Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и аппаратура гидрофизических и геофизических (акустических) исследований 8
1.1. Основные методы и аппаратура гидрофизических исследований водной толщи и параметров течений 8
1.2. Акустические средства исследования поверхности и структуры дна . 17
1.3. Возможности многоцелевого применения гидроакустической аппаратуры 20
Выводы 21
Глава 2. Аппаратурные комплексы гидрофизических и геофизических наблюдений, применявшиеся при исследованиях в Каспийском море и в восточном секторе Арктики 22
2.1. Методы и аппаратура гидрофизических наблюдений, применявшиеся в Каспийском море 22
2.1.1. Притопленная буйковая станция 23
2.1.2. Профилирование буксируемым доплеровским измерителем течений ADCP 34
2.1.3. Зондирование 36
2.2. Аппаратурный комплекс и методики сейсмоакустических наблюдений . 38
2.2.1. Гидролокация бокового обзора 38
2.2.2. Сейсмоакустическое профилирование 40
2.2.3. Комплексные геоакустические исследования 42
2.2.4. Использование сейсмоакустических методов для оптимизации гидрологических исследований 43
Выводы 46
Глава 3. Комплексные инструментальные наблюдения пространственно-временной изменчивости гидрофизических полей Среднего Каспия 47
3.1. Продолжительные инструментальные наблюдения изменчивости параметров течений и температуры с ПБС 47
3.2. Комплексные исследования в западной части Среднего Каспия 55
3.3. Результаты применения профилографа ADCP в режиме зондирования . 75
Выводы 78
Глава 4. Комплексные сейсмоакустические исследования в восточном секторе Арктики 79
4.1. Эффективность комплекса гидролокатор - параметрический эхолот-профилограф 81
4.2. Результаты применения сейсмоакустического комплекса для исследования дна морей Восточной Арктики 85
4.3. Применение сейсмоакустического комплекса при исследовании верхнего слоя осадочной толщи 98
4.4. Аппаратурный комплекс контроля изменчивости параметров водной толщи, придонного слоя и дна 102
Выводы 104
Глава 5. Адаптация метода Марковской томографии для морских исследований 105
5.1. Геолого-математические основы метода Марковской томографии 105
5.2. Применение метода Марковской томографии для различных масштабов исследования 116
5.3. Расчет моделей отложений дна Каспийского региона 122
5.4. Возможность применения метода Марковской томографии для решения гидрологических задач 132
Выводы 135
Заключение 136
Литература 137
- Акустические средства исследования поверхности и структуры дна
- Профилирование буксируемым доплеровским измерителем течений ADCP
- Продолжительные инструментальные наблюдения изменчивости параметров течений и температуры с ПБС
- Результаты применения сейсмоакустического комплекса для исследования дна морей Восточной Арктики
Введение к работе
Актуальность работы. Структура отложений дна и происходящие в них геодинамические и флюидодинамические процессы влияют на состояние водной толщи, которая, в свою очередь, взаимодействуя с поверхностью дна, обеспечивает на границе раздела двух сред непрерывный процесс энерго- и массообмена. Рельеф дна влияет на параметры течений [Штокман, 1982], которые, изменяя рельеф, воздействуют на процесс осадконакопления. Необходимо также учитывать фактор геологического строения подстилающих отложений, определяющих латеральную изменчивость форм рельефа и интенсивность геодинамических процессов в пределах исследуемых акваторий. Изучение взаимосвязи этих двух сред, как элементов сложной геогидродинамической системы, требует их одновременного исследования в режиме мониторинга. При этом мониторинг состояния сред предполагает, помимо непрерывных наблюдений во времени, создание единой математической модели протекающих процессов и их взаимодействия [Лобковский и др., 2005].
В связи с этим, возникает необходимость формирования аппаратурного комплекса, методик измерения и обработки данных, обеспечивающих совместное изучение изменчивости гидрофизических параметров водной толщи, геофизических характеристик придонного слоя и структуры подстилающих геологических тел.
Цель работы. Сформировать аппаратурный комплекс, обеспечивающий контроль пространственно-временной изменчивости гидрофизических полей водной толщи, свойств дна, придонного слоя и прогнозирование петрофизических параметров осадочного чехла при исследовании морских акваторий.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Обоснование аппаратурного комплекса, обеспечивающего создание модели пространственно-временной изменчивости гидрофизических полей по данным измерений с притопленных буйковых станций (ПБС), CTD-
зондирований, буксируемых доплеровских профилографов течений (ADCP) и дистанционных спутниковых наблюдений на акватории Среднего Каспия.
Объединение высокоразрешающей гидроакустической аппаратуры в единый комплекс для получения и анализа данных о состоянии поверхности дна и придонного слоя на примере морей Восточной Арктики.
