Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дистанционные акустические методы исследования морского дна 16
1.1. Становление и современное состояние 16
1.2. Особенности рассеяния акустических волн морским дном 20
1.3. Дистанционное определение физических параметров дна 32
1.4. Аппаратура и методика 42
Глава 2. Исследование баритовой минерализации во впадине Дерюгина 60
Глава 3. «Газовые факела» в поле обратного акустического рассеяния 77
3.1. ГФ в водной толще 78
3.2. Особенности проявления ГФ в морском дне 107
Глава 4. Связь акустического рассеяния с температурой верхнего слоя донных осадков 117
4.1. Измерения с борта судна 118
4.2. Исследование с поверхности льда 126
4.3. Обсуждение результатов 129
Заключение 139
Список литературы 140
- Особенности рассеяния акустических волн морским дном
- Дистанционное определение физических параметров дна
- Особенности проявления ГФ в морском дне
- Исследование с поверхности льда
Введение к работе
Будущее человечества тесно связано с океаном. Во многом это определяется тем, что Мировой океан обладает богатейшими минеральными и энергетическими ресурсами. Полезные ископаемые содержатся на поверхности дна и в его осадочной толще, как на континентальных шельфах, так и за их пределами. Поверхностные залежи представлены многочисленными россыпями, содержащими металлические руды, а также неметаллическими ископаемыми. Многие месторождения в настоящее время активно разрабатываются. На восточном побережье Австралии ежегодно добывается свыше одного миллиона тонн ценнейших титановых минералов, россыпи которых распространены также вблизи побережий Индии и Малайзии. Большое значение приобретает добыча олова, железной руды, самородной серы, баритов, угля, фосфоритовых и железомарганцевых конкреций. Важнейшими энергетическими ресурсами океана являются месторождения нефти, газа и газогидратов. Развитие методов исследования океана является чрезвычайно актуальным. Акустические методы являются очень эффективными и широко используются для исследования океана. Это связано с тем, что из всех известных видов излучения акустические волны распространяется в море с наименьшими потерями. Они могут распространяться в водной толще на большие расстояния и при изучении особенно глубоководных районов Мирового океана являются труднозаменимыми. Особое место занимают дистанционные акустические методы, основанные на рассеянии излучения, при этом объектом наблюдений выступают различные неоднородности среды, а полезная информация заключена в рассеянных сигналах. Важное место в акустической океанографии занимают методы, основанные на обратном высокочастотном, с точки зрения эхолокации морского дна, рассеянии. Использование высокочастотных акустических сигналов позволяет добиться хорошего пространственного разрешения, приводит к уменьшению стоимости, размеров, веса систем и является более экологичным. Данные методы успешно применяются для исследования различных характеристик дна океана, его газовых эманации и позволяют значительно повысить эффективность поисковых, экспериментальных работ и существенно расширить круг решаемых задач. С помощью специализированных эхолотов и гидролокаторов в настоящее время выполняются классификация донных осадков и исследование микрорельефа морского дна, которые необходимы
8 при промысловом лове рыбы, производстве аквакультур, прослеживании выбросов бурового шлама, следов разлива нефти, состояния донной флоры, инженерно-геологических исследованиях, прокладке кабелей и трубопроводов, дноуглубительных работах, для обнаружения, оконтуривания и разработки месторождений полезных ископаемых, обеспечения безопасности движения морских судов и строительства в прибрежных районах акваторий и на шельфе. Актуальным является развитие методов дистанционного акустического зондирования для обнаружения, оконтуривания и исследования месторождений полезных ископаемых на поверхности морского дна, в частности, баритовой минерализации. Одно из таких месторождений, находящееся во впадине Дерюгина в Охотском море, по масштабам проявления на континентальной окраине не имеет себе равных и в настоящее время считается потенциально перспективным. Также актуальным является развитие данных методов для изучения газовых эманации дном океана в виде «газовых факелов» (ГФ), что подтверждается большим количеством публикаций на эту тему. В частности это необходимо для оценки вклада потока метана в процесс глобального изменения климата Земли, при исследовании вертикального транспорта кислорода, бактерий, осадков, нефти, поверхностно активных и питательных веществ. При этом наибольший практический интерес заключается в возможности обнаружения и оконтуривания перспективных месторождений метана и его газогидрата [7, 10,28,49,50,51,62, 138,207, 135, 169, 179, 180].
Использование дистанционных акустических методов актуально и они могут быть чрезвычайно полезными для оперативного изучения термического состояния верхнего осадочного слоя океанского дна. Так, например, большое научно-практическое значение имеют дистанционные наблюдения за изменяющимся термическим режимом мелководного шельфа Арктики и распределением субаквальной мерзлоты, поскольку дестабилизация газогидратов в результате нарушения хрупкого термического баланса может привести к поступлению в атмосферу огромных количеств метана, являющегося очень эффективным тепличным газом [33, 133]. Положительная обратная связь цепочки: климат - мерзлота - тепличный газ (глобальное потепление приводит к распаду газогидратов и выделению в атмосферу большого количества метана, что приводит к дальнейшему росту температуры) уже играла в прошлом и сможет сыграть в будущем существенную роль в температурном режиме поверхности планеты Земля [133].
Цель диссертационной работы заключается в установлении связи характеристик баритовой минерализации, газовых эманации и температуры верхнего слоя морского дна с обратным высокочастотным акустическим рассеянием и развитии методик дистанционного акустического зондирования на основе выявленных закономерностей.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи.
