Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы акустического зондирования водной толщи и дна океана в зонах пузырьковой разгрузки метана 21
1.1. Обзор современных методов оценки потока метана, переносимого всплывающими пузырьками 21
1.2. Метод количественной акустической экспресс оценки пузырькового потока метана в условиях мелководного шельфа 31
1.3. Метод количественной акустической оценки профиля концентрации растворенного в водной толще метана 37
1.4. Метод увеличения точности позиционирования источников газовых пузырьков на морском дне 45
Глава 2. Аппаратура и разработанные программные средства 54
2.1. Аппаратура для исследования областей пузырьковой разгрузки 54
2.1.1. Модернизированные многочастотные эхолоты 54
2.1.2. Научный эхолот simrad EK15 67
2.1.3. Многолучевой эхолот Imagenex Delta 71
2.1.4. Подводный телеуправляемый осмотровый комплекс «ГНОМ» 73
2.2. Разработанные программные средства 76
2.2.1. Определение суммарной ширины диаграммы направленности эхолотов и гидролокаторов 2.2.2. Программа фильтрации акустических помех от работы стороннего гидроакустического оборудования 78
2.2.3. Дополнительные программные средства акустического зондирования водной толщи и дна океана 81
Глава 3. Результаты натурных исследований 84
3.1. Верификация метода акустической оценки концентрации метана в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки 84
3.2. База данных «Газовые факелы Охотского моря» 90
3.3. Газовые факелы в арктике 95
3.4. Количественная акустическая оценка потоков метана, выполненная с припайного льда на мелководном восточно-сибирском шельфе 96
3.5. Оценка потока метана по данным многолучевого эхолота Imagenex Delta 104
3.6. Оценка потока метана из областей его пузырьковой разгрузки с помощью научного эхолота Simrad EK15 110
3.7. Сравнение акустических оценок потока метана, полученных с помощью научного эхолота Simrad EK15 и многолучевого эхолота Imagenex Delta
4. Заключение 116
5. Список публикаций по теме диссертации 118
6. Список используемой литературы 123
7. Приложения 142
- Метод количественной акустической экспресс оценки пузырькового потока метана в условиях мелководного шельфа
- Метод количественной акустической оценки профиля концентрации растворенного в водной толще метана
- Научный эхолот simrad EK15
- База данных «Газовые факелы Охотского моря»
Метод количественной акустической экспресс оценки пузырькового потока метана в условиях мелководного шельфа
В настоящее время считается, что растущая эмиссия метана в атмосферу Земли может быть одной из причин глобальных изменений климата на планете [54, 152, 153]. В 2009 - 2010 годах была сформулирована гипотеза о важной климатической роли наиболее широкого и мелководного шельфа Мирового океана – Восточно - Сибирского шельфа, где деградация подводной мерзлоты сопровождается разрушением мелководных гидратов метана, что приводит к массированному выбросу метана в атмосферу [57 - 61]. Согласно существующим оценкам, поток метана из мелководной части Восточно - Сибирского шельфа в атмосферу арктического региона может достигать значений, значительно превышающих вклад всех континентальных морей Мирового океана [57]. В работе Шаховой с соавторами [54] показано, что при условии увеличения скорости деградации подводной мерзлоты возможен массированный выброс метана в атмосферу, что не исключает катастрофический сценарий развития климатических изменений. Поэтому разработка методов количественной оценки выброса метана из донных осадков в водную толщу (атмосферу) крайне актуальна.
Оценки потока метана в атмосферу и его прогноз на ближайшую и отдаленную перспективы необходимы при решении задач глобального изменения климата, так как метан является очень эффективным парниковым газом, способным поглощать инфракрасное излучение как минимум в 21 раз сильнее углекислого газа [2, 19, 47, 54, 58, 150, 152]. Знание особенностей пространственно - временной изменчивости областей пузырьковой разгрузки метана и характера распределения всплывающих пузырьков по размерам также необходимо при исследовании вертикального транспорта кислорода, бактерий, взвешенного вещества, поверхностно активных и питательных веществ, как самими пузырьками, так и за счет вызванного всплывающими пузырьками апвеллинга вод, который также вовлекает перечисленные субстанции в вертикальный перенос [72, 86, 87].
