Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Геоакустическое моделирование 11
1.1. Методы и подходы 11
1.2. Фактический материал 24
1.3. Географическое положение 29
ГЛАВА 2. Рельеф дна 33
2.1. Батиметрические исследования 33
2.2. Масштабное разложение рельефа 37
2.3. Статистический анализ микрорельефа 42
Выводы 44
ГЛАВА 3. Геологические структуры 47
3.1. Верхний слой донных осадков 47
3.2. Упругие свойства верхнего слоя осадков 58
3.3. Выходы твердых пород 66
3.4. Неконсолидированные осадочные породы 73
Выводы 78
ГЛАВА 4. Водный слой 79
4.1. Некоторые особенности гидрологии 79
4.2. Пространственная изменчивость скорости звука 93
Выводы 96
ГЛАВА 5. Геоакустическая инверсия 97
Заключение 114
Список сокращений и условных обозначений 116
Литература 118
- Фактический материал
- Статистический анализ микрорельефа
- Упругие свойства верхнего слоя осадков
- Пространственная изменчивость скорости звука
Введение к работе
Актуальность работы
Наиболее перспективными и интенсивно развивающимися методами исследования динамических процессов и неоднородностей в мелководной среде стали акустические и сейсмоакустические. Причина этого в большей степени связана с быстрым развитием технических средств, вычислительной техники и методов математической обработки. Использование низкочастотных звуковых волн сделало возможным проведение комплексных исследований больших морских акваторий в непрерывном режиме. Сейсмоакустический мониторинг позволяет делать заключения о наличии тех или иных неоднородностей в водной среде, а также регистрировать различные динамические процессы в шельфовой океанической зоне.
С точки зрения волновой акустики, формирование звукового поля в зоне океанского шельфа определяется волноводом - поверхностью моря и поглощающим дном. Каждый конкретный волновод имеет множество специфических свойств и факторов, которые определяют некоторый набор закономерностей распространения звука в нем. Преобладающими факторами являются распределение по глубине скорости звука и геоакустические свойства дна. Все другие, например, случайные неоднородности и морские течения, оказывают на звуковое поле существенно меньшее влияние. Таким образом, перед проведением каких-либо экспериментальных и теоретических акустических исследований необходимо определить основополагающие факторы мелководной зоны. Обобщение, а также качественное и количественное описание последних находит свое выражение в такой научной категории, как геоакустическая модель дна. Основное место в формировании модели занимают экспериментально измеренные, экстраполированные и предсказанные количественные значения тех параметров дна, которые представляют интерес для подводной гидроакустики, например скорость распространения звуковых волн в осадках, структура и мощность осадочных слоев, их плотность и т.п.
В общепринятом понимании геоакустическая модель описывает слой воды, осадочную толщу, состоящую из рыхлых и консолидированных осадочных отложений, твёрдый фундамент. Она имеет два уровня представления - качественный, описательный, и количественный, в котором все характеристики формализуются в виде пространственно-временных зависимостей, например, скорость звука в осадках представляется как функция координат глубины и места. Оба уровня диалектически связаны между собой. Знание качественного геологического состава осадков позволяет делать заключения о количественных значениях параметров модели. И наоборот, полученные акустическими или сейсмическими методами количественные значения параметров модели могут вносить свои коррективы в понимание процессов геологического формирования морского дна.
В заливе Посьета Японского моря расположен действующий гидрофизический полигон ТОЙ ДВО РАН, где активно проводятся гидроакустические исследования, в силу чего результаты гидрологических и геолого-геофизических работ необходимы для корректного решения задач распространения звука в мелком море.