Построение по данным экспериментальных исследований эхолокационных моделей баритовой минерализации и глубоководных «газовых факелов» (ГФ).
Определение и обоснование связи обратного высокочастотного акустического рассеяния с температурой верхнего слоя морского дна.
Создание методики определения выходов газогидратов к поверхности морского дна, а также, параметров баритовой минерализации и ГФ.
Апробация выявленн ых связей и разработанных методик путем сравнения с данными независимых наблюдений и проведения статистического анализа.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.
Построена эхолокационная модель баритовой минерализации. Создана методика определения параметров баритовой минерализации, позволяющая оценить функцию распределения поверхностей баритовых построек (БП) по высотам. Получена схема распределения максимальных высот БП во впадине Дерюгина в Охотском море.
Построена эхолокационная модель глубоководных ГФ. Предложена методика оценки потока метана при неизвестном распределении пузырьков по размерам.
Установлены особенности донного рассеяния в местах выхода газогидратов к поверхности морского дна и разработана методика их обнаружения.
Обнаружено и обосновано явление аномальной длительности сигнала обратного высокочастотного акустического рассеяния от морского дна. Предложена методика дистанционного определения температуры верхнего слоя морского дна.
Практическая значимость работы.
Результаты работы могут быть применены на практике для:
- исследования параметров баритовой минерализации и ГФ;
обнаружения выходов газогидратов к поверхности морского дна;
дистанционного определения температуры верхнего слоя осадков. Разработанные методики легли в основу патентов: «Устройство для измерения температуры» и «Геоакустическое устройство для обнаружения газогидратов», реализованы в виде пакета программ, существенно расширяющих область применения комплексов дистанционного акустического зондирования, и могут быть включены в круг стандартных методов акустических исследований океана.
Результаты выполненной работы использовались при выполнении НИР «Развитие методов акустического мониторинга неоднородностей различного масштаба в дальневосточных морях» (Проект 4.5.2., 2002), НИР ФЦП «Мировой океан», «Исследование природы Мирового океана. Исследование динамических явлений и процессов в дальневосточных морях и северо-западной части Тихого океана на основе развития и применения дистанционных акустических, оптических и радиофизических методов» (2003, 2004, 2005), проектов ДВО РАН «Изучение газовых и флюидных эманации морского дна дистанционными акустическими методами» (№ 03-3-А-07-140, 2003), «Акустический мониторинг выделения метана дном в Охотском море» (№ 04-3-А-07-038, 2004), «Количественная оценка параметров «газовых факелов» с помощью эхолота» (№ 05-III-A-07-111, 2005), «Изменение окружающей среды в Восточно-Сибирском регионе под воздействием глобального изменения климата и катастрофических процессов» (ГК №10002-251/п-13/198-398/050504-109, 2004, 2005). Часть работы выполнялась в рамках проектов РФФИ (00-05-79005к, 2000 и 01-05-64018а, 2001-2003).
Результаты работ вошли в перечни выдающихся достижений ТОЙ ДВО РАН (2005); основных законченных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ готовых к практическому использованию ТОЙ ДВО РАН (2006); инновационных разработок ТОЙ ДВО РАН (2006) и основных достижений ДВО РАН (2005) [210].
По материалам диссертации опубликовано 23 работы.
Основные положения, выносимые на защиту. 1. Эхолокационная модель и методика определения параметров области баритовой минерализации. Схема распределения максимальных высот БП во впадине Дерюгина в Охотском море.
Эхолокационная модель глубоководных ГФ. Методика оценки потока метана при неизвестном распределении пузырьков по размерам. Методика обнаружения источников ГФ и выходов газогидратов к поверхности дна.
Явление аномальной длительности сигнала обратного рассеяния от морского дна. Связь длительности сигнала обратного рассеяния и температуры верхнего слоя морского дна. Обоснование выявленной связи.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
9-ая и 10-ая школа-семинар акад. Л.М. Бреховских "Акустика океана" (Москва, 2002, 2004), 12, 13 и 16 сессии РАО. (Москва, 2002, 2003, 2005), Международное рабочее совещание по изучению глобальных изменений на Дальнем Востоке (Владивосток, 2002), международная конференция "Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере земли" (Пущино, 2001), пятое международное рабочее совещание КОМЕХ (Владивосток, 2004).
Содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 246 наименований. Работа представлена на 159 страницах, включая 65 рисунков и 2 таблицы.
Во введении показана актуальность темы, определено место решаемой в диссертации проблемы в акустической океанографии, перечислены методы решения проблемы, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведен краткий реферат основного содержания.
Первая глава посвящена основам дистанционных акустических методов исследования морского дна. В Первом параграфе приводится обзор современного состояния дистанционных акустических методов исследования океана. Во Втором параграфе описываются особенности рассеяния акустических волн морским дном. Детально рассмотрены важные с акустической точки зрения особенности структуры и строения морского дна. В Третьем параграфе дается обзор применения дистанционных акустических методов для оценки некоторых физических характеристик морского дна: скорости звука, плотности, параметров слоистой структуры осадочной толщи, коэффициента поглощения, а также среднеквадратичных значений размеров шероховатостей поверхности дна океана и углов наклона неровностей. Делается вывод о полезности методов для классификации верхнего слоя донных осадков, поиска и раз-
12 ведки на поверхности морского дна месторождений различных полезных ископаемых, исследования газовых эманации. Определено место решаемой в диссертации проблемы в акустической океанографии. Во Четвертом параграфе дается подробное описания акустических комплексов, с помощью которых были собраны данные об обратном акустическом рассеянии в диапазоне частот 12-200 кГц. Обсуждаются методики исследований различных характеристик водной толщи, морского дна и его эманации, позволяющие определить, в частности, такие параметры дна, как коэффициент отражения, среднеквадратичные значения угла наклона неровностей и размера шероховатостей дна, особенности слоистой структуры и др. Описываются алгоритмы некоторых специально разработанных программ, с помощью которых осуществляется обработка полученного материала.