Адаптация метода Марковской томографии к решению океанологических задач: прогноз и построение 3D петрофизических моделей подповерхностных геологических отложений, выявление в них структурных неоднородностей, а также моделирование гидрологических полей.
Фактический материал. В основу работы положены оригинальные данные исследований, полученные в рейсах НИС «РИФТ» в Каспийском море в 2005 -2010 гг., сейсмоакустических исследований 57-го рейса НИС «Академик М.А. Лаврентьев» в морях Восточной Арктики и цифровая модель рельефа дна Каспийского моря.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов инструментальных наблюдений подтверждена метрологическими характеристиками используемых аппаратурных комплексов и параллельными измерениями исследуемых параметров другим оборудованием. Корректность применения метода Марковской томографии подтверждена патентом РФ и результатами инженерно-геологических изысканий и горными работами в районе предгорий Северного Кавказа. Рассчитанные прогнозные 3D модели строения отложений дна Каспийского моря подтверждались сопоставлениями с независимыми сейсмо-геологическими разрезами. Научная новизна работы.
Впервые получены и проанализированы результаты инструментальных наблюдений параметров течений в глубоководной части Каспийского моря продолжительностью до полутора лет, определен характер течений на разных горизонтах в центральной части Среднего Каспия.
Получены комплексные разрезы, характеризующие структуру изменчивости параметров водной толщи и течений у западного побережья
Среднего Каспия. Рассчитана трехмерная гидрологическая модель исследуемого района по данным CTD-зондирований.
Впервые зафиксированы комплексом: ГБО «Гидра»250/500 - эхолот-профилограф SES, многочисленные экзарационные борозды на глубинах более 20 м, для которых прогноз их появления, основанный на моделях торошения, для данного района считался маловероятным.
Разработан, обоснован и впервые применен при морских исследованиях метод Марковской томографии (способ выявления внутренних неоднородностей Земли). Новизна метода подтверждена, полученным при участии автора, патентом РФ (Патент на изобретение № 2293361, 2004 г.). Теоретическая и практическая значимость работы.
Результаты изучения параметров течений и стратификации водной толщи Центрального Каспия, проведенных в 2005-2006 гг., являются ключевыми для проводимых экологических исследований. Материалы были использованы при инженерных изысканиях на нефтегазовой структуре «Центральная».
Результаты изучения течений Каспийского моря, полученные в 2008-2010 г.г. использовались для оценки переноса взвешенного вещества и осадконакопления Лабораторией физико-геологических исследований НО РАН. Также эти данные могут быть применены для прогноза распространения возможных техногенных загрязнений на акватории Каспийского моря.
Данные о придонных течениях необходимы при разработке проектов прокладки нефте- и газопроводов по дну Каспийского моря.
Метод Марковской томографии применим для экспресс-оценки строения осадочного чехла: при отсутствии, либо минимуме геологических и геофизических данных; при геолого-геофизическом моделировании геологических объектов различного масштаба, включая инженерные изыскания; в зонах со сложным рельефом дна и в пограничных зонах «берег-море». Получаемая петрофизическая 3D модель предназначена для расчетов оценки скорости распространения звука в донных слоях и для обнаружения аномалий в структуре осадочной толщи.
Методики обработки данных аппаратурного комплекса по экзарационным воздействиям предназначены для инженерно-геологических исследований на шельфе.
Полученные результаты отражены в отчетах ИО РАН о выполнении работ по программам Президиума РАН и ФЦП «Мировой океан»: «Системные исследования морей Европейской части России», программе «Комплексные исследования в Каспийском море».
Основные положения, выносимые на защиту:
По результатам исследований аппаратурным комплексом установлено резкое разделение полей течений в летний период на поверхностный поток и поток в толще воды, границей которых является термоклин, построена объемная модель апвеллинга у западного берега Каспийского моря.
Применение высокоразрешающего аппаратурного комплекса, включающего параметрический эхолот-профилограф и гидролокатор бокового обзора (ГБО), позволило получить детальные количественные оценки нарушенности поверхности дна в морях восточной Арктики.
Метод Марковской томографии позволяет решать задачи оперативного прогнозирования и 3D моделирования строения и свойств осадочного чехла акваторий различного масштаба, выявления в них структурных и петрофизических неоднородностей.