Цель работы и основные задачи
Целью диссертации является построение цифровой геоакустической модели залива Посьета. Структурно цифровая модель состоит из массивов разнородных данных, позволяющих количественно описывать трехмерное пространственное распределение акустических свойств среды (дна океана, границы раздела и водного слоя), таких как плотность среды, поглощение, продольная и поперечная скорость звука в среде.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие экспериментальные, теоретические и методические задачи:
Провести экспериментальные и теоретические исследования рельефа дна. Выявить и оценить параметры основных рельефообразующих факторов с помощью двумерного сингулярного спектрального анализа (ССА) и разложения по вейвлетам Добепш. На базе ССА рельефа дна разработать методические основы гипсотомографии, позволяющей осуществить прогноз крупномасштабных структур дна океана.
Выполнить расчеты акустических характеристик осадков по данным гранулометрического состава проб рыхлых донных отложений на основе метода Гамильтона для всей акватории залива.
Количественно описать геологические структуры в заливе - определить параметры и условия залегания осадочных слоев и скальных пород. Определить пространственное распределение акустических свойств геологической среды.
Провести экспериментальные исследования и рассчитать пространственное распределение среднего за сезон поля скорости звука в водном слое залива в весенний, летний и осенний сезоны.
По результатам математической обработки результатов низкочастотных гидроакустических экспериментов оценить степень достоверности предложенной цифровой геоакустической модели.
Методы исследования
В основу сформированной геоакустической модели исследуемого участка шельфа положены принципы, описанные Гамильтоном (Hamilton, 1980). Поставленные задачи реализовывались с использованием двумерного сингулярного спектрального анализа (ССА) (Golyandina, 2007), разложения по вейвлетам Добепш (Turcotte, 1989) и разработанной методики определения акустических характеристик толщи осадков Гамильтоном (Hamilton, 1979; Hamilton, 1980; Hamilton, 1985).
Метод ССА входит в состав метода естественных (эмпирических) ортогональных функций (ЕОФ). Принцип ЕОФ состоит в «расщеплении» исходных полей данных на пространственные структуры максимальной вариации и «измерении» относительного вклада каждой структуры. Прямая связь между масштабами вариаций и энергетикой тектонических процессов определяет адекватность применяемого математического аппарата.
Метод разложения по вейвлетам Добепш используется для оценки достоверности пространственно-масштабной подобности поверхности дна. Картина вейвлет-коэффипиентов отображает фрактальность, демонстрируя иерархическую структуру флуктуации сигнала.
Распределение акустических характеристик на поверхности дна океана, сформированного рыхлыми осадками, по методу Гамильтона производится с помощью подбора соответствующих значений продольной скорости звука, затухания и плотности по данным гранулометрического состава пробы. Поперечная скорость звука в рыхлых осадках вычисляется по эмпирическим зависимостям от продольной скорости звука. Кроме того учитывается изменение упругих и акустических свойств рыхлых отложений с глубиной.
Исходные материалы
Объектом исследования является залив Посьета Японского моря. В основу диссертации положены материалы полевых и камеральных работ, выполненных автором в береговых и прибрежных экспедициях ТОП ДВО РАН на НИС «Малахит» и «Импульс» в период 2006-2012 гг. Проведен анализ уже имеющейся геолого-геофизической и океанологической информации из доступных литературных
источников и океанографических баз данных. Выполнена реконструкция акустических свойств геологических сред исследуемого полигона на основе метода Гамильтона.
Личный вклад автора
Автор принимал участие во всех экспедиционных и полевых работах, экспериментальные материалы которых легли в основу диссертации.
В 2009-2010 гг. участвовал в батиметрических исследованиях на НИС «Малахит» по заливу Посьета и проводил обработку результатов измерений.
Участвовал в непрерывном сейсмоакустическом профилировании (НСП) в 2007 г. и в ходе сейсмических исследований методом общей глубинной точки (МОГТ) в 2009 г. совместно с лаб. «сейсмических исследований» ТОЙ ДВО РАН. Совместно с лаб. «морского рудообразования» ТОЙ ДВО РАН провел геологическое опробование и лабораторный анализ проб донных отложений в заливе Посьета в 2007-2008 гг.