Акустические методы являются наиболее эффективными и широко используются для дистанционного исследования водной толщи и дна Мирового океана [29, 53, 94, 111, 149, 151]. Это связанно с тем, что акустические волны распространяется в водной толще с наименьшим по сравнению с электромагнитными волнами затуханием. Они могут проходить большие расстояние в водной толще, что особенно важно для исследования глубоководных районов Мирового океана. Использование высокочастотных акустических сигналов позволяет добиться хорошего пространственного разрешения, приводит к уменьшению стоимости, размеров, веса систем и является более экологичным по сравнению с низкочастотными акустическими сигналами. Данные методы успешно используются для исследования особенностей водной толщи и дна океана и позволяют значительно повысить эффективность поисковых, экспериментальных работ и существенно расширить круг решаемых задач.
Актуальным является развитие гидроакустических методов для изучения газовых эманаций дном океана в зонах пузырьковой разгрузки метана, что подтверждается большим количеством публикаций на эту тему [82, 110, 149, 151, 160].
Пузырьковый транспорт является наиболее эффективным путем миграции метана из донных отложений в водную толщу и атмосферу [13, 24, 29, 36, 93, 94]. В морях и озерах диффузионный поток, как правило, составляет от 5 до 20% (в зависимости от размера пузырьков, глубины места, растворимости и т.д.) от общего потока метана, величина которого определяется пузырьковым переносом [53, 92, 93, 146, 149, 151].
До недавнего времени в море Лаптевых были известны одиночные области пузырьковой разгрузки метана [69, 148, 151]. В 2011 - 2012 г при непосредственном участии автора в мелководной и глубокой части шельфа моря Лаптевых были подтверждены ранее известные области и впервые обнаружены обширные зоны пузырьковой разгрузки [46, 53, 69, 149, 151]. Прямые измерения показали, что в составе газовой смеси, переносимой пузырьками, преобладает метан [53], концентрация которого, вблизи поверхности вода/атмосфера, зависит от их, глубины места, и растворимости основных газов, участвующих в газообмене между пузырьком (метан) и растворенными газами (азот, кислород). В этих зонах выходящие со дна в водную толщу всплывающие пузырьки различного размера образуют области повышенной концентрации, которые на эхограммах видны в виде ГФ, часто простирающихся от дна до поверхности.
Изучение ГФ представляет интерес, как с научной, так и с практической точек зрения. ГФ являются легко регистрируемым поисковым признаком придонных скоплений газогидратов метана – кристаллических соединений клатратного типа, образующиеся из метана и воды при низких температурах и высоком давлении, которые рассматриваются как потенциальный резерв углеводородного сырья [19, 108].
Согласно принятым представлениям, основные запасы гидратов находятся на континентальном склоне океанов и называются океаническими гидратами, характерной особенностью которых является их образование при высоких давлениях и положительной температуре [17, 19, 108]. Примером таких гидратов являются гидраты, обнаруженные в Охотском море, Черном море, и в Баренцевом море вблизи Шпицбергена. В отличие от океанических гидратов, арктические гидраты, залегающие, например, на мелководном шельфе МВА, образуются при низких давлениях и отрицательной температуре [17, 116, 117]. Именно арктические гидраты являются наиболее чувствительными к климатическим изменениям по той причине, что мерзлота, сформировавшаяся во время последней ледниковой эпохи (во время последней регрессии уровень моря был примерно на 100 м ниже современного), деградирует вследствие достижения термического равновесия с относительно теплой придонной водой. К тому же, в последние десятилетия температура воды на шельфе МВА значительно повысилась [61], что уже привело к увеличению температуры донных осадков [131, 149]. В океанах газогидраты в основном находятся на континентальных склонах в виде мощных слоев в осадочной толще, простирающихся до глубин порядка нескольких сотен метров ниже поверхности морского дна. Для их обнаружения обычно используются комплексные геофизические методы, а также бурение осадочных пород. Газогидраты встречаются и непосредственно вблизи морского дна (на глубине нескольких метров под его поверхностью) и зачастую располагаются в зонах пузырьковой разгрузки метана, что было показано на примере Охотского моря [26, 48, 98, 162].