Во Второй главе приводится анализ данных обратного рассеяния звука на частотах 12 и 19,7 кГц, собранных с помощью стационарного комплекса в области баритовой минерализации во впадине Дерюгина в Охотском море. Обсуждаются способы выделения и особенности эхосигнала от области баритовой минерализации. На основании результатов прямых наблюдений с помощью телевизионной системы OFOS и акустических данных построена эхолокационная модель баритовой минерализации, объясняющая особенности донных эхосигналов и повышающая информативность дистанционных акустических методов. Приводится методика определения параметров баритовой минерализации, позволяющая оценить функцию распределения поверхностей БП по высотам, что дает принципиальную возможность оценки объема БП. Методика реализована в виде пакета программ, расширяющих область применения стационарного комплекса дистанционного акустического зондирования, и может быть включена в круг стандартных методов акустических исследований океана. Проведена апробация методики путем сравнения полученных дистанционно параметров баритовой минерализации с данными независимых наблюдений. Построена схема распределения максимальных высот баритовых построек в области баритовой минерализации во впадине Дерюгина.
В Третьей главе рассмотрены ГФ в поле обратного высокочастотного акустического рассеяния на частотах 12, 19,7 и 135 кГц. Первый параграф посвящен исследованию обратного рассеяния от ГФ в водной толще. Отдельно рассматриваются мелководные и глубоководные ГФ. Мелководные ГФ находятся на участке с глуби-
13 нами до 300 м выше границы зоны стабильности газогидрата метана. На дне каждый мелководный ГФ занимает область площадью в несколько квадратных километров. Выделение метана дном в случае глубоководных ГФ носит концентрированный характер. В работе основное внимание уделено глубоководным ГФ. Показано, что поперечные размеры глубоководных ГФ меньше 10 м, а скорости всплытия пузырьков, вносящих основной вклад в рассеяние на частотах порядка десятка килогерц, находятся в узком диапазоне, мало изменяются с глубиной и соответствуют скоростям «грязных» пузырьков с радиусом более 1 мм. Для обследованных глубоководных ГФ средний радиус пузырька у дна лежит в интервале 5-Ю мм и уменьшается из-за растворения со скоростью 3-5 мкм/с, что хорошо согласуется с экспериментально определенной скоростью растворения пузырьков метана, покрытых оболочкой газогидрата. Сделан вывод, что для частот порядка десятка килогерц превалирующий вклад в рассеяние от глубоководных ГФ вносят нерезонансные пузырьки больших размеров. Получено аналитическое решение, описывающее зависимость радиуса всплывающего пузырька от глубины, для случая постоянных скоростей всплытия и уменьшения радиуса из-за растворения. Построена эхолокационная модель глубоководных ГФ, позволяющая объяснить основные характеристики обратного рассеяния глубоководных ГФ и многообразие форм отображений ГФ на эхограммах. На основании построенной модели создана методика определения параметров ГФ, в том числе и потока метана при неизвестном распределении пузырьков по размерам. Во Втором параграфе описываются особенности проявления ГФ в морском дне. Установлены особенности донного рассеяния в областях глубоководных ГФ и выхода газогидратов к поверхности морского дна. Разработана методика обнаружения источников газовой эманации и выхода газогидратов к поверхности морского дна. Разработанная методика легла в основу патента «Геоакустическое устройство для обнаружения газогидратов», реализована в виде пакета программ, расширяющего область применения комплексов дистанционного акустического зондирования, и может быть включена в круг стандартных методов акустических исследований океана.