Связь работы с научными программами: Все данные инструментальных наблюдений, используемые в работе, были получены при выполнении научных программ, проводимых Институтом океанологии им. П.П. Ширшова РАН в Каспийском море: Федеральной целевой программы № 20 «Мировой океан»; Темы № 0008 «Комплексные исследования процессов характеристик и ресурсов Каспийского моря»; программ Президиума РАН № 17.1 «Системные исследования морей Европейской части России» и № 17.2 «Комплексные исследования в Каспийском море»; и при проведении исследований в Арктических морях по гранту РФФИ № 11-05-12021-офо-м-2011 «Сейсмоакустическое изучение верхней осадочной толщи и рельефа морского
дна с целью картирования подводной границы многолетнемерзлых пород (ММП) и выявления газовых сипов, в том числе и за счет деградации ММП, в морях Восточной Арктики Российской Федерации». Личный вклад автора:
Проведение инструментальных наблюдений, обработка данных гидролого-гидрофизических и гидролокационных исследований в восьми рейсах НИС «РИФТ» в Каспийском море, проводившихся Институтом океанологии им. П.П. Ширшова РАН, и в рейсе НИС «Академик М.А. Лаврентьев» в морях Восточной Арктики, проводившемся ТОЙ РАН.
Критический анализ современного состояния методов наблюдения течений, анализ возможности применения геофизических методов для исследования гидрологических процессов.
Обработка и анализ данных измерителей течений буйковых станций.
Получение параметров температурной стратификации водной толщи для различных сезонов по данным CTD-зондирований, построение комплексных гидрофизические разрезов, схемы изменчивости гидрологических параметров на различных горизонтах.
Получение, обработка и анализ гидролокационных данных при исследованиях в Каспийском море и в морях Восточной Арктики.
Анализ данных комплексного исследования экзарационных процессов в морях Восточной Арктики.
Обоснование применимости метода Марковской томографии для прогнозирования и 3D моделирования геологического строения отложений морских акваторий (подготовка данных, расчет моделей, сопоставление с геолого-геофизическими разрезами).
Выполнение опытных работ по применению метода Марковской томографии для моделирования гидрологических разрезов.
Обоснование предлагаемого аппаратурного комплекса для гидролого-геофизических наблюдений, позволяющего повысить эффективность экспедиционных исследований.
Апробация работы. Основные результаты и положения, изложенные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: II, III Международная конференция-выставка «Экологические системы, приборы и чистые технологии» (Москва, 2007, 2009); X, XI, XII Международная конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва, 2007, 2009, 2011); XVIII, XIX Международная научная конференция (Школа) по морской геологии (Москва, 2009, 2011); Научная конференция, посвященная памяти Виктора Ефимовича Хаина «Современное состояние наук о Земле» (Москва, 2011); Международный научный симпозиум «Неделя горняка-2012» (Москва, 2012). Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 научные работы, из них 15 в периодических журналах из списка ВАК, 1 в коллективной монографии, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из: введения, 5-ти глав и заключения. Её объем составляет 148 страниц, включая 107 рисунков и 17 таблиц. Список используемой литературы состоит из 135 наименований.
Акустические средства исследования поверхности и структуры дна
Средством, используемым для обследования поверхности дна. Получаемое при помощи ГБО акустическое изображение дна используется при решении поисковых задач, геологических - для анализа структуры дна, при инженерных исследованиях, при оценке экзарационных воздействий [Спр. по гидроакустике, 1988]. По мере движения судна приемопередающая антенна гидролокатора излучает и принимает эхо-сигнал обратного рассеяния от неровностей дна, получая полосу обзора шириной в несколько глубин с каждого борта (рис. 1.2.1) [Скнаря, 2010]. Ширина полосы обзора зависит от гидрологических условий, обратного рассеяния от дна, наклона рельефа. Коэффициент рассеяния у различных типов грунтов и предметов различен. Интенсивность эхосигналов от различных участков дна также будет различной, что отображается на акустическом изображении различной яркостью точек.
Диаграмма направленности антенны ГБО направлена под углом 90 к линии движения судна. Ширина диаграммы направленности излучающей антенны в горизонтальном направлении от 0,5 до 3 , в вертикальном направлении от 40 до 60.
На ширину обзора гидролокатора и качество изображения существенное влияние оказывают гидрологические условия, наличие звукорассеивающих слоев и концентрация взвешенного вещества в водной толще. Учет влияния стратификации водной толщи на изменение скорости звука в воде при проведении гидролокационной съемки выполняется станциями зондирования СТД-зондом, или ультразвуковым измерителем скорости звука. В системе обработки гидролокационных записей полученные профили скорости звука в воде используются для коррекции траектории акустического луча гидролокатора.
В настоящее время существует много различных модификаций гидролокаторов бокового обзора, разработанных и выпускаемых отечественными и иностранными фирмами (НИИП им. Тихомирова, ИО РАН, ИРЭ РАН, «Морфизприбор», «Океанприбор», ИПМТ ДВО РАН, НТФ «Гидромастер», завод «Прибой», Южморгеолог «Edgeech», «Klein System», «Sonatech», «Geo Acoustics», «Benthos», «C-MAX», «Marine Sonic Technology Ltd» и др). 1.3. Возможности многоцелевого применения гидроакустической аппаратуры.