Метод количественной акустической оценки профиля концентрации растворенного в водной толще метана
Оцифрованные эхо-сигналы записываются в файлы данных на жесткий диск компьютера, с заданным числом посылок эхо-сигнала. Динамический диапазон системы с современными недорогими звуковыми картами превышает 90 дБ. Формат записи эхо - сигналов следующий: первые 8 байтов дата и время излучения данной посылки с точностью до секунды (тип переменой – date системы программирования Visual Basic 6), далее следуют подряд значения эхо - сигналов для данной посылки в порядке увеличения глубины, с которой они приходят. Каждый отсчет эхо - сигнала занимает 2 байта (тип переменой - integer). Число отсчетов N равно отношению регистрируемого диапазона глубин к разрешению по глубине и запись одной посылки занимает 8+2N байт. Имя файла данных определяется номером канала звуковой карты и временем посылки первого в этом файле эхо - сигнала в часах и минутах. Например, если первый эхо-сигнала послан 1 июня 2012 г. 2 часа 25 минут, то файл данных записывается под именем 0225.1dt или 0225.2dt, в зависимости от номера канала в папку Data\1Jun02 или Data1\1Jun02 в зависимости от номера звуковой карты. Дополнительно в те же папки записывается конфигурационный файл 0225.1cf или 0225.2cf соответственно, в формате файла инициализации (INI - файл), с необходимой информацией о параметрах регистрации эхо-сигналов (Таблицу 3).
Визуализация эхо-сигналов в реальном масштабе времени осуществляется на мониторах в виде цветных эхограмм, причем каждый канал может отображаться одновременно на двух эхограммах с независимыми пределами глубин и цветовой палитрой.
Для оперативной обработки в основном применялась программа обработки и визуализации эхосигналов - EXO. Основой целью программы является визуализация акустических данных в виде цветных или черно-белых эхограмм и сохранение результата в графическом формате. Эхограммы строятся по 35 градациям уровня в линейном или логарифмическом масштабе, при этом сигналы, находящиеся в ограничении выделяется черным цветом. Перед визуализацией устраняется ослабление эхосигналов, вызванное затуханием и сферическим расхождением. Вид рабочего окна программы EXO показан на рисунке 18. В данном окне отображаются эхограмма со шкалой глубин с левой стороны и два прямоугольника с текстом.
Рис. 18. Пример рабочего окна программы EXO
В левом информационном прямоугольнике приводятся параметры регистрации, а правый служит для задания параметров визуализации. При нажатии пункта меню Parameters оба прямоугольника удаляются с эхограм-мы. При нажатии пункта меню Scale справа от эхограммы отображается цветовая шкала уровней сигнала. При нажатии левой клавиши мышки на любой части эхограммы появляются горизонтальная и вертикальная линии, пересекающиеся в точке отмеченной курсором мышки. Внизу вертикальной линии отображаются номер и время данной реализации, а справа от горизонтальной линии - глубина и амплитуда эхосигнала в точке отмеченной курсором мышки. С помощью пункта меню Processing вызываются три подпрограммы дополнительной обработки:
Mesnik - устраняет влияние помехи вызванной послезвучанием излучате ля и переотражениями сигнала в корпусе судна;
Graphik - при нажатии левой клавиши мышки на любой части эхограммы на нее наносит профиль эхосигнала реализации отмеченной курсором мышки;
Depth - служит для полуавтоматической оцифровки глубины дна в особо сложных случаях, когда автоматическая оцифровка приводит к большим погрешностям. Запись уровня акустического сигнала обратного рассеяния проводится в двух основных режимах [33, 80, 81, 121].