Четвертая глава посвящена выявлению связи обратного высокочастотного акустического рассеяния на частотах 50 и 200 кГц с температурой верхнего слоя донных осадков на шельфе Арктики. В Первом параграфе приводятся результаты измерений с борта судна. На многих участках арктического шельфа с отрицательной тем-
14 пературой донных осадков обнаружено явление аномально большой длительности сигнала обратного высокочастотного акустического рассеяния от морского дна (до 20 мс). Длительность на таких частотах в других районах Мирового океана, как правило, не превышает нескольких миллисекунд. Участки с отрицательными и положительными температурами верхнего слоя осадков существенно отличаются друг от друга по длительности и температурной зависимости сигнала объемного обратного рассеяния от дна. При положительной температуре длительности донных эхосигналов минимальны и слабо зависят от температуры донных осадков. При отрицательной температуре наблюдаются аномально большие длительности донных эхосигналов и сильная температурная зависимость. При этом наиболее значимое отличие наблюдается для участков с пограничной температурой 0,5 С. Показано, что длительность сигнала обратного рассеяния для обеих частот в основном определяется температурой верхнего слоя донных осадков и в среднем увеличивается при уменьшении температуры. Показано, что максимально большая длительность сигнала обратного рассеяния происходит при отрицательных градиентах температуры в верхнем метровом слое осадков. Во Втором параграфе приводятся результаты измерений с поверхности припайного льда. Результаты измерений подтвердили явление аномально большой длительности донного эхосигнала (до 20 мс) и также выявили наличие сильной обратной температурной зависимости. Третий параграф посвящен обсуждению полученных результатов. Длительность донного эхосигнала зависит от коэффициента поглощения звука и уровня рассеяния на неоднородностях в осадках. Коэффициент поглощения в области нулевых и отрицательных температур сильно зависит от температуры, уменьшаясь при охлаждении. На моделях слоистой структуры в виде переходного слоя Эпштейна и шероховатой границы раздела показано, что уровень сигнала обратного рассеяния при охлаждении возрастает. Обнаруженный экспериментально эффект объясняется тем, что при охлаждении происходит как увеличение рассеяния, так и уменьшение поглощения ультразвуковых волн. На основе обнаруженного эффекта предлагается метод дистанционной акустической высокочастотной донной термометрии - бесконтактный способ измерения температуры в объеме верхнего слоя донных осадков, при котором термометрической величиной является длительность сигнала объемного обратного донного рассеяния высокочастотных акустических волн. Обнаруженный эффект можно использовать для оконтуривания областей с низкой темпе-
15 ратурой, дистанционного определения температуры верхнего слоя донных осадков, оценки толщины расположенного вблизи поверхности морского дна поддонного слоя замороженных осадков, что может найти практическое применение, в частности, при решении вопроса о распределении субаквальной мерзлоты и оценки стабильности газогидратов на арктическом шельфе.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в создании акустических ап-паратурно-программных комплексов, сборе данных об обратном рассеянии в водной толще, организовывал отдельные натурные эксперименты, внес основной вклад в обработку экспериментальных данных, включая разработку алгоритмов программ вторичной обработки и выполнение статистического анализа, в создание эхолокацион-ных моделей и проведение численного моделирования. Научные результаты, связанные с исследованиями особенностей обратного рассеяния на шельфе Арктики, получены при решающем вкладе автора. Все защищаемые научные положения получены при основном вкладе автора.
Особенности рассеяния акустических волн морским дном
Прежде чем перейти к рассмотрению вопроса об особенностях и рассеяния акустических волн дном рассмотрим более детально особенности структуры и строения морского дна. Морское дно начинается на границе раздела морская вода - осадки, которые подразделяются в зависимости от среднего размера твердых частиц на глину (размер частиц мельче 0,001 мм), алеврит (0,01-0,1 мм), песок (до 2 мм), гравий (до 10 мм), щебень (до 100 мм), валуны (крупнее 100 мм). Среди донных осадков выделяются терригенные (снесенные с суши обломки горных пород и минералов), биогенные (скелеты микро- и макрофауны и флоры), вулканогенные и осадки смешанного происхождения (полигенные), к которым относятся глубоководные красные глины. Мощность неуплотнённых осадков в Мировом океане крайне неоднородна: в прима-териковых зонах она превышает несколько километров, а на гребнях срединных океанических хребтов, крутых склонах поднятий и уступах материкового склона уменьшается до первых десятков метров и даже до нуля. С точки зрения акустики основными физическими характеристиками осадков являются скорость звука, плотность, затухание и жесткость, которые в свою очередь являются функциями пористости, влажности, гранулометрического состава, определяемых характером залегания, возрастом, термодинамическими условиями и т.д. [208]. Скорость звука в верхнем слое осадков может быть как меньше, так и больше, чем в придонной воде. При этом с глубиной скорость звука в осадках в среднем возрастает. Это происходит по двум причинам, первая из которой - возрастание давления, приводящее из-за выдавливания воды к уменьшению пористости осадков. Вторая причина связана с потоком тепла из мантии, из-за которого с глубиной температура увеличивается. В зависимости от того сцементированы частицы в осадках между собой или нет, осадки подразделяются на консолидированные и неконсолидированные. Экспериментально было установлено, что даже в неконсолидированных осадках распространяются не только продольные, но и поперченные волны. При лабораторном анализе образцов грунта наиболее часто определяется гранулометрический состав осадка, его плотность и пористость [155]. Плотность рыхлого осадка линейно связана с его пористостью, поскольку она представляет собой сумму плотностей воды и минеральных компонент, взятых с весами, соответствующими их объемному содержанию в осадке. Скорость распространения продольных волн в осадке связана с его пористостью и плотностью. При пористости больше 60% скорость звука мало зависит от пористости, а ее значение практически совпадает и всего на несколько процентов меньше скорости звука в воде [155].