В 2007-2011 гг. принимал непосредственное участие в многочисленных натурных гидрологических работах в составе лаб. «статистической гидроакустики» ТОЙ ДВО РАН, проведенных на акватории залива Посьета и в открытой части залива Петра Великого. Гидрологические работы включали фоновую гидрологическую съемку, часовые измерения в нескольких точках и суточные измерения в одной точке, а также единичные реализации вдоль профиля.
С 2006 по 2012 гг., в составе лаб. «статистической гидроакустики» ТОЙ ДВО РАН, участвовал во всех гидроакустических экспериментах по исследованию распространения низкочастотных сигналов в заливе Посьета. В течение летнего периода 2008 г. принимал участие в геоакустических исследованиях с применением разработанного устройства для профилирования донных отложений, его доработки и интерпретации данных, полученных в результате исследований.
Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором, либо на равных правах с соавторами публикаций.
Научная новизна
Геоакустическая модель на основе метода Гамильтона на акватории залива Посьета построена впервые. Ранее методы многомерных естественных ортогональных функций к исследованию геоморфологии исследуемого района не применялись. Описание водной толщи в геоакустической модели на основе статистических данных за несколько лет по разным сезонам систематизирована и опубликовано в научных статьях впервые, также как и статистика глубины расположения термоклина в водной толще по сезонам. Полученная геоакустическая модель является исключительно необходимым инструментом для проведения экспериментальных и теоретических гидроакустических и сейсмоакустических исследований в прибрежной зоне Японского моря.
Практическая значимость
По результатам геолого-геофизических, гидрологических и гидроакустических работ и анализа имеющейся литературы автором построена детальная цифровая геоакустическая модель исследуемого полигона в заливе Посьета Японского моря. Модель является базисом к решению фундаментальных задач изучения распространения низкочастотного акустического сигнала на шельфе. В диссертации представлены результаты апробации геоакустической модели залива на гидроакустических экспериментальных исследованиях.
Работа выполнялась в рамках ряда федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (проекты:
«Динамические особенности морских волновых полей инфразвукового диапазона» и «Динамика и трансформация морских ветровых волн»). Защищаемые положения:
-
Цифровая модель рельефа залива Посьета, ее сингулярный спектральный анализ, разложение по вейвлетам Добеши и результаты гипсотомографии.
-
Цифровая модель акустических свойств толщи осадков и скальных пород на шельфе залива Посьета (плотность среды, поглощение, продольная и поперечная скорость звука в среде).
-
Типовые особенности крупномасштабной пространственно-временной структуры поля скорости звука в водном слое.
-
Акустические характеристики дна, полученные в экспериментах по распространению низкочастотных акустических сигналов, и вьшисленные на основе данных геоакустической модели различаются с точностью не более десяти процентов.
Публикации и апробация работы
По теме диссертации опубликованы 26 работ, в том числе 5 статьей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК. В рамках диссертационной работы получен 1 патент на полезную модель и 1 патент на программу.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на ряде совещаний, форумов, конференций, в том числе: на молодежных конференциях ТОП ДВО РАН (г. Владивосток, 2007-2011 гг.), на Всероссийском симпозиуме «Физика геосфер» (г. Владивосток, 2007-2011 гг.), на региональной конференции молодых ученых «Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России» (г. Владивосток, 2008 г.), на Всероссийской конференции РАО (г. Москва, 2008-2011 гг.), на школе-семинаре им. академика Л.М. Бреховских «Акустика океана» (г. Москва, 2009 и 2011 гг.), на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "ГЕОЛОГИ XXI ВЕКА" (г. Саратов, 2008-2009 гг.), а также на семинарах ТОП ДВО РАН.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 166 страницах, содержит 44 рисунка, 5 таблиц, 3 приложения и список литературы из 242 наименований.