Первый режим - основной. В основном режиме фоновые наблюдения проводятся непрерывно во всем исследуемом районе на полном ходу судна (9 - 12 узлов). В этом режиме используются эхолоты ELAC и Сарган - ЭМ, всего задействовано три канала (частоты 12, 19,7 и 135 кГц), зондирование осуществляется в вертикальном направлении.
Второй режим - комбинированный. В комбинированном режиме акустическая съемка проводится в заданных районах на среднем ходу судна (3 -6 узлов). Используются эхолоты ELAC и Сарган - ЭМ (частоты 12 кГц и 19,7 кГц, соответственно) с зондированием двумя лучами в вертикальном направлении и гидролокаторы Сарган - ГМ (19,7 кГц) с зондированием двумя лучами под углами 15 к вертикали и 90 в разные стороны к направлению движения судна.
На рисунке 19 показаны блоки управления и регистрации эхолота и гидролокаторов Сарган, а на рисунке 20 представлен общий вид многоканальной системы цифровой регистрации, установленной на борту НИС «Академик М.А. Лаврентьев».
Научный эхолот simrad EK15
Оценка потока метана из морского дна в водную толщу проводилось с помощью метода количественной акустической экспресс оценки пузырькового потока метана изложенного в параграфе 1.2 первой главы. Калибровка портативного гидроакустического комплекса была выполнена в натурных условиях. Суть калибровки состояла в получении эмпирической зависимости между уровнем ОРЗ от всплывающих вблизи дна пузырьков и величиной потока газа, выходящего из сопла, установленного прямо под излучателем в центре его диаграммы направленности [53].
Для этого через ту же прорубь на дно опускался газовый баллон с азотом, соединенный через систему подачи газа с соплом с внутренним диаметром 3 мм. Система подачи газа, на который газ поступал из баллона с газом, обеспечивала заданный поток газа, выходящего из сопла в водоем в виде пузырьков. В результате в водной толще образовывался искусственный газовый факел. Отметим, что согласно работе Грейнерта с соавторами [53, 96] для уровня объемного обратного рассеяния звука не имеет значения тип газа (метан или азот). Одновременно в направлении дна излучался акустический сигнал частотой 50 кГц эхолота портативного комплекса. Этим же эхолотом принимались сигналы ОРЗ от выходящих из сопла и всплывающих пузырьков [53]. Сигналы ОРЗ через блок согласования и систему цифровой регистрации поступали на блок управления и регистрации, где отображались в виде эхограммы, которая, в частности, показывает распределение сигнала ОРЗ от всплывающих в водной толще пузырьков. Путем изменения величины потока газа, выходящего из сопла, строилась калибровочная зависимость величины сигнала ОРЗ от пузырьков вблизи сопла от величины потока газа. По результатам калибровки по методу наименьших квадратов строили (аналогично калибровочной кривой, приведенной на рисунке 6 параграфа 1.3 первой главы) кривую зависимости силы объемного обратного рассеяния от потока газа, переносимого всплывающими пузырьками. Полученную калибровочную кривую использовали затем для экспресс оценки естественных потоков метана [53]. Значения потока газа пересчитывали в поток с единицы площади дна (размерность мл/м-2с-1). Для этого поток из источника, рассчитанный в мл/с, делили на величину эффективной площади озвученной зоны на глубине дна (для используемой конфигурации она равна 2 м2). Полученная калибровочная кривая устанавливает связь между уровнем ОРЗ от пузырьков у дна и потоком газа с одного квадратного метра поверхности дна [53].