Для объяснения существования в неконсолидированных осадках определенной жесткости, необходимой для существования сдвиговых волн, было введено понятие скелета - структуры образованной в результате механической или химической связи отдельных частиц между собой. Скелет удерживает определенное количество воды, которая называется связанной. Процентное содержание связанной воды и свободной - подвижной воды во многом зависит от структуры минерального скелета. В общей теории распространения в водонасыщенных пористых средах акустических волн [5, 6] описываются три волны: сдвиговая, возникающая из-за жесткости скелета, и две продольные, обусловленные свободной жидкостью и скелетом. Из-за сильной связи вязких потерь с размером пор частотная зависимость поглощения акустических волн на низких и высоких частотах ведет себя по-разному. Рассчитанные по модели Био коэффициенты поглощения асимптотически пропорциональны/ на низких частотах uf1/2 - на высоких. При правильном выборе параметров рассчитанные по модели значения коэффициентов поглощения согласуются с большинством экспериментальных данных [44, 119, 120]. Затухание волн в различных морских осадках составляет для продольных волн от 0,1 до 1,0 дБ на длине акустической волны, затухание поперечных волн приблизительно в 10 раз больше [84]. В области нулевых и отрицательных температур затухание акустических волн в различных водонасыщенных осадках сильно зависит от температуры [233], быстро уменьшаясь с ее понижением, что объясняется увеличением объемного содержания связанной воды в осадках при замерзании. Что касается скорости звука, то в широком диапазоне частот 1-Ю6 Гц в водонасыщенных осадках она не зависит от частоты [191]. Это заключение не относится к осадкам, в которых содержатся пузырьки газа, возникающих при разложении органических веществ или из-за миграции газа из глубинных слоев [11, 63]. Наличие пузырьков приводит к увеличению поглощения и снижению, иногда существенному до 80 % [73], скорости звука. В результате, на этих участках дна по сравнению с соседними участками без пузырьков газа в обратном направлении отражается большая часть падающей энергии, а глубина проникновения акустических волн в осадки снижается. При температурах вблизи нуля и отрицательных температурах в отличие от области положительных температур, больших 5 С [13], существует сильная обратная зависимость скорости распространения как поперечных, так и продольных волн в различных водонасыщенных осадках от температуры [132, 233], которая связана с объемным содержанием свободной воды. Скорость распространения продольной волны, например, для глины при изменении температуры всего на три градуса с минус 2 С до минус 5 С увеличивается на 17%, при этом содержание свободной воды уменьшается на 18%.
При падении акустической волны из водной толщи на морское дно она частично переизлучается в воду от поверхности этого раздела, частично проходит в грунт, где переизлучается в различных направлениях на неоднородностях скорости звука и плотности, при этом распространяющиеся в грунте волны затухают из-за поглощения. В литературе при описании процесса переизлучения от поверхности раздела водная толща - морское дно часто используют термины «отражение» и «рассеяние». Термин «отражение» чаще всего употребляют для описания волн, распространяющихся в зер 23 кальном направлении, а термин «рассеяние» для волн, распространяющихся во всех других направлениях. В [155] под отражением подразумевается такой отклик морского дна на падающую акустическую волну, когда в раствор диаграммы направленности приемника попадает луч, излученный в растворе диаграммы направленности излучателя и зеркально отраженный от средней плоскости дна. В таком сигнале в общем случае содержатся как зеркальная (когерентная) так и рассеянная (некогерентная) компоненты [19, 170]. В гидроакустике используются различные параметры, характеризующие рассеяние. Одним из таких параметров является сила поверхностного Ss или объемного Sy обратного рассеяния, которая определяется выраженным в децибелах отношение приведенной к расстоянию один метр интенсивности звука, рассеиваемого единичной поверхностью или единичным объемом, к интенсивности падающей плоской волны / [231]. Другим используемым параметром является эффективное сечение поверхностного ms или объемного рассеяния ту, которое равно отношению рассеваемой единичной поверхностью или единичным объемом мощности, приведенной к расстоянию один метр, к интенсивности падающей плоской волны [231]. В предположении равномерно распределенного соответственно по сфере или полусфере рассеяния между указанными параметрами существует очевидная связь
Дистанционное определение физических параметров дна
Особенности формирования сигнала поверхностного рассеяния зависят от длительности импульса, глубины дна и диаграммы направленности преобразователя. Пусть в момент времени /=0 в сторону к дну излучается акустический импульс длительностью г. При достижении распространяющимся импульсом спустя время / после излучения поверхности дна в сторону к преобразователю начинает распространяться сигнал обратного рассеяния, который через время It достигает преобразователя. С этого момента времени начинает регистрироваться эхосигнал. В каждый последующий момент времени амплитуда эхосигнала определяется особенностями структуры поверхности дна в тех зонах, эхосигнал от которых достиг преобразователя именно в этот момент. Вид этих зон зависит от текущего времени, глубины дна, длительности импульса и радиуса озвученной зоны, который определяется полушириной диаграммы направленности излучателя в. При длительности зондирующего импульса в формировании отклика может принимать участие одновременно вся озвученная зона (рис. 1.2). При уменьшении импульса в формировании отклика одновременно принимает участие только часть озвученной зоны (рис. 1.3).
Характеристики рассеянных дном сигналов несут информацию о свойствах поверхности дна и его внутренней структуре. По данным дистанционного акустического зондирования на ходу судна можно оценить скорость звука, плотность, параметры слоистой структуры осадочной толщи, коэффициент поглощения акустических волн в отдельных слоях, а также среднеквадратичные значения размеров шероховатостей поверхности дна океана и углов наклона неровностей [96, 208]. По существующему в литературе мнению для идентификации донных осадков наилучшим образом подходит акустический импеданс [208]. Методика основана на эмпирически установленной зависимости акустического импеданса от коэффициента отражения и литологии морских осадков в пределах первых нескольких метров от поверхности дна, откуда производился массовый отбор проб грунта [209]
Для целей сейсмоакустических исследований интерес представляет получение сведений о скоростях звука в донных осадках При этом величина ру находится из зависимостей p=f (V) по соответствующим регрессионным уравнениям или петрофизическим моделям [208].