Благодарности
Работа выполнена в ТОП ДВО РАН под научным руководством д.ф.-м.н. Ярощука И.О., которому автор выражает свою искреннюю благодарность. Диссертант признателен за обсуждение и конструктивную критику научному консультанту д.г.-м.н. Деркачеву А.Н., а также благодарит за помощь член. кор. РАН д.ф.-м.н. Долгих Г.И., д.ф.-м.н. Кошеля К.В., д.г.-м.н. Астахова А.С, д.г.-м.н. Кулинича Р.Г., д.ф.-м.н. Рутенко А.Н., д.г.н. Лучина В.А., к.г.-м.н. Карнауха В.Н. Кроме того, диссертант благодрит к.г.-м.н. Терехова Е.П. и к.г.-м.н. Мельниченко Ю.И. за консультации в области геологии и геоморфологии. Всем коллегам автор выражает искреннюю признательность за поддержку и помощь.
Фактический материал
Исследование рельефа. В заливе Посьета в 2009 – 2010 гг. были проведены батиметрические исследования: при измерении глубин пройдено более 400 км профилей на площади примерно в 400 км2 (рис. 1) [77]. В батиметрических исследованиях применялся эхолот GARMIN Fishfinder 400C с координатной привязкой GPS приемником GARMIN GPSMAP 420 с борта НИС «Малахит». Всего получено 15200 значений глубины с координатной привязкой.
Построение и статистическое описание рельефа залива Петра Великого выполнено на основе сведений предоставляемых NASA (ETOPO1, ASTER) и GEBCO [232-234], а также дополнены оцифрованными данными батиметрических карт масштаба 1:250000 залив Петра Великого и масштаба 1:50000 для заливов Посьета, Амурского и Уссурийского [8-13]. Оцифровка батиметрических карт выполнена автором в геоинформационной среде ArcGIS. В результате оцифровки батиметрических карт получено 28100 значений глубины, по данным GEBCO выбрано порядка 30000 значений глубины и более 60000 значений превышений по данным ASTER.
Геолого-геофизические исследования. Изучение донных осадков в заливе производили в нескольких научных рейсах: НИС «Витязь» в 1949-1951 гг., 1967 г., 1970 г., 1972 г., НИС «Прилив» в 1962 г., НИС «Милоградово» в 1971 г., НИС «Первенец» в 1969-1980 гг., станции Дальневосточного университета в 1974-1977 гг. и сторонние организации без данных механализа [18-21, 84, 88]. Было выполнено порядка 1000 станций отбора проб донных отложений с измерением гранулометрического состава. Для наших целей выбрана 461 проба донных отложений с известным гранулометрическим составом, полученных предшественниками и 12 проб, проанализированных автором, для определения акустических и плотностных характеристик по методике Гамильтона [23, 172-175] (рис. 2) (Приложение 3). Литологические исследования трубкой диссертант провел в 2007-2008 гг. с борта НИС «Малахит» совместно с лабораторией 7/7 «морского рудообразования» ТОИ ДВО РАН [117, 120]. Пробы были проанализированы на предмет литологического состава, плотностных и акустических свойств. Типизация осадков производилось на основе классификации ТОИ ДВО РАН [88]. Определение плотности и влажности проводилось по стандартной методике [108, 134]. Схема отбора проб донных отложений с известным гранулометрическим составом.
На акватории залива Посьета между полуостровом Гамова и о. Фуругельма в 2007 г. были проведены сейсмоакустические исследования (рис. 3) для уточнения условий залегания донных отложений [87, 118-121]. При проведении работ использовался высокочастотный профилограф “GeoPulse Subbottom Profilier” производства компании GeoAcoustic” (Великобритания), размещенный на НИС «Малахит». Прибор буксировался за кормой судна на глубине 4 м. Частота излучения сигнала составляла 3.5 кГц. Регистрации сигналов осуществлялась в цифровом виде в формате SEGY с использованием программы GeoPro 2. Определение местоположения судна осуществлялось с помощью системы спутниковой навигации NAVSTAR GPS GARMIN-48. Отработано около 160 км профилей. Высокочастотный профилограф “GeoPulse Subbottom Profilier” ранее прошел апробацию на шельфе Японского моря [69-71]. Разрешающая способность профилографа позволила проследить распространение донных осадков до глубин порядка 35 м.