Неоднородности, звукорассеивающие слои (ЗРС) и слой скачка в водной толще являются основной причиной возникновения объемной реверберации, которая создает помехи работе гидроакустических устройств [Спр. по гидроакустике, 1988]. Вследствие этого, звукорассеивающие слои обеспечивают возможность визуализации некоторых гидрологических неоднородностеи, таких как слой скачка, внутренние волны и др. Соответственно развиваются методы исследования водной среды, основанные на регистрации обратного рассеяния звука.
Применение эхолота для акустического зондирования в непрерывном режиме изменчивости водной толщи и проявления газовыделения разработано более тридцати лет назад [Саломатин и др., 1983, 2002; Шевцов, 1983] и успешно продолжается по настоящее время [Саломатин и др., 2002; Соколов, Мазарович, 2009], но не имеет широкого применения в гидрологии. В то же время работы [Андреева, Макштас, 1976; Кауе, 1979] показывают возможность исследования высокочастотных внутренних волн. В простейшем случае могут быть использованы судовые эхолоты, позволяющие получить распределение звукорассеивающих характеристик, отследить границы резкого изменения гидрофизических параметров, разделяющих по вертикали водную толщу с различными значениями температуры и солености. Улучшить параметры измерительных приборов можно подбором оптимальных рабочих частот, сужением диаграммы направленности, использованием «сложных» сигналов [Саломатин и др., 1985]. Применение аппаратуры, соответствующей этим требованиям, позволяет дистанционно регистрировать акустические неоднородности водной толщи.
Работы по применению многоканальной сейсморазведки для исследования акустических и соответственно температурных неоднородностеи водной толщи [Ruddick et al., 2009] показали их перспективность, но существенную проблему представляет интерпретация полученных данных.
Основное назначение профилографа ADCP - это измерение профилей скорости течений. Интенсивность эхосигнала является дополнительно регистрируемым технологическим параметром, который активно используется для исследования акустических неоднородностеи водной толщи, звукорассеивающих слоев и связанного с ними взвешенного вещества [Deines, 1999; Морозов, Лемешко, 2010], внутренних волн [Серебряный, 2003, 2009; Есипов и др., 2006; Рыбак, Серебряный, 2011 ].
Представляют интерес эксперименты по использованию гидролокаторов бокового обзора для визуализации гидродинамических возмущений в толще воды. К таким возмущениям относятся внутренние волны, наблюдаемые на акустическом изображении ГБО [Римский-Корсаков и др., 2007; Корчагин и др., 2011]. Проявление на записях ГБО и профилографа неоднородностей водной толщи [Каевицер и др., 2011] показывает перспективность применения таких приборов, не только по прямому назначению (исследование поверхности дна), но и при исследовании изменчивости придонного слоя водной толщи.
Т.о. широко применяемые акустические методы исследования как структуры дна, так и водной толщи дают возможность использовать их не только по узкоцелевому назначению.
В работе [Гончар и др., 2004] подчеркивается, что в процессе разработки систем профилирования, для повышения их эффективности, требуется построение взаимно адекватных структурных и акустических моделей водной и осадочной толщи. Структурная модель должна отражать батиметрические и литологические особенности дна, а также ссостояние водной толщи.
Профилирование буксируемым доплеровским измерителем течений ADCP
Для получения мгновенных вертикальных разрезов профилей скоростей течений до глубин 40-70 м использовались буксируемые доплеровские профилографы течений ADCP RDI. Профилографы течения фирмы RDI - ADCP Workhorse Monitor 300 и Rio-Grande 600 (рис. 2.1.2.1, табл. 2.1.2.1) позволили получить мгновенные разрезы направления и скорости течений и разрезы обратного акустического рассеяния, работая в реальном времени с буксируемого судном тела-носителя. Измерения проводились с использованием методики и оборудования, разработанных в Атлантическом отделении ИО РАН [Отчет, 2008].
Тело носителя с закрепленным внутри него профилографом ADCP и модемом крепится к силовой заделке кабель-троса. Так как носитель имеет положительную плавучесть, под бридель крепится дополнительный груз, примерно 2 кг. Второй и, он же основной - крепится в 5-10 м от бриделя прямо на кабель-трос. Такая система крепления грузов для заглубления позволяет демпфировать тело-носитель при качке. Для наименьшего влияния судна на компас прибора и, чтобы он не находился в кильватере судна, используется выстрел, отводящий тело-носитель в сторону от борта судна. Кабель трос обеспечивает связь и питание прибора через специализированный модем производства АО ИОРАН., а также силовую буксируемую линию. Кабель-трос через дополнительный кабель соединяется с компьютером в лаборатории.
Измерения эха от ряда последовательно излучаемых сигналов, которые усредняются в ADCP и передаются-записываются, называются ансамблем. Обработка данных ансамбля позволяет вычислить профиль абсолютных скоростей течений. Чем больше пространственное и временное усреднение данных, тем меньше шумы и потери времени на передачу, но, соответственно, и ниже - детальность записи.