Для правильной интерпретации данных дистанционного акустического зондирования чрезвычайно важным является выявление относительного вклада в донную реверберацию поверхностного и объемного обратного рассеяния. Важность задачи определяется тем обстоятельством, что ряд стандартных технологий измерений в океанологической практике использует определенные модели процесса обратного рассеяния и тем самым ставит достоверность получаемых данных в зависимости от адекватности моделей в конкретных условиях [55-58]. Так, донные профилографы, как правило, имеют широкую диаграмму направленности, поскольку считается, что отражение от поверхности дна и слоистой структуры донных осадков значительно превышает обратное рассеяние от шероховатостей границ разделов. При интерпретации данных многолучевых эхолотов и локаторов бокового обзора предполагается, что переизлучение зондирующих сигналов происходит на границе раздела вода-грунт. Во многих системах классификации донных осадков также предполагается, что длительность сигнала донного отражения определяется в основном особенностями рассеяния на границе раздела вода - дно, что во многих случаях не соответствует действительности [54,241,244-246].
В случае излучения относительно длинных импульсов параметры слоистой структуры могут быть определены по частотным или угловым зависимостям коэффициента отражения. В частности в случае однослойного дна по частотной зависимости коэффициента отражения можно определить частотную зависимость коэффициента поглощения звука в слое [155]. Для двухслойной модели грунта со слоем, лежащем на полупространстве с другой скоростью звука, значения толщины слоя и скорости звука в нем определяются по положению соседних минимумов на частотной зависимости коэффициента отражения звука при двух значениях углов падения. На основе анализа частотно-угловых положений минимумов коэффициента отражения звука возможно решение обратной задачи и в случае многослойного грунта [164, 165]. Техника оценки геоакустического параметра осадков на частотах 10-100 кГц с использованием калиброванного эхолота с широкой диаграммой направленности, наклоненного под углом к вертикали приведена в [90, 118]. Возможность простого определения объемного рассеяния слоистой структуры с учетом их неровности поверхности рассмотрена в [92]. По данным обратного рассеяния, полученных с помощью однолучевых эхолотов удается оценить среднеквадратичный размер частиц в поверхностном слое осадков [131]. Одновременное применение нескольких акустических устройств (эхолота, гидролокатора бокового обзора и профилографа), работающих в разных частотных диапазонах, позволяет при исследовании осадочной толщи перейти на качественно иной уровень, поскольку полученные данные дополняют друг друга [152]. Сравнение акустических данных с колонками грунта позволяет уточнить природу отдельных звуко-рассеивающих слоев. Так, при исследовании в Балтийском море с применением эхолота, гидролокатора бокового обзора и профилографа удалось обнаружить множество различных акустических структур, связанных с пузырьками газа. Сопоставление тонких слоев на эхограммах с отобранными колонками показало, что сильно отражающие горизонты являются глинистыми пластами с торфом, содержащими пузырьки газа, суммарный объем которых доходил до 5% от объема осадков [228].
Большой информативностью обладают статистические характеристики отраженных сигналов. По ним удается получить информацию о малых формах рельефа дна, в том числе и таких, которые не могут быть получены другими методами, например, оптическими. При достаточно широкой диаграмме направленности преобразователя среднеквадратичная высота неровностей а определяется по величине когерентной компоненты в рассеянном сигнале при измерении на одной частоте и одном угле падения. В общем случае для таких оценок производятся измерения двух когерентных компонент Vkl и Vk2 при одном угле падения на двух частотах или одной когерентной компоненты эхосигнала на одной частоте при двух различных углах падения.
Особенности проявления ГФ в морском дне
Сравнительно недавно в Охотском море во впадине Дерюгина - уникальном центре газово-флюидных эманации, на глубине около полутора километров был обнаружен участок формирования и скопления крупных залежей барита - т.н. баритовые холмы [139, 140]. Дальнейшими комплексными исследованиями, выполненными в основном по международному российско-германскому проекту КОМЕХ в 1998-2002 гг. здесь было установлено крупное рудопроявление барита, которое не имеет по масштабам аналогов на дне континентальных окраин Мирового океана [23, 25, 172, 206]. Ориентировочная масса баритов в месторождении составляет от 3 до 10 млн. тонн [206]. Барит - природный сульфат бария (BaS04) в природе наиболее часто встречается в гидротермальных месторождениях, сопровождая рудные сульфидные минералы, или образует собственно баритовые месторождения. В песчано-глинистых осадочных отложениях он наблюдается в виде конкреций. Барит является ценным полезным ископаемым, широко применяется для получения красок, бариевых препаратов, специальной, непроницаемой для рентгеновского излучения, штукатурки, входит в состав контрастной массы для рентгенологических исследований, используется также как наполнитель в бумажной и резиновой промышленности. Предварительная оценка времени баритообразования свидетельствует, что эти процессы продолжаются уже в течение 100000 лет [42]. Предполагается, что глубинным источником баритовой минерализации является долгоживущий центр активных газово-флюидных эманации. Обнаруженные высокие концентрации метана в придонных водах и аномальные содержания растворенного бария в поровых водах осадков свидетельствуют о существовании современного процесса подъема метан- и барий - насыщенных флюидов с глубоких горизонтов осадочной толщи. Проведение работ по обнаружению и исследованию месторождений барита в Мировом океане является актуальным, поскольку в пределах суши его месторождения встречаются достаточно редко и объем разведанных запасов барита весьма ограничен. Кроме этого, исследования представляют и чисто академический интерес, поскольку область баритовой минерализации, заполненная специфическими структурами - баритовыми постройками (БП), является уникальным объектом с точки зрения акустики.