Условные обозначения: 1 – изобаты, м; 2 – профили, отработанные с использованием высокочастотного профилографа “GeoPulse Subbottom Profilier”; 3 – точка определения скоростей упругих волн с помощью радиобуя.
Гидрологические исследования. Все представленные результаты диссертационной работы базируются на натурных измерениях гидрологии исследуемого полигона [38-43, 123]. На акватории залива Посьета проводились фоновые гидрологические измерения в весенний, летний и осенний периоды в 2007-2012 гг. Получено порядка 250 гидрологических реализаций (от поверхности моря до дна) при изменении глубины моря от 26 до 70 м. Кроме того, проводились постановки термогирлянд на несколько суток в автономном режиме на глубинах порядка 40 м.
Статистический анализ микрорельефа
После удаления из исходной карты тренда (два старших собственных вектора - это подпространства М1 и частично М2), чтобы проследить условия морского осадконакопления, был выбран участок без влияния островов и береговой линии.
Следует подчеркнуть, что водные массы обеспечивают транспорт осадочного материала, что указывает на связь волновых процессов и статистики уклонов рельефа, характерной для области изучения. Закономерность уменьшения пространственного спектра рельефа связана со стохастической природой формирования осадков на большой территории и связана с информацией о типичных временных интервалах и масштабных зависимостях [227-230].
Меридиональная ориентация пространственного спектра, микрорельефа, позволяет перейти к одномерному спектральному анализу вдоль вертикальных профилей. С этой целью был выбран профиль - фрагмент рельефа дна, охватывающий центральную часть исследуемого полигона в заливе Посьета, для которых выполнена и усреднена спектральная оценка возвышений. Методика измерений и анализа позволила оценить спектр с достаточной достоверностью на интервале волновых чисел от 0.03 до 0.001 м-1. В этом интервале волновых чисел получена линейная интерполяция спектра вида S = 27-к 226 (рис. 9).
Закономерность уменьшения спектра микрорельефа указывает на наличие масштабной инвариантности микрорельефа. Оценка фрактальной размерности позволяет получить количественную оценку масштабной инвариантности и служить индикатором количества факторов, влияющих на систему.
Согласно [229], оценка фрактальной размерности через линейную аппроксимацию спектра составляет 1.3-1.4. Фрактальная размерность, является показателем сложности влияния факторов. Величина менее 1.4 указывает, что система находится в стабильном периоде, является устойчивой и подчиняется влиянию одной или нескольких сил, двигающих систему в одном направлении. В случае залива Посьета – это волновые процессы, приливы и отливы, формирующие осадочный микрорельеф дна.
Для оценки достоверности пространственно-масштабной подобности поверхности дна воспользуемся специальным методом – разложением по вейвлетам Добеши с масштабной декомпозицией – коифлетам 3-го порядка [133]. Результаты разложения показаны на рисунке 10. Они иллюстрируют, что меридиональный профиль микрорельефа обладает свойством самоподобия, которое проявляется на скалограмме и линиях локального максимума (рис. 10 б, в) наличием квазипериодичности в положении линий скелетона, относящихся к каждому масштабу. Картина вейвлет-коэффициентов (рис. 10 б) хорошо отображает фрактальность, демонстрируя иерархическую структуру флуктуаций сигнала: каждое каскадное дробление масштаба отмечено появлением в распределении коэффициентов характерных "вилочек" – раздвоения локальных максимумов.
Из рисунка 10 следует, что максимумы энергии приходятся на составляющие с длинами волн 1.25 – 1.5 км. Из наиболее масштабных прослеживаются волны с периодом 10 – 12 км.