Профилограф ADCP работал в режиме с разрешением по вертикали 1-8 м, выбираемым оператором в зависимости от глубины моря и условий приема. В основном, аппаратное осреднение данных в ADCP устанавливалось так, что период ансамблей составлял, около 20 секунд. Каждый ансамбль представлял собой 30 посылок для определения профиля скорости в водной толще и 10 посылок для фиксации положения относительно дна моря.
Зондирование проводилось для получения профилей вертикального распределения гидрофизических параметров. При CTD-зондировании непосредственно измеряются температура, проводимость и давление, по которым рассчитываются соленость, плотность и скорость звука в воде. Поскольку температура, давление и соленость являются главными гидрологическими параметрами, характеризующими морскую среду, CTD-зондирование является одним из основных методов океанологических исследований.
В ходе Каспийских экспедиций был получен массив данных CTD-зондирований, выполненных в различные сезоны и в различных районах Каспийского моря. CTD-зондирование выполнялись CTD-зондами SeaBird SBE 19 plus и ldronau Ocean 360 (рис. 2.1.3.1, табл. 2.1.3.1), работающими в автономном режиме. К зонду на расстоянии 1м от датчиков зонда, направленных вниз, подвешивался обтекаемый груз массой, около 20 -30 кг. Зонд с грузом опускался на тросе с бортовой лебедки через блок на кран-балке.
В трех комплексных экспедициях в соответствии с программой «Система Каспийского моря» в 2009 и 2010 гг. мы проводили эксперименты по зондированию с использованием акустических профилографов ADCP. Целью этих измерений было получение мгновенного вертикального распределения скоростей течений на станциях комплексных исследований. Такое направление применения ADCP находится в стадии становления и отработки различных методик проведения измерения. [Firing, Gordon, 1990; Морозов, Лемешко, 2006].
Для зондирования использовали ADCP Workhorse RDI и Nortek Continental. Прибор с батарейным блоком крепился к тросу. К батарейному блоку для стабилизации в потоке жестко крепились крылья от измерителя течений «Поток» (рис. 2.1.3.2). Чтобы удерживать прибор в вертикальном положении, над ним подвешивался груз, примерно, 10 кг. Спуск-подъем осуществлялся через блок на кран-балке при помощи лебедки (также как при CTD-зондировании). Прибор опускался до максимально возможной глубины, а затем поднимался с остановкой через каждые 50-60 м (определяется параметрами прибора по измеряемой толщине слоя), выдерживался на каждом горизонте 5 минут. Время выдержки, необходимое для накопления и дальнейшего осреднения данных, может быть больше, но это замедляет цикл наблюдений.
Перед зондированием задавался режим с максимально возможной скоростью съема данных прибора: 40 ячеек с разрешением по вертикали 2 м. Аппаратное осреднение данных в ADCP было установлено так, что период ансамблей составлял около 6 секунд. Каждый ансамбль представлял собой 6 посылок для определения профиля скорости в водной толще. Для учета движения судна при обработке вычислялась скорость по данным GPS.
Полученные данные таким методом можно рассматривать только как оценочные. При оптимальном режиме работы ADCP прибор устанавливается в зафиксированном положении. При возможности провести сравнительные (калибровочные) измерения, можно будет оценить погрешность такого способа наблюдений.
В данной работе рассматриваются только аппаратура и методики работы гидролокатора бокового обзора (ГБО) «Гидра» и эхолота-профилографа SES-2000. Это объясняется тем, что гидролокатор позволяет получить данные о поверхности дна; эхолот -профилограф дает представление о приповерхностной (до первых десятков метров) структуре дна, а также о профиле дна. Данные, получаемые этими методами, могут использоваться для оптимизации гидрофизических исследований в придонной области, при оценке формы рельефа. Эти методы в сочетании с гидрофизическими могут составить комплекс исследования придонных процессов, оптимизировать проведение исследований. Батиметрические данные ГБО и сейсмопрофилографа, наряду с данными эхолотов, могут использоваться для геофизического прогнозирования внутреннего строения дна.
Акустическое обследование дна проводилось приемо-передающим комплексом, состоящим из набортных блоков электроник и соединенных с ними кабелем забортного комплекса антенн. ГБО «Гидра» (рис. 2.4.1) работает с антеннами, жестко закрепленными на штанге к борту судна.
Гидролокатор бокового обзора (ГБО) «Гидра» (производство НИИП им. Тихомирова). Может излучать импульсный тональный сигнал или линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал. Излучение и прием осуществляется с одного антенного блока. Акустическое изображение дна формируется при движении судна и выводится в реальном времени на экран соединенного с блоком обработки сигналов компьютера.