Замечательно, что также как при калибровке, приведенной в параграфе 1.2 первой главы, полученные экспериментальные точки в линейном масштабе хорошо легли на одну прямую, проходящую через начало координат. Это подтверждает обоснованность используемого выражения (11) для в широкого диапазона потоков газа в условиях низких температур. Это также позволяет для экспресс оценки пузырьковых потоков естественных ГФ использовать не калибровочную кривую, а экспериментально определенный коэффициент К (11).
Для оценки влияния пузырькового потока метана с мелководного шельфа Арктики на рост концентрации метана в атмосфере и на парниковый эффект важно знание потока метана не только выходящего из морского дна, но и поступающего непосредственно в атмосферу. Известно, что при всплытии пузырька часть метана за счет диффузии переходит из пузырька в воду, а в пузырек из воды поступают азот и кислород. В результате этого процесса поток метана, переносящийся всплывающими пузырьками, уменьшается при удалении от поверхности дна. В настоящее время доступна программа SiBu-GUI [97], которая позволяет рассчитать процентное содержание газов во всплывающих пузырьках на разных глубинах. Нами был выполнен специальный эксперимент, направленный на проверку точности работы программы в условиях мелководного арктического шельфа в зимне-весенний период, когда поверхность моря покрыта толстым слоем льда [53]. Для этого у дна с помощью сопла описанным выше способом формировали всплывающие пузырьки, состоящие из смеси метана, азота и кислорода, а вблизи поверхности воды пузырьки собирали в ловушку и затем анализировали их на состав газов [53].
Анализ видеозаписей, ПТОК «ГНОМ» в ходе выполнения во время калибровки портативного акустического комплекса с помощью искусственного газового факела показал, что средний диаметр выходящих из сопла пузырьков составил 4,9 ± 0,3 мм. Резонансная частота пузырьков такого диаметра много меньше рабочей частоты эхолота (50 кГц), что удовлетворяет необходимому требованию для проведения калибровки по описанному в параграфе 1.2. первой главы [53, 91]. В ходе эксперимента было установлено, что диаметр выходящих из сопла пузырьков газа слабо зависит от величины потока, с изменением скорости потока газа из сопла менялось лишь количество выходящих пузырьков в единицу времени [53]. На рисунке 50 в качестве примера представлены профили ОРЗ для двух значений потока газа: 4 и 12 мл/с. На данном рисунке видно, что область с пузырьками занимает участок глубин 7,5–6,5 м, а уровень ОРЗ увеличивается при увеличении потока газа [53].
Затем с помощью портативного акустического комплекса с поверхности припайного льда было выполнено гидроакустическое наблюдение за всплывающими со дна естественными пузырьками [53]. В ходе наблюдений за естественными пузырьками в течение 37 ч зарегистрировано три периода повышенной активности (длительностью от 5 до 15 мин), в течение которых наблюдалось 63 кратковременных выброса газовых пузырьков из морского дна с регистрацией их всплытия в водной толще [53]. На рисунке 51 приведены типичные примеры эхограмм с всплывающими с морского дна пузырьками. Траектории всплывающих пузырьков в моменты выбросов отображаются на эхограмме в виде прямых линий от дна до поверхности. Наклон этих линий определяется в основном скоростью всплытия пузырьков, которая для зарегистрированных пузырьков составляла 20 ± 2 см/с. Средняя продолжительность одного кратковременного выброса составила 2 ± 0,4 с. Всплытие пузырьков наблюдалось от дна до поверхности, это свидетельствует о том, что в момент выхода естественных пузырьков скорость течения на всех горизонтах была мала и в среднем не превышала 5 см/с [53, 77, 149, 153, 154].
База данных «Газовые факелы Охотского моря»
Данная оценка выполнена с помощью метода, описанного в пункте 2.4. второй главы. С помощью графика, представленного на рисунке 21, был определен калибровочный коэффициент для однолучевого эхолота Simrad EK15.
