработки аппаратуры и методики измерений. Тогда же партия под руководством известного сейсмика С.Ф. Больших проводила работы методом отраженных волн. По полученным данным он выявил расположение соляных куполов в районе Шибар-Кудук и в процессе разведки установил непригодность применяемых сейсмографов и необходимость создания специального сейсмографа с малым периодом затухания.

                В разработке аппаратуры и освоения первых производственных методов сейсмической разведки на нефть в нашей стране научно-техническую помощь оказала фирма Шлюмберже. В распоряжение сейсмической лаборатории Г.А. Гамбурцева фирма передала аппаратуру (сейсмографы и осциллографы). Представитель фирмы постоянно находился на приборостроительном заводе «Геологоразведка» в Ленинграде. В Кучино под Москвой советские геофизики обучались работе с французской аппаратурой. Кроме того, французская сейсмическая партия, в составе которой работали и советские геофизики, проводила исследования методом отраженных волн на западных склонах Урала и в районе Ишимбаево. В подготовке специалистов также принял активное участие и Г.А. Гамбурцев, он организовал дополнительный семинар для геофизиков по изучению сейсмической аппаратуры и освоению существовавших в те годы методик сейсмической разведки.

                Одновременно во многих организациях страны проводилась интенсивная научно-исследовательская работы по созданию теории, методик измерений и аппаратуры сейсморазведки, пригодных для использования в специфических геолого-геофизических условиях различных районов.

                За два года (1933-1934) удалось создать техническую базу для регистрации сейсмических колебаний и подготовиться к применению метода отраженных волн. Аппаратура, используемая в сейсморазведке методом преломленных волн, оказалась совершенно непригодной для метода отраженных волн. В 1935 г. был создан сейсмограф СМ-4 и распределительные щитки, термомикрофонный сейсмограф, трехкомпонентный сейсмограф, фотоэлектрический генератор и др.; разработана теория интерпретации метода отраженных волн, специальных устройств для приема отраженных волн и способов устранения влияния микросейсм; разработан метод периодов и амплитуд; проведены теоретические исследования явлений на границе раздела двух сред и т.д.

                В те годы были разработаны и изготовлены первые образцы электрических сейсмографов, заменивших механические. Начали изготовлять усилители с фильтрующими ячейками и многоканальные осциллографы.

                Под руководством Г.А. Гамбурцева начала также разрабатываться аппаратура для одновременной регистрации на одной ленте колебаний от нескольких сейсмографов. Многоканальная запись, как известно, применяется во всем современных геофизических комплексах  и дает возможность выделять отражения сейсмических колебаний и проводить их корреляцию.

                Таким образом, к середине 30-х годов XX века у нас были созданы основы для развития приборостроительной геофизической базы. Большая заслуга по ее созданию принадлежит Г.А. Гамбурцеву, а также А.Ф. Вульфиусу, С.А. Поддубному, А.М. Алексееву и многим другим.

                Наряду с осуществлением руководства разработками сейсмической аппаратуры и методик измерений Г.А. Гамбурцев активно руководил полевыми сейсмическими и гравиметрическими партиями. Необходимо было для каждого района подобрать или разработать соответствующую методику разведки с учетом местных геолого-геофизических условий, как правило, не повторяющихся; подобрать параметры измерительных и регистрирующих приборов. Одновременно работало более 20, а в 1935 г. и 30 сейсмических и гравиразведочных партий [Козлов, 1957]. Партии работали на Апшеронском полуострове, Северной и Южной Эмбе, в Майкопе, на Украине и Байкале, Дальнем Востоке, Средней Азии и других районах.

                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. Г.А. Гамбурцев умел передать работникам полевых партий свою увлеченность решением глобальных и конкретных задач геофизики, веру в геофизику.

                С 1933 г. помимо продолжавшегося опробования метода преломленных волн, начались опытные работы по методу отраженных волн. Сейсморазведка по этому методу была проведена Г.А. Гамбурцевым на Байкале, С.Ф. Больших – на Эмбе, П.Т. Соколовым – в Туркмении и сотрудниками Сейсмологического института Е.А. Коридалиным, С.И. Масарским и А.Е. Островским – в районе Ишимбаево [Коридалин и др., 1936]. В 1935 г. из числа восьми организованных ВКГР сейсмических партий по методу отраженных волн работало уже шесть. Партии были снабжены сейсмографами Гамбурцева, усилительной и регистрирующей аппаратурой, смонтированной в автомашине, механизированными легкими буровыми станками для подготовки взрывных скважин и т.п.