Интероферометрический гидролокатор бокового обзора (ИГБО) с каждого борта содержит канал ГБО, к которому дополнительно добавляется по два приемных канала. Совместная обработка эхо-сигналов нескольких приемных каналов с учетом их взаимных фазовых соотношений позволяет получить информацию о глубине моря. ИГБО помимо гидролокационных антенн оснащен эхолотом.
Продолжительные инструментальные наблюдения изменчивости параметров течений и температуры с ПБС
Были выполнены галсы субширотного направления протяженностями 84 и 137 км, которые соединялись галсом субмеридионального направления протяженностью 122 км в глубоководной части над склоном Дербентской впадины. Вдольбереговой галс протяженностью 53 км заканчивался у г. Дербента. Данные исследования позволили получить объемную картину гидрофизических процессов в 20-х числах июля 2008 г. в указанном районе Каспийского моря (Амбросимов, Либина, 2007, 2009].
Полученные при помощи буксируемого профилографа течений ADCP данные по мгновенным скоростям течений после интерполяционной обработки и визуализации в программе Surfer (Golden Software) были представлены в виде разрезов поля течений: векторов горизонтальной скорости течения, модуля V скорости течения и его составляющих (Ve - восточная, Vn - северная компоненты).
Помимо компонент течения профилограф ADCP показывает интенсивность обратного рассеяния посылаемого акустического сигнала, по которому может быть получено поле обратного рассеяния звука вдоль разреза (рис. 3.2.2.). В свою очередь, интенсивность сигнала обратного рассеивания характеризует звукорассеивающие слои, определяемые наличием взвешенного вещества и пузырьков воздуха в воде. Это позволяет одновременно с полем течений получать распределение взвеси в морской воде.
Применяемый профилограф ADCP RDI (частота 600 кГц) обеспечивал глубину проникновения акустического сигнала 35-40 м. Данные получены и представлены в виде разрезов сотрудниками АО ИО РАН. Наиболее информативным для анализа пространственной изменчивости течений представляется разрез в виде векторов горизонтальной скорости течения, где направление векторов север-юг развернуто в вертикальной плоскости. Данные профилографа ADCP осреднялись по 5-ти метровым слоям с горизонтальным разрешением 15-20 м.
В работах [Есипов, 2006; Серебряный, 2009] по данным обратного рассеяния акустического сигнала ADCP проводится исследование внутренних волн (применялся тот же профилограф ADCP Rio Grande 600 кГц). Успешный опыт применения данных обратного рассеяния акустического сигнала ADCP показывает целесообразность более активного использования этого параметра для анализа изменчивости параметров водной толщи.
Для получения более полной картины мгновенной гидрофизической обстановки вдоль галса, были построены комплексные гидрофизические разрезы (рис. 3.2.4 - 3.2.6). В них вошли разрезы поля течений в виде векторов горизонтальной скорости течений, поля обратного рассеяния акустического сигнала и распределения CTD-параметров.
Объединение разреза поля обратного рассеяния звука с разрезами распределения CTD-параметров (рис. 3.2.4.) показывает по разрезу обратного акустического рассеяния мгновенную картину акустической неоднородности водной толщи. На сводном разрезе выделяется слой скачка по температуре и плотности с локальными изменениями, которые не наблюдаются на интерполяционных разрезах, полученных по данным зондирования. Разрез поля температуры получен интерполяцией данных зондирования (на рис. 3.2.3 -3.2.5 станции зондирования показаны вертикальными пунктирными линиями) и имеет существенное горизонтальное осреднение. Данные измерений по обратному акустическому рассеянию записываются профилографом течений ADCP непрерывно вдоль разреза и осредняются на пространственной базе, порядка 10 метров. В большинстве случаев СТД-зондирования вдоль галсов вьшолняются реже, чем на приведенных рис. 3.2.3 - 3.2.5 - разрезах, кроме случаев детальных исследований на локальных участках и имеют большее пространственное осреднение. Такое осреднение дает пространственную низкочастотную фильтрацию и сглаживание получаемых гидрологических разрезов.
На рис. 3.2.5 показано объединение профилей измерения температуры (черные линии) с положением станций зондирования (вертикальные пунктирные линии). Красными линиями показаны изотермы интерполяционного разреза, полученного по данным зондирований. На рис. 3.2.5 видно, что изменчивость обратного рассеяния звука коррелируется с изменчивостью температуры. Из рисунка также видно, что нижняя граница двухступенчатого термоклина заглубляется с увеличением глубины моря.
Для анализа полученных результатов измерений мгновенных профилей течений, наиболее оптимальным является использование совмещенных разрезов поля течений и обратного рассеяния звука с определением стратификации по отдельным температурным профиляу зондирования и изотермам (красные линии) (рис. 3.2.6). Стрелками с номерами на рис. 3.2.6 отмечены выборочные вдоль разреза станции зондирования, профили температуры, которые представлены на рис. 3.2.7. Синие стрелки - направление ветра по данным судовой метеостанции.
