ОКЕАНОЛОГИЯ, 2013, том 53, № 3, с. 412-417
МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ^^^^^^^^^^^^ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 550.83 (86)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЕРХНЕЙ ОСАДОЧНОЙ ТОЛЩИ И РЕЛЬЕФА МОРСКОГО ДНА В ВОСТОЧНОЙ АРКТИКЕ
© 2013 г. Н. Н. Дмитревский, Р. А. Ананьев, Н. В. Либина, А. Г. Росляков
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: lnatvit@mail.ru Поступила в редакцию 02.02.2012 г., после доработки 16.08.2012 г.
В статье описан высокоразрешающий сейсмоакустический комплекс для исследования верхней осадочной толщи и рельефа морского дна, успешно использовавшийся авторами в 57-м рейсе НИС "Академик М.А. Лаврентьев" в Восточно-Сибирском море и море Лаптевых осенью 2011 г. Комплекс, включающий в себя узколучевой параметрический эхолот-профилограф "SES-2000" и двух-частотный гидролокатор бокового обзора ГБО "Гидра" 250/500, позволил получить целый ряд уникальных данных по структуре осадочных слоев и рельефу дна океана.
При научных и инженерно-геологических изысканиях на акваториях почти всегда возникает задача получения как вертикального сейсмо-акустического разреза на заданную глубину, так и акустического изображения исследуемых участков дна в плане. Стандартные комплекты аппаратуры для решения этих задач обычно включают в себя источники упругих колебаний электродинамического (бумер) или электроискрового типа (спаркер) с приемными элементами в виде сей-смокосы, а также эхолот и гидролокатор бокового обзора. Подобная аппаратура широко используется и многократно описана в литературе [1, 4]. Одним из перспективных методов повышения качества получаемых первичных данных, а соответственно, и представительности обработанных материалов, является применение многочастотной высокоразрешающей акустической аппаратуры, использующей наиболее современные принципы излучения и обработки сигналов.
В 57-м рейсе НИС "Академик М.А. Лаврентьев" в Восточно-Сибирском море и море Лаптевых сотрудниками ИО РАН был проведен комплекс работ по использованию высокоразрешающей сейсмоакустической аппаратуры для целей детального исследования верхней осадочной толщи и рельефа морского дна.
Совместная российско-американская экспедиция была организована в рамках выполнения исследований, направленных на комплексное изучение проблемы метановыделения со дна морей Восточной Арктики. Финансирование работ осуществлялось Российским фондом фундаментальных исследований, Национальным научным фондом США и Национальным фондом США по океану и атмосфере. Кроме сотрудников Института океанологии им. П.П. Ширшова, в рейсе
принимали участие ученые из Дальневосточного отделения РАН, а также научно-исследовательского центра Аляска-Фэрбанкс и университета Джорджии из США.
Комплекс приборов, использовавшихся при сейсмоакустических работах в данном рейсе, включал в себя:
— двухчастотный гидролокатор бокового обзора ГБО "Гидра" 250/500 (рис. 1),
— параметрический эхолот-профилограф "SES-2000 standard" (рис. 2),
— навигационный блок Trimble 300 D GPS.
Основные технические характеристики гидролокатора бокового обзора "Гидра" 250/500 (производство НИИП им. Тихомирова, Россия) приведены в табл. 1.
Конструктивные особенности прибора позволяли работать на двух частотах одновременно, то есть получать изображение одного и того же участка дна либо в большей полосе, либо с большим разрешением. Система индикации с двумя экранами позволяла оператору вести непрерывный мониторинг качества изображения по обоим каналам. На рис. 3 слева показан фрагмент записи гидролокатора на частоте 250 кГц, а справа — на частоте 500 кГц.
Узколучевой параметрический эхолот-профи-лограф "SES-2000 standard" (производство компании "Innomar Technologie GmbH", Германия) (рис. 2) является двухканальной акустической системой, состоящей из трех основных элементов: приемно-излучающей параметрической антенны, набортной рабочей станции и набортного блока-компенсатора качки MRU-Z.