Используя метод, изложенный в пункте 1.2. первой главы, по данным об уровнях ОРЗ от Imagenex Delta была проведена оценка потока метана от зон его пузырьковой разгрузки, представленных на рисунке 59.
На рисунке 60 представлены эхограммы, полученные с помощью многолучевого эхолота Imagenex Delta, с последующей обработкой в среде MatLab. По оси абсцисс отложен проинтегрированный сигнал ОРЗ в каждом луче по пройденному расстоянию, а по оси ординат - глубина.
Примеры эхограмм всплывающих пузырьков, полученных с помощью многолучевого эхолота Imagenex DeltaВ таблице 5 представлена оценка потока метана от четырех зон пузырьковой разгрузки, представленных на рисунке 60. Оценка проводилась по 3 выбранным горизонтам, начиная от поверхность дна. Среднее значение потока метана от рассматриваемой зоны составило 1,8 ммоль/м2/с.
Проведя оценку по данным об уровнях ОРЗ, полученных с помощью научного эхолота Simrad EK15, для тех же самых ГФ (рис. 61), было получено средние значение потока метана в водную толщу, которое оказалось равное 1,3 ммоль/м2/с. На рисунке 61 представлены графики изменения потока метана по ходу движения судна для четырех различных горизонтов.
Стоит отметить, что разница между оценками потоков метана, полученных различными эхолотами, составила всего 30%. Данная разница обусловлена тем, что все лучи многолучевого эхолота Imagenex Delta, кроме центрального, при излучении ориентированы не перпендикулярно вниз, а под углом, равным произведению количества лучей от центрально до луча перед искомым лучом на ширину диаграммы направленности. Поэтому из-за не сферичности всплывающих пузырьков при регистрации ГФ многолучевым эхолотом, пузырьки, участвующие в рассеянии, имели площадь сечения обратного рассеяния, отличающуюся от площади сечения обратного рассеяния для однолучевого эхолота Simrad EK15, луч которого ориентирован вниз.
1. Разработан и реализован метод количественной экспресс оценки пузырькового потока метана в зонах его разгрузки с помощью однолучевых и многолучевых эхолотов. Метод широко использовался в ходе девяти международных комплексных экспедиций в морях Российского сектора Арктики и позволил провести оценку потоков метана от зон его пузырьковой разгрузки, обнаруженных в море Лаптевых. Акустические измерения проводились как с борта судна, так и с поверхности припайного льда с помощью однолучевых и многолучевых эхолотов.
2. Разработан и реализован метод количественной акустической оценки профиля концентрации растворенного в водной толще метана. Апробация данного метода была проведена на основе данных, полученных в Охотском море на полигоне с площадью 14000 км2, расположенном у северовосточного склона о. Сахалин. Профиль концентрации метана в водной толще рассчитывался на основе акустических данных, полученных на полигоне с помощью многочастотного стационарного комплекса, основу которого составляют эхолоты ELAC и Сарган-ЭМ.
Верификация метода проводилась на основании сравнений рассчитанных по акустическим данным профилей с данными прямых измерений профиля концентрации метана в водной толще путем отбора на станциях проб воды на заданных горизонтах с последующим газохроматографическим анализом на борту судна.
Сравнение полученного профиля концентрации метана с результатами прямых измерений показало хорошее количественное и качественное соответствие, что подтверждает приемлемую точность предложенного акустического метода и указывает на преобладающую роль пузырькового транспорта в формировании области повышенной концентрации растворенного метана в водной толще в зонах его пузырьковой разгрузки.
3. Разработан и реализован метод увеличения точности позиционирования зон пузырьковой разгрузки метана на морском дне. Метод основан на определении угла наклона оси глубоководного ГФ и позволяет существенно повысить точность позиционирования источников ГФ особенно при движении судна перпендикулярно к направлению течения, что является оптимальным с точки зрения повышения вероятности обнаружения ГФ. Метод позволяет оценить скорости течения в областях ГФ до глубин более двух километров на ходу судна.