Акустические данные, положенные в основу анализа были получены в ходе целенаправленных, в том числе и акустических, исследований в рамках проекта КО-МЕХ [23-26, 29, 104, 172, 206]. Акустическая съемка баритовых холмов во впадине Дерюгина в Охотском море выполнялась с применением стационарного комплекса, установленного на НИС «Академик М.А. Лаврентьев», на частотах 12 и 19,7 кГц с регистрацией эхосигналов в цифровом виде. Как показали визуальные наблюдения, выполненные с помощью телевизионной системы OFOS [1, 206], и анализ поднятых с помощью драги образцов, баритовые холмы в областях распространения баритовой минерализации покрыты столбообразными структурами, состоящими в основном из нерастворимых солей бария, - БП, высота которых в отдельных случаях превышает десять метров [104, 172, 206, 214, 223]. Наличие БП приводит к появлению непосредственно перед эхосигналом от поверхности дна дополнительного сигнала, длительность которого определяется высотой БП, а амплитуда - их количеством в озвученной зоне. При правильно выбранных параметрах регистрации участки дна с БП хорошо выделяются на эхограммах (рис. 2.1). Из рисунка видно, что БП полностью покрывают баритовый холм и частично его основание. Максимальные высоты наблюдаются на его вершине и составляют порядка 10 м. При этом отдельные БП не различаются, что свидетельствует о большом их количестве в озвученной зоне (радиус около 250 м). Отметим, что в случае применения «обычных» эхолотов с широкой диаграммой направленности, в формировании сигнала от баритов может участвовать не вся озвученная область, а только ее часть, которая определяется высотами БП и глубиной дна. Это объясняется тем, что определяемая по эхограмме высота БП, находящейся непосредственно под судном, равна ее истинной высоте. А видимая высота БП, расположенной на некотором расстоянии / от центра озвученной зоны, уменьшается в случае h/H«l и 1/Н«1 на величину 12/2Н, где Я- глубина дна. Так, при глубине дна 1500 м, видимая высота БП с высотой h, находящейся на расстоянии /=100 м от центра озвученной зоны, уменьшается на 3,3 м. При полуширине диаграммы направленности преобразователя в=5 , если высоты БП /К5,7 м, в формировании эхосигнала примет участие не вся озвученная область, а только ее часть. При 6=6 это условие выполняется при h 8,2 м, а при 9=1 - при h 11 м.
Для получения количественных оценок первоначально необходимо выделить слабый сигнал от БП на фоне сильного донного рассеяния. Эхограммы баритового холма до и после применения программы по устранению влияния качки судна и изменчивости глубины дна представлены на рис. 2.2. При такой обработке на эхограмме эхосигналы от поверхности дна располагаются на одной горизонтальной линии, а все детали придонного рассеяния полностью сохраняются, и это свидетельствует о возможности успешного применения автоматической обработки данных. Видно, что на участке разреза 12-20 км рассеяние над дном практически отсутствует (высоты неод-нородностей над дном меньше длины импульса). В другой части эхограммы отчетливо выделяется сигнал от БП. При средней высоте БП около 5 м заметны два участка, на которых сосредоточены более высокие постройки. Первый расположен на вершине баритового холма, второй - непосредственно около его основания. Видно, что программа хорошо справляется с выделением слабого сигнала от БП на фоне сильного донного рассеяния, поэтому дальнейшая обработка становится достаточно простой задачей. На рис. 2.3 представлено полученное с помощью программы «Граница приповерхностного рассеяния» распределение максимальных высот БП на данном разрезе. В деталях сложная структура рассеянного от баритов сигнала хорошо видна при трехмерной визуализации (рис. 2.4). На данном рисунке выделяются участки с разными наклонами уровня рассеяния от глубины. При этом амплитуда рассеянного от БП сигнала с глубиной не убывает, что подтверждает ранее сделанный вывод о большом количестве БП, участвующих в формировании отраженного сигнала. На рис. 2.5 представлены осредненные по 3,5 км (200 посылок) профили рассеяния от дна на участках разреза с баритами и без баритов. На разных частотах наличие БП отражается в присутствии дополнительного сигнала прямо перед дном [104, 214, 223]. Видно, что на обеих частотах максимальный уровень рассеяния от дна более чем на порядок превышает рассеяние от БП. Профили на участках с БП и без БП за исключением 10 метрового участка над дном, в общем, совпадают. Некоторое отличие состоит в уменьшении максимального уровня рассеяния от поверхности дна и более медленном уменьшении сигнала с глубиной под дном, что скорей всего свидетельствует об увеличении неровностей дна на участке с баритами. На рис. 2.6 представлены осредненные профили амплитуды рассеянного баритами сигнала для двух участков с низким и высоким уровнем сигнала от баритов.