Фрактальная размерность рассчитана в первом приближении и для исследуемого полигона залива она составляет порядка 1.2, что указывает на достаточно стабильные условия аккумуляции морского осадка.
Цифровая модель рельефа является составной частью геоакустической модели. Детали топографии дна играют важную роль в формировании поля скорости звука. Чем выше используемая частота, тем большее влияние оказывают небольшие изменения в рельефе, поэтому в геоакустической модели необходима высокая точность батиметрических данных, что и обусловило необходимость натурных измерений в заливе Посьета. Батиметрическая съемка залива Посьета предоставила ценный материал для изучения статистических характеристик структуры и геометрии рельефа дна шельфа. На основе обработки картографического материала, электронных данных GEBCO и дополненные натурными измерениями построена высокоточная цифровая модель рельефа исследуемого полигона и менее точная модель по заливу Петра Великого. При дальнейшем развитии геомониторинга на этой территории полученный материал найдет важное применение при обработке данных наблюдений и моделировании гидродинамических процессов. Применение ЕОФ анализа позволило разделить рельеф на различные уровни, которые можно подбирать в зависимости от поставленной задачи. Так при исследовании распространения низкочастотных сигналов (50-200 Гц) важно иметь представление о структурах рельефа размером десятки метров. В нашем случае такие структуры хорошо описываются первой и второй модой разложения рельефа. С увеличением частоты до 1 кГц, влияние могут оказывать детали топографии дна размером порядка 2 м. Данные структуры были выделены на 4 моде разложения рельефа с помощью ЕОФ анализа. Более детальный анализ рельефа не представляется возможным за счет трудоемкости получения натурных батиметрических данных и погрешности их получения. Вевлет и пространственный спектральный анализ рельефа позволил дать дополнительную оценку геометрии рельефа дна. Анализ позволил обосновать и выполнить разложение поверхности рельефа залива Посьета на подпространство с главной тектонической структурой в масштабе залива и подпространство с формами, возникшими при осадконакоплении в период подхода моря к современной береговой линии. Поскольку залив Посьета является типичным заливом прибрежных вод Дальневосточных морей, он является хорошим примером для исследования характеристик шельфа Японского моря, в частности – морского осадконакопления и геометрии рельефа дна.
Упругие свойства верхнего слоя осадков
Построенная геоакустическая модель верхнего слоя донных осадков описывает петрофизические характеристики по всему заливу Петра Великого. Всего по заливу Петра Великого выбрано 473 пробы верхнего слоя донных осадков с данными по гранулометрическому составу, необходимых для определения геоакустических свойств. Данные гранулометрического состава проб приведены к стандартам, используемым в США [216]. В пределах залива Посьета проведено сравнение распространения различных фракций песка, полученных в результате гранулометрических исследований [88, 90, 117] и сейсмофаций, полученных по данным НСП (2007 г.) [120, 121]. Таким образом, модельные значения акустических характеристик верхнего слоя донных осадков залива отражает более полную картину их распределения, за счет комбинированного подхода в описании модели. Знание физических свойств (пористости, плотности, скорости распространения продольных волн, анизотропии скорости, поглощения продольных и сдвиговых волн) и их взаимосвязи необходимо при интерпретации результатов сейсмоакустических и гравиметрических наблюдений, а также для непосредственного решения различных геологических задач (изучения коллекторов и материнских толщ нефти и газа, корреляции пород, определения возраста отложений, оценки вещественно-генетического типа осадков, картирования полезных ископаемых) [127-129]. Отношение между акустическими и физическими свойствами пород наиболее широко изучалось Гамильтоном и коллегами (например [147, 148, 174, 176, 180, 183]). Эти статьи описывают эмпирические зависимости между скоростью звука и различными физико-механическими свойствами пород. Построение геоакустической модели в рамках данной диссертационной работы не является целью повторения работ Гамильтона. Скорее, проведенные исследования Гамильтоном и его коллегами дают возможность сравнить акустические и физико-механические параметры пород в нашем регионе. Кроме того, работы Гамильтона [172, 173, 177, 179-182], посвященные изучению отношения между физико-механическими и акустическими свойствами в пределах конкретного места - Мексиканского залива, позволяют оценить данное отношение для шельфовых зон в других частях Мирового океана. Эти исследования, в частности [171, 178], являются важной составной частью работ по распространению звука в мелком море. Так в работах [23, 174, 182] представлены лабораторные исследования по определению акустических свойств осадков с различным гранулометрическим составом. Важно отметить, что в данных работах представлены акустические свойства донных осадков, приведенные к условию in situ в лабораторных условиях (под давлением 1 атм. и обводненные морской водой). Результаты исследования приведены в таблице 2.