Поверхностная температура на мелководье составляла, в среднем 27.7 С, в глубоководной части - 28.8С (рис. 3.2.7). Верхний перемешанный слой прослеживается до глубины 6 - 7 м. Максимальная температура в верхнем слое - 29.3 С. Резко выраженный на мелководье слой скачка мощностью 7 м имеет перепад температуры 17 С. С удалением от берега, более чем на 15 км, слой скачка становится ступенчатым. Перепад температуры в верхнем слое скачка от 5 до 7 С. При глубинах моря 50 м и более на некоторых профилях зондирования перед свалом глубин на верхней границе термоклина наблюдается инверсия температуры в 0.5 - 1.5 С. Нижняя, хорошо выраженная граница термоклина на мелководье, заглубляется по мере удаления от берега и достигает глубины 33 - 40 м в глубоководной части моря. На свале глубин нижняя граница термоклина размывается. Перепад температуры во втором слое скачка достигает 15-16 С. Выборочные профили температуры вдоль галса показаны на рис. 3.2.7.
Поверхностные течения на этом галсе имели различные направления: в глубоководной части разреза. С отметки 120 км до ПО км преобладало северное направление со скоростями 2-10 см/с. Ближе к берегу до отметки 97 км течения были направлены на северо-запад со скоростями 5-10 см/с. Далее наблюдалась вертикальная инверсия скорости на противоположную. До отметки 60 км скорости течений в верхнем 10-ти метровом слое были направлены на восток (10-20 см/с). Под термоклином течения были направлены на запад и северо-запад со скоростями 20 см/с. Между отметками 60 и 40 км поверхностные течения развернулись через южное направление на запад и северо-запад. Течение под термоклином изменило направление на юго-восток со скоростями 20-25 см/с. Ближе к берегу от отметки 40 км приповерхностные течения сохраняли юго-западное и южное направления со скоростями 10-20 см/с. Придонное течение в прибрежной зоне изменяло направление от южного и юго-восточного до северовосточного. Из приведенных данных видно, что термоклин является резкой границей раздела течений в верхнем перемешанном слое и течений в слое под ним.
Результаты применения сейсмоакустического комплекса для исследования дна морей Восточной Арктики
В Восточно-Сибирском море и море Лаптевых в сентябре-октябре 2011 г. проведен 57-ой рейс НИС «Академик М,А.Лаврентьев». Автором совместно с сотрудниками Океанологического института РАН в рамках проекта РФФИ выполнен комплекс исследований с использованием высокоразрешающей сейсмоакустической аппаратуры для детального изучения верхней осадочной толщи и рельефа морского дна.
Сейсмоакустические промеры производились в Восточно-Сибирском море и на двух больших полигонах в море Лаптевых.
При проведении работ на дне обследованной акватории было выявлено наличие большого количества разнообразных царапин и борозд как по глубине их распространения, так и по фактическим размерам. Характерный вид борозд (траншеи в дне с отвалами грунта в обе стороны) позволяет сделать предположение о механическом характере их происхождения, а точнее, о ледовом экзарационном выпахивании дна перемещающимися ледовыми образованиями [Огородов, 2003; Горбунов и др.„ 2011]. Экзарационные воздействия на дно могут оказывать айсберги, кили торосистых образований, стамухи.
В работе [Куликов. 2011], по результатам гидролокационного и сейсмоакустического обследования дна в Баренцевом и Карском море представлена модель ледового выпахивания (рис. 4.1), которая демонстрирует процесс экзарации.
Торосистые нагромождения образуются в дрейфующих льдах и припае. Размер килей гряд торосов на дрейфующих льдах шельфа российских замерзающих морей, в основном, находится в диапазоне от 3 до 25 м [Зубов, 1945; Смирнов, Миронов, 2010]. В случае попадания гряды тороса на мелководье, возможно внедрение киля тороса в грунт и формирование нагромождения обломков льда при последующем напоре льдов на неподвижную гряду торосов. При этом формируется протяженная зона нагромождения обломков льда, связанная с грунтом, так называемая, стамуха, площадь которой обычно превышает площадь гряд торосов. Под влиянием значительных колебаний уровня моря (приливных или сгонно-нагонных) может происходить всплытие стамухи и дальнейшая посадка на грунт. Образовавшиеся в результате торошения стамухи располагаются по изобатам, соответствующим их осадке, и окаймляют острова, отмели и побережье. Воздействие расположенных в припае килей торосов на поверхность дна происходит, в основном, в весенне-летний период - от разрушения припая и разрушения гряд торосов. Параметры морфометрии гряд торосов и стамух зависят от географических и гидрометеорологических условий их образования [Зубов, 1945; Смирнов, Миронов, 2010].