Исследование с поверхности льда
Изучение эманации метана дном океана в настоящее время представляет большой интерес как с чисто академической, так и практической точек зрения. Оценки существующего на сегодняшний день потока метана в атмосферу и его прогноз на ближайшую и отдаленную перспективы необходимы при решении задач глобального изменения климата, поскольку метан является очень эффективным тепличным газом, способным поглощать инфракрасное излучение в 21 раз сильнее углекислого газа. Знание особенностей пространственно-временной изменчивости метановых эманации, характера распределения всплывающих пузырьков по размерам необходимо при исследовании вертикального транспорта кислорода, бактерий, осадков, поверхностно активных и питательных веществ. На сегодняшний день источники выделения метана зарегистрированы по всему миру [150] от мексиканского залива [10], западного побережья Тихого океана [47], Северного [50, 51, 62], Черного [28], Охотского [27, 39, 81, 105, 106, 135, 136, 138, 141, 149, 179, 180, 207, 220, 224] морей до пресноводного озера Байкал [169, 193, 194]. Наибольший практический интерес заключается в обнаружении и оконтуривании перспективных месторождений метана, его газогидрата и нефтегазоносных пород дна. В настоящее время на побережье Калифорнии промышленная добыча метана уже начата [7, 49]. Согласно оценкам максимальное количество метана находится в осадочной толще Мирового океана в газогидратной форме [111, 162, 201]. Газогидраты - это твердые соединения, образующиеся из метана и воды при определенном давлении и температуре. Они встречаются главным образом в океанах и районах вечной мерзлоты. В океанах газогидраты в основном находятся на континентальных склонах в виде мощных слоев на глубинах порядка нескольких сотен метров ниже поверхности морского дна. Для их обнаружения обычно используются геофизические методы, а также бурение осадочных пород. Гораздо реже газогидраты встречаются вблизи морского дна (на глубине нескольких метров под его поверхностью) и зачастую располагаются в пределах газвыделяющих структур [47, 134, 211, 227]. Многими странами уже приняты национальные программы по изучению и освоению газогидратных залежей, которых на сегодняшний день обнаружено более двухсот.
В данной главе рассматриваются газовые эманации в виде всплывающих со дна пузырьков, которые образуют в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации - "газовые факела" (ГФ). В большинстве случаев этим газом является метан, который просачивается по капиллярам и трещинам из глубинных слоев, образуется из-за распада газогидратов или в результате разложения нефтегазоносных пород дна. Дистанционные акустические методы, основанные на измерении уровня обратного рассеяния звука, являются чрезвычайно полезными при исследовании ГФ. Судовые эхолоты способны обнаружить одиночный пузырек миллиметрового размера на расстояниях в сотни метров, поскольку акустическое сечение рассеяния газового пузырька может в сотни раз превышать его поперечное сечение. На эхолотных записях ГФ наблюдаются в виде гидроакустических аномалий различных размеров и конфигураций, при этом вертикальные размеры некоторых глубоководных ГФ могут достигать километра и более [41, 105, 220]. В Охотском море впервые газовые эманации и связанные с ними месторождения приповерхностных газогидратов были выявлены в восьмидесятых годах прошлого века в прибрежье островов Парамушир и Сахалин именно по эхограммам [179, 227]. В последние годы в рамках программ КО-МЕХ и CHAOS был выполнен большой объем исследований, направленных на изучение газогидратов и газовых эманации на шельфе Охотского моря [23-27, 29, 83, 205, 226]. Важное место в этих исследованиях отводилось акустическим наблюдениям с применением модернизированных эхолотов и гидролокаторов, которые позволяли обнаружить ГФ, уточнить его геометрические размеры и координаты источника, оценить скорости всплытия пузырьков. Дистанционные акустические методы применяются и для оценки потока метана от ГФ в водную толщу и атмосферу [42, 49, 70, 95]. Однако, некоторые научные и практические аспекты применения этих методов изучения ГФ освещены недостаточно.
В основу анализа положены акустические исследования на частотах 12, 19,7 и 135 кГц, которые проводились у северо-восточной части о. Сахалин (рис. 3.1) с помощью 3-х частотного стационарного комплекса, установленного на НИС «Академик М.А. Лаврентьев». Всего в районе исследований выполнено около 800 пересечек ГФ, причем многие области выделения метана были обнаружены впервые. Измерения обратного рассеяния проводились как на ходу судна, так и на станциях, на которых дополнительно проводились измерения профилей температуры, солености и осуществлялся отбор проб воды батометрами и верхнего слоя осадков прямоточными грунтовыми трубками. На некоторых длительных станциях работы проводились при попытке удержания судна в одном положении над ГФ.
Анализ данных показал, что все зарегистрированные ГФ условно можно разделить на две большие группы: мелководные и глубоководные [105, 220, 224]. Источники мелководных ГФ находятся на участке мелководного шельфа выше границы зоны стабильности газогидрата метана (ЗСГ), которая согласно усредненным многолетним данным распределения температуры в данном районе находится чуть глубже 300 м. Каждый такой мелководный ГФ на дне занимает область с площадью в несколько квадратных километров. На эхограммах мелководные ГФ выглядят в виде сплошных протяженных по горизонтали областей поднимающихся со дна пузырьков (рис. 3.2). Основное же количество источников глубоководных ГФ располагается на шельфе и в области континентального склона при глубинах дна в диапазоне 600-900 м ниже ЗСГ, причем выделение метана дном носит более концентрированный характер. На эхо-граммах при пересечении глубоководных ГФ вдоль направления течения они проявляются в виде сильно вытянутых наклонных обособленных областей повышенного рассеяния высотой до 800 м, которые начинаются у поверхности дна и сохраняют свое положение относительно дна в течение длительного времени. Глубоководные ГФ уверено регистрируются на частотах 12 и 19,7 кГц, с превышением сигнала над шумом как минимум на 20 дБ, а мелководные ГФ - на всех трех частотах [105, 220, 224].