                Следует отметить, что в то время любая производственная сейсмическая партия, помимо решения четкой конкретной задачи поисков структур, должна была в какой-то степени проводить и исследовательские работы. Оптимальные условия выделения отражений, например, должны были определяться на месте подробным опытным путем частотных и других характеристик регистрирующей аппаратуры, расстояния от места взрыва до сейсмографов, величины заряда и т.п.

                В 1935 г. были начаты и первые работы по созданию методов регулируемого направленного приема (РНП) сейсмических волн. 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. Запись проводилась с некоторой для данных геологических условий степенью фильтрации при нормальном расположении сейсмографов по профилю. Затем сейсмограммы подвергались анализу 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 геофизичекой разведки и в конце 50-х годов оказал революционизирующее влияние на развитие сейсмической разведки [Иванов, 1971].

                В 1935 г. В.С. Воюцким была создана и испытана в Роменской партии специальная установка приема сейсмических волн и измерения скорости упругих волн на малых базах. Особенность новой схемы заключалась в обеспечении записи первого продольного импульса и «отсечке всех прочих колебаний». Схема, как считали тогда, могла служить основой для разработки сейсмокаротажа.

                Это новое направление сейсморазведки в послевоенный период разработал и внедрил в промышленность Е.В. Карус – один из учеников Г.А. Гамбурцева.

                К теоретическим и практическим разработкам сейсмических методов в 1935 г. по инициативе Г.А. Гамбурцева были привлечены Ленинградский государственный университет и Физический институт. По договорам с ВКГР П. Соколов и В. Скрябин выполнили исследования распространения преломленных и отраженных волн с учетом явления «упругого последействия». В 1936 г. М.Л. Антокольский основательно изучил теоретическую сторону этого явления с помощью аппаратуры «Тагефон» и провел первые пробные записи электромагнитным сейсмографом по методу интенсивностей, на основе которых были составлены технические условия на изготовление соответствующей аппаратуры. К тому же времени относятся опыты В.С. Воюцкого в Ромнах по методу группирования сейсмографов, когда каждый шлейф осциллографа записывает колебания не одного, а целой группы сейсмографов, что существенно улучшает запись отраженных волн. Различное группирование сейсмографов давало возможность увеличивать амплитуды отраженных волн пропорционально числу сейсмографов и уменьшать амплитуды поверхностных волн. Этот метод применялся при разведке в тяжелых сейсмогеологических условиях. В дальнейшем с целью повышения разрешающей способности аппаратуры и подавления помех специально вводились элементы искажения формы колебаний, но при этом весьма жестко соблюдались требования идентичности регистрирующих каналов. Г.А. Гамбурцев исследовал случаи заведомых искажений стационарных колебаний и импульсов в сложных электромеханических системах и предложил метод составления механических аналогий. Он впервые ввел понятие о двухполюсности инертной массы и исследовал механические фильтры высоких частот. Построенный Гамбурцевым прибор, названный им «фильтросейсмографом», представляет новый класс механических колебательных систем.

                В 1936 г. в ВКГР усиленно проводились разработка теории сейсмических приборов [Гамбурцев, 1940]. В этой работе, помимо Г.А. Гамбурцева, принимал участие Л.А. Рябинкин, а к концу года включился и Ю.В. Ризниченко.  В теории многократного электромеханического преобразования Г.А. Гамбурцев выделил способ построения механической (или электрической) системы, эквивалентной данной электромеханической. Он показал, что в случае связи механической и электрической систем преобразователями электромагнитного типа для построения эквивалентной механической системы достаточно заменить их механическими аналогами, взятыми по второй модификации метода электромеханических аналогий. Результаты исследований были исследованы Г.А. Гамбурцевым в теории гальванометра и электромагнитного сейсмографа.