Экзарация относится к классу опасных природных явлений, способных создать аварийную ситуацию при строительстве и эксплуатации подводных инженерных сооружений, подводных трубопроводов, при прокладке кабелей. Они могут создавать как динамические, так и статические нагрузки на подводные сооружения и вызывать их повреждения. Динамические нагрузки возникают во время дрейфа нагромождения всторошенных ледяных полей при воздействии на сооружение килей торосов, осадка которых соизмерима с глубиной моря. Статические нагрузки возникают в результате формирования стамух непосредственно над сооружением.
В западном секторе Российского шельфа Арктики, где, в связи с открытием перспективных газовых и нефтяных месторождений, ведется активное изучение и освоение прибрежных территорий, проводится большой объем работ по изучению геологических опасностей, в том числе и воздействие ледяных образований на поверхность дна [Вершинин, 2007; Огородов; 2009; Миронюк, Клещин, 2010]. При исследованиях используются космоснимки, материалы аэро-фотосъемки, прямые измерения [Ледяные образования, 2006, Огородов, 1997], анализ ретроспективных материалов ледовой авиационной разведки [Горбунов, Лосев, 2004]. Широко применяется моделирование процессов торосообразования и вызываемого им воздействия на дно [Марченко, 2002; Миронов, Порубаев, 2011]. Инструментальное обследование поверхности дна проводится только на площадях намечаемых участков строительства разведочно-добычных сооружений и прокладки коммуникаций. Единовременный контроль записи данных ГБО и эхолота-профилографа позволил идентифицировать форму донных объектов и определять их реальные геометрические размеры, оценивать структуру и состояние поверхности дна, подповерхностной области дна, изменчивость состояния придонного слоя водной толщи.
По данным ГБО выделенный объект интерпретируется как борозда, ширину, глубину и крутизну склонов которой можно точно определить по данным профилографа.
Индикация борозд, как линейно протяженных объектов на дне, наилучшим образом, осуществляется гидролокатором бокового обзора. Дальнейшая их идентификация обычно требует одновременного привлечения данных высокоразрешающего профилографа.
На рис. 4.1.2 показаны фрагменты синхронных записей акустического изображения дна, полученных при помощи гидролокатора бокового обзора на частоте 250 кГц в режиме линейно-частотно модулируемого сигнала (ЛЧМ). Соответствующие им сейсмоакустические профили SES получены при пересечении этих борозд курсом судна. Внешне гидролокационные изображения борозд вызывают предположение о подобии их друг другу. Однако секущие профили SES выявляют их существенные различия (форма отвалов и донной части, крутизна стенок, глубина).
Сказанное иллюстрируется рис. 4.1.2, где приведены гидролокационные изображения двух экзарационных борозд (рис. 4.1.2а и 4.1.2в) и соответствующие им сейсмоакустические профили SES (рис. 4.1.26 и 4.1.2г). Так, на рис. 4.1.26 борозда с плоским дном имеет симметричные пологие борта-валообразной формы; борозда на рис. 4.1.26 - скошенной V-образной формы с рыхлым отвалом, преимущественно, по левому борту.
Только по показаниям профилографа без результатов измерений ГБО изменчивость рельефа дна не может быть интерпретирована. Поскольку данные приборов визуализируются в реальном времени, имеется возможность оперативно отождествить существенно большее количество наблюдаемых объектов, чем при раздельном или даже параллельном, но единовременно не сопоставляемом исследовании дна ГБО и профилографом.
Узкая диаграмма направленности параметрического профилографа-эхолота позволяет получить высококачественный разрез и в случае практически вертикальных стенок борозд. Профилограф и (или) эхолот с широкой диаграммой направленности не прописывает крутопадающие поверхности и соответственно может дать сглаженную картину с уменьшенной глубиной борозды. Высокое разрешение профилографа также позволяет оценить рыхлость отвалов и валиков на бортах. Данных по успешной работе в виде единого аппаратного комплекса гидролокатора - параметрического профилографа в научной литературе не имеется. На фрагментах записи данных ГБО глубина моря меньше на величину заглубления антенны с борта судна (2 м). Настройки интерфейса профилографа позволяют вводить заглубление антенны, соответственно, на разрезах выводится реальная глубина.
На рис. 4.1.3 приведены записи борозд, полученные в условиях качки при наличии звукорассеивающего слоя, создающего помехи и существенно ухудшающего качество получаемого ГБО изображения. О высокой концентрации звукорассеивателей свидетельствуют многочисленные светлые пятна в слое водной толщи на записи ГБО (рис. 4.1.3а, в), что в сочетании с волнением приводит к потере линии дна. Очертания борозды (рис. 4.1.3в) размыты и без записи профилографа (рис. 4.1.3г), на котором параметры разреза борозды четко определены, по данным ГБО идентифицировать фрагмент было бы невозможно.