Таким образом, установлено, что на продольную скорость звука в основном влияет размер частиц в донных отложениях при равных значениях обводненности и глубины. Необходимо учитывать процентное содержание каждой из фракций, входящих в состав пробы. Продольная скорость звука для варианта, где фракция «Sand» составляет 100 %, будет 1750 м/с, с учетом, что среднезернистый песок имеет размер зерен 2.5 единиц, при содержании фракции «Silt» 100 % – 1560 м/с, для 5.4 единиц, со 100 % содержанием в осадке фракции «Clay» – 1450 м/с, при 8.5 единиц [68, 105, 174] (зернистость в единицах = -log2 [зернистость в мм]). При размере зерен крупнозернистого песка (Coarse sand) 0.92 единиц продольная скорость звука составляет 1836 м/с [174] (табл. 3). Продольная скорость звука для фракции «Clay», при 4.5 единиц, составляет 1610 м/с. Продольная скорость звука для донного осадка с различным процентным содержанием фракций в геоакустической модели получено с помощью следующего соотношения: Vp = k1 R1 + k2 R2 + k3 R3, (2) где R1, R2, R3 – долевое содержание фракции песка, ил и глины соответственно в пробе донного осадка. С учетом зернистости фракции «Sand» коэффициент k1 меняется от 1750 м/с до 1836 м/с, k2=1560 1610 м/с, при различных размерах зерна фракции «Clay», k3=1450.
Примечание: V =V/Vin situ, V – скорость звука в сухих осадках, Vin situ – скорость звука в обводненных осадках при 1 атм.
При расчете продольной скорости звука, для разных типов донных осадков, по формуле 2 погрешность получения значений равна 21 м/с, по сравнению с практическими значениями (рис. 16). При оценке скорости сдвиговых волн (или поперечной скорости звука) используется метод Гамильтона [182], основанный на отношении поперечной скорости звука к продольной (табл. 2). Скорость волн сдвига в рыхлых осадках слабо зависит от размера частиц и определяется, главным образом, сдвиговой прочностью отложений (модуль контактной упругости) которая в свою очередь связана с литификацией и приложенной нагрузкой, вызывающей уплотнение. Сведения о скорости поперечных волн фрагментарны и в большинстве случаев противоречивы.
Пространственная изменчивость скорости звука
Регулярные гидрологические наблюдения и акустические эксперименты на акватории залива Посьета сформировали приближенные представления об особенностях распространения звука на данном участке Приморского шельфа. Поскольку основное влияние на распространение высокочастотного звука имеют гидрологические характеристики, то актуально рассмотреть трехмерную пространственную модель полей температуры и скорости звука, формируемую на акватории в периоды относительного спокойствия и равновесия натурных процессов. Материалы наблюдений указывают на то, что хотя после штормов и циклонных явлений такая структура разрушается, однако по мере уравновешивания динамических процессов, она вновь возникает и является важной местной характеристикой. Решаемой задачей стало определение статистически устойчивых пространственных структур в полях экспериментальных наблюдений температуры, солености и скорости звука на фрагменте акватории залива. Для этого использовался метод двухмерного сингулярного спектрального анализа (2D-ССА), позволяющий для каждого из выбранных глубинных горизонтов выполнить статистическую фильтрацию гидрологического поля. Такая обработка (декомпозиция исходного поля) позволяет разделить поле наблюдений на «моды», интерпретируемые по вкладу разномасштабных гидрологических факторов в общее поле.