                В теории термомикрофонного сейсмографа Г.А. Гамбурцев вывел уравнение прибора, учитывающее тепловую инерцию нити накаливания, влияние упругости воздушной подушки и т.п.

                Им выведено также уравнение связи между скоростью воздушного потока и пульсациями силы тока. Анализ уравнений, как показал Г.А. Гамбурцев, дает основания считать возможным доводку фильтрующих данных термомикрофонного сейсмографа до такого же высокого уровня, какой достигнут в электромеханических сейсмографах. В том же году в механических мастерских ВКГР под наблюдением Л.А. Рябинкина был изготовлен образец термомикрофонного сейсмографа, которые предполагалось использовать для регистрации преломленных и отраженных волн. В мастерских с участием Ю.В. Ризниченко был изготовлен также образец новой конструкции фильтросейсмографа и трехкомпонентный оптический сейсмограф.

                Из теоретических разработок Г.А. Гамбурцева 1936 г. следует упомянуть расчеты механических линейных систем и изучение искажений в трансформаторно-конденсаторном усилителе, а также методы составления электромеханических аналогий, которые могли найти широкое применение во многих областях научных исследований. Они привлекли внимание многих ученых смежных специальностей. Часть работ была доложена Г.А. Гамбурцевым на декабрьской сессии группы геофизики и географии АН СССР.

                В 1937-1938 гг. была издана книга Г.А. Гамбурцева «Сейсмические методы разведки». В этой книге впервые в СССР были систематически изложены основы различных сейсмических методов, теории интерпретации, методики проведения полевых работ и теории аппаратуры. Книга была написана для геофизиков, работающих непосредственно в поле, она же была в то время единственным учебником для инженеров-геофизиков, специализирующихся в области сейсмической разведки полезных ископаемых и более двадцати лет служила наиболее полным учебником в вузах при подготовке геофизиков. Она, кроме того, была единственным справочником, которым пользовались инженерно-технические работники непосредственно в сейсмических партиях. В 1959 г. книга была переиздана под названием «Основы сейсморазведки», в нее были включены более поздние работы автора по этой тематике.

                В 1938 г. в Москве в системе Академии наук по инициативе О.Ю. Шмидта был организован Институт теоретической геофизики (ИТГ), впоследствии Институт физики Земли. Г.А. Гамбурцев, который к тому времени много внимания уделял также и общепланетарным вопросам, перешел со своими учениками во вновь организуемый институт. Перед новым институтом были поставлены задачи изучения и объяснения строения Земли – от центра до верхних границ атмосферы, выяснение истории Земли от ее зарожения как планеты до образования земной коры, изучения физических полей и процессов, теоретического обоснования прикладной геофизики и геофизических методов разведки полезных ископаемых.

                В докладе на совместном заседании отделений математических и естественных наук Академии наук 26 января 1938 г. директор ИТГ О.Ю. Шмидт подчеркнул, что отсутствие подлинной теории становится тормозом для развития приложений и смежных наук, пользующихся выводами геофизики [Материалы к истории АН СССР…, 1950]. «Геология уже не может ограничиться описанием явлений и прогнозов по аналогии,- считал О.Ю. Шмидт,- а требует причинного объяснения геологических явлений, выяснения природы действующих сил и количественного подсчета результатов их действий» [Шмидт, 1960].

                В соответствии с поставленными задачами в штат ИТГ были зачислены ученые различных специальностей и направлений, уже известные и еще совсем молодые. В то время в ИТГ начали работать А.Д. Архангельский, А.Н. Крылов, П.П. Лазарев, Л.С. Лейбензон, А.Н. Тихонов, Я.И. Френкель. Пришли в институт и молодые геофизики-разведчики Ю.В. Ризниченко, И.С. Берзон, П.С. Вейцман, А.М. Епинатьева, Е.В. Карус, И.П. Косминская, И.П. Пасечник и другие, занимающиеся разработкой теории сейсмической разведки, методикой интерпретации и созданием геофизической аппаратуры.

                Под руководством Г.А. Гамбурцева группа сейсмических методов исследований земной коры ИТГ возобновила изучение преломленных волн и значительно расширила круг сейсмических исследований. Используя разведочные методы, ученые искали новые пути для планетарных исследований [Гамбурцев, 1974]. Были начаты исследования скорости распространения поверхностных волн, их интенсивности и частоты в зависимости от строения земной коры. Г.А. Гамбурцев и Ю.В. Ризниченко повторно провели экспериментальную проверку соответствия величины периода колебаний почвы и глубины преломляющей границы. Опыты не дали в то время убедительных доказательств существования прямой связи [Ризниченко, 1947]. В то время при интерпретации сейсмограмм учитывали только самые простые характеристики колебаний почвы: амплитуды и периоды этих колебаний в области первых вступлений. Допускалось, что сейсмограмма дает достаточно верное изображение движения почвы. Однако прямое соответствие этих параметров экспериментально не было подтверждено, и проблема «геологических причин» образования периода сейсмических волн продолжала изучаться и позднее.

                В методе отраженных волн при корреляции пользовались признаком сходства формы колебаний на записях соседних сейсмографов, обращая главное внимание на фазы колебаний, поскольку, по данным М.Л. Антокольского, они подвержены меньшим искажениям [Гамбурцев, 1960]. Под руководством Г.А. Гамбурцева с 1938 г. в Институте теоретической геофизики в Тресте геофизических методов разведок начались систематические исследования преломленных и отраженных поперечных волн. Работы проводили И.С. Берзон, М.Л. Антокольский, Ю.В. Ризниченко, И.И. Гурвич и другие.

                Сотрудница ИТГ И.С. Берзон экспериментально установила возможность прослеживания годографов поперечных и обменных отраженных волн [1938]. Опытные сейсморазведочные работы по методу поперечных волн были проведены в 1938 г. ГСГТ с участием ИТГ в Стерлитамакском районе Башкирии М.Л. Антокольским [1938], а также Г.А. Гамбурцевым и Ю.В. Ризниченко [1939] в том же году в Ишимбаево. В последующие два года эти работы проводил также И.И. Гурвич [1939]. Обобщение результатов было дано в работе Ю.В. Ризниченко «Построение отражающей и преломляющей площадки по годографу обменных отраженных или проходящих волн» [1940а]. В 1940 и 1941 гг. метод поперечных отраженных волн был испытан Ю.В. Ризниченко, И.И. Гурвичем и М.К. Полшковым в более сложных геолого-геофизических условиях в Арктике [Ризниченко и др, 1940, 1941]. Эти экспериментальные исследования дали основание оценить некоторые возможности применения и направления дальнейших разработок метода поперечных волн для установления геологического строения регионов.

                К важным теоретическим разработкам по интерпретации сейсмических данных ИТГ довоенного периода относится общий метод полей времен, предложенный Ю.В. Ризниченко [1939] и разработка В.Ф. Бончковским методики применения упругих волн для исследования залежей полезных ископаемых [Бончковский, 1939]. Большую помощь Ю.В. Ризниченко в постановке общих и частных задач метода оказали Г.А. Гамбурцев, С.В. Чибисов, А.Н. Тихонов, С.Л. Соболев, А.И. Заборовский [Ризниченко, 1974].

                Метод полей времен давал возможность определять по сейсмическим данным не только форму границ раздела, но и значение скоростей сейсмических волн вдоль этих границ, т.е. определять строение многослойных сред на основании годографов волн различных типов. Был также разработан прибор для интерпретации годографов по методу полей времени [Ризниченко, 1940б]. Применение этого метода давало возможность получать общие решения некоторых новых задач в области расчетов годографов отраженных и преломленных волн.

                Наиболее существенной теоретической и практической работой Института теоретической физики было создание в 1938-1940 гг. под руководством Г.А. Гамбурцева коллективом сотрудников основ корреляционного метода преломленных волн (КМПВ) [Гамбурцев, 1942]. Физические основы этого метода были изложены в отдельных статьях и затем подробно рассмотрены в книге «Корреляционный метод преломленных волн» [Гамбурцев и др., 1952].