После этапа декомпозиции решается задача оценивания дисперсионного вклада каждой составляющей (собственной функции) в суммарное поле наблюдений. Фильтрация выделяет важнейшие модовые составляющие в поле наблюдений на заданной глубине, с максимальным вкладом в суммарную дисперсию, и удаление возмущений меньшего порядка, связанных с возмущающими факторами относительного малого масштаба.
Реконструкция поля на горизонте на основе старшей моды интерпретируется как статистически устойчивое распределение скорости звука (температуры, солености), сложившееся в период без циклонов и штормов и обусловленное основными сезонными натурными условиями на полигоне.
Набор реконструированных сечений поля скорости звука (температуры, солености) на разных глубинах и батиметрия полигона позволяет построить приближенную трехмерную модель гидрологического поля, основанную на первой моде ЕОФ-разложения.
При анализе гидрологических полей на исследуемой акватории обрабатывались поля температуры и скорости звука, как наиболее представительные характеристики. Использовалась сетка 71х86, покрывающая площадь 14 км по широте и 13.5 км по долготе. Перепад глубин батиметрии на сетке составил от 65 до 35 м. Для анализа были выбраны значения измерений на горизонтах 15, 20 и 30 м глубины.
Поля данных на каждом горизонте обрабатывались методом 2D-ССА – выделялись старшие моды разложения поля и оценивался вклад каждой моды. В нашем анализе гидрологии, и для температуры и в случае скорости звука, первая мода из 45 вычисляемых для каждого глубинного горизонта, содержала более 96-98% общей дисперсии, что позволило рассматривать остальные моды как «шум». В качестве иллюстрации рассматриваются результаты обработки поля скорости звука. На рисунке 33 приводится пространственное представление полей скорости звука на трех глубинных горизонтах. Изолинии сосредоточены в области пониженных скоростей, чтобы выделить неравномерность территориального распределения характеристик скорости звука. Наложенные поверхности подчеркивают изменчивость поля на рассматриваемом горизонте. На рисунке 33 видно, что расчеты выделяют крупные пространственные неоднородности поля скорости звука. Пространственная протяженность и геометрия статистически устойчивой зоны пониженных значений скорости звука указывает на область, подходящую для существования трехмерного акустического волновода. Целостность и протяженность зоны повышенных скоростей согласуется с батиметрией и локальными структурами рельефа, которые естественно влияют на распространение звука, формируя зоны тени, отражающие и поглощающие особенности.
Создана электронная база данных гидрологической информации исследуемого полигона на основе натурных многолетних гидрологических измерений. Электронная база данных является частью геоакустической модели. Установлено, что гидрологическая ситуация на исследуемом полигоне достаточно устойчива при стабильных метеорологических условиях. Таким образом, в изучении формирования акустического поля на шельфе залива Посьета можно использовать среднестатистические параметры профиля скорости звука в различные сезоны. Кроме того, зафиксирована и описана структура профиля скорости звука на шельфе залива Петра Великого, за счет которой может формироваться подводный звуковой канал. Делая выводы по результатам обработки с помощью ЕОФ анализа, можно отметить, что данная методика хорошо подходит для разложения поля на составляющие согласно их масштабной значимости. Построение упрощенной модели, основанной на ЕОФ-анализе данных наблюдений в период стабильной сезонной погодной обстановки, позволяет получить представление о качественной структуре трехмерных полей гидрологических данных и уточнить методику проведения натурных акустических экспериментов.