                При разведке методом КМПВ регистрируются не только первые вступления, но и приход последующих групп преломленных волн, соответствующих различным преломляющим границам. По технике выделения и прослеживания (корреляции) преломленных волн новый метод близок к методу отраженных волн, поскольку используются принципы фазовой корреляции волн, а выбор системы сейсмических наблюдений, как правило, подчиняется требованию получения корреляционно увязанных полных систем годографов. В то же время КМПВ отличается от метода отраженных волн более строгим подходом к прослеживанию записанных волн. В нем более широко используются динамические характеристики волн (интенсивность, форма), причем не только для проведения фазовой корреляции, но также  с целью непосредственной связи динамических признаков на сейсмограммах с особенностями строения изучаемой среды. Методика и техника КМПВ предусматривает возможность комбинированного применения КМПВ и метода отраженных волн [Гамбурцев, 1960].

                В качестве регистрирующей аппаратуры по методу КМПВ был использован электродинамический сейсмограф СИ-2, изготовленный по схеме Г.А. Гамбурцева, предложенной в 1938 г. и первоначально предназначенной для регистрации колебаний методом отраженных волн [Гамбурцев, 1942].

                К тому времени новый сейсмограф прошел испытания по методу отраженных волн в 1938 г. в Башкирии, а по корреляционному методу преломленных волн в 1940 г. в Ивановской области. В этих испытаниях Института теоретической геофизики принимали участие сотрудники сейсмической лаборатории Государственного треста геофизических разведок К.Л. Сигалов и П.С. Вейцман [Гамбурцев, 1960]. За разработку нового типа электродинамического сейсмографа в 1941 г. Г.А. Гамбурцев был удостоен Государственной премии [Материалы к истории АН СССР, 1950].

                С помощью новых электродинамических сейсмографов был получен большой объем опытно-производственных материалов по методу КМПВ в различных сейсмогеологических условиях. Особенно большое значение имели работы на Апшеронском полуострове в районах так называемых «слепых зон». В 1941-1944 гг. сейсмический отряд Института теоретической геофизики во главе с Г.А. Гамбурцевым и Ю.В. Ризниченко проводил опытные работы по методу КМПВ в районах, где ранее не удавалось зарегистрировать преломленные волны. По полученным материалам прослеживалась граница раздела сред по всем профилям, можно было определить ее положение и скорость распространения упругих волн. Эти материалы использовались для уточнения геологического строения данного района, создания методик работы и интерпретации, а также для выяснения особенностей распространения упругих волн в реальных средах. Был отмечен эффект весьма резкого ослабления минтроповских волн с расстоянием. Опытные данные показали, что новый метод КМПВ может быть использован и для систематических глубинных зондирований земной коры (ГСЗ), а также при наблюдениях отраженных волн с большими временами пробега, что давало возможность регистрации на больших расстояниях преломленных волн, возбуждаемых слабыми взрывами [Гамбурцев, 1947; Косминская, 1968].

                При участии Г.А. Гамбурцева в нашей стране проводились первые опытные сейсморазведочные работы на море Н.И. Шапировским, М.С. Зверевым и другими. Были разработаны морские сейсмографы, учитывающие специфику распространения упругих колебаний в жидкой среде. На первом специальном судне ГСГТ «Геолог» в 1944 г. под руководством Г.А. Гамбурцева проведены первые морские сейсморазведочные работы на нефть на Каспийском море. В послевоенный период при исследованиях морей и океанов морское сейсмическое зондирование и профилирование стали широко применяться.

                Таким образом, как было показано выше, к началу 40-х годов в Сейсмологическом институте и Институте теоретической геофизики АН СССР, а также ГСГТ под руководством Г.А. Гамбурцева было сформировано новое весьма перспективное направление сейсмической разведки полезных ископаемых, подготовлен большой научный и производственный коллектив высококвалифицированных специалистов-сейсмиков. В послевоенные годы сейсморазведка представляла важную отрасль в науках о Земле, обеспечивающую решение глобальных задач изучения строения земной коры и верхней мантии Земли, а также практических вопросов разведки полезных ископаемых, в первую очередь нефтяных месторождений…

1
Vl_ad_le_na 58 9
Апр 12 #1

Реферат вчера приняли :) так что большое спасибо!!

SmirnovVN 241 9
Апр 12 #2

Не за что, информация должна "работать" Smile

Go to top