В рабочем режиме антенна эхолота-профило-графа излучает в воду два высокочастотных нели-
(а) (б)
Рис. 1. Состав комплекса ДГБО "Гидра".
(а) — блок питания и блок обработки сигналов, (б) — антенна ДГБО-250/500.
(а) (б) (в)
Рис. 2. Эхолот-профилограф "SES-2000 standard".
(а) — приемо-излучающая антенна, (б) — компенсатор качки, (в) — набортная рабочая станция.
нейных сигнала большой мощности (сигналы накачки) с близкими к 100 кГц частотами. В соответствии с законами нелинейной акустики в толще воды при этом формируются сигналы разностной частоты, которые и используются в дальнейшем. Основным преимуществом сформировавшихся разностных сигналов является их узкая диаграмма направленности, практически полное отсутствие боковых лепестков, высокое проникновение в грунт за счет низкой разностной частоты и высокое разрешение, соответствующее несущей частоте 100 кГц.
Высокочастотный канал используется одновременно как эхолот для батиметрической съемки. В зависимости от соотношения частот сигналов
накачки низкочастотный зондирующий импульс может иметь частоту от 4 до 15 кГц.
Технические характеристики профилографа "SES-2000 standard" представлены в табл. 2.
Как видно из табл.1 и 2 применение каждого из этих приборов в условиях шельфа (до 100 м) способно обеспечить сантиметровые точности как по глубине, так и по наклонной дальности до распознаваемых на дне объектов.
Однако, полученная во многих экспедициях сравнительная оценка эффективности использования отдельных приборов показывает, что даже при их максимально достижимой разрешающей способности, получение объективной характери-
Таблица 1. Технические характеристики ГБО "Гидра" 250/500
Характеристика Величина
Диапазон рабочих частот 250/500 кГц
Тип зондирующего сигнала тон или ЛЧМ
Разрешение по наклонной дальности 4/1 см
Максимальная наклонная дальность 350/130м
Ширина полосы бокового обзора 3—4 глубины на каждый борт
414 ДМИТРЕВСКИЙ и др.
25 50 75 100 м 20 30 40 50 м
Рис. 3. Фрагменты записи ГБО на двух каналах различной частоты.
стики о структуре исследуемых участков дна часто представляется затруднительным. Опыт проведения инженерных работ [2, 4] свидетельствует о том, что при изучении верхней осадочной толщи, а также дна наилучший результат показывает только совместная обработка одновременно полученных батиметрических, сейсмоакустических данных и данных гидролокатора бокового обзора.
В работе [3] описан успешный опыт работы с интегрированной системой Benthos C3D+SBP, в состав которой входили профилограф Chirp III и гидролокатор бокового обзора с функцией батиметрии C3D, установленные на одном буксируемом теле.
Несмотря на очевидные преимущества буксировки аппаратуры вблизи дна (близость к исследуемому объекту и отсутствие влияния неоднородно-стей слоя воды на прохождение сигнала), суще-
ствуют и вполне определенные трудности при работе с подобного рода конфигурациями. В основном это большая трудоемкость постановки-выборки системы, нестабильность движения носителя, сильная связь между параметрами движения и скоростью буксировки, необходимость применения акустической навигационной системы, на точность работы которой в любом случае будут влиять неоднородности в слое скачка, и т.п.
Для работы в условиях мелководья авторы сочли более предпочтительной жесткую забортную установку аппаратуры. Антенны ГБО и профило-графа были установлены на одну общую штангу, поворачивающуюся в продольной относительно курса судна вертикальной плоскости. Штанга крепилась на главной палубе примерно на расстоянии одной трети длины судна от носовой оконечности и позволяла путем ее поворота на 90 градусов лег-
Таблица 2. Технические характеристики профилографа "SES-2000 standard"
Характеристика Величина
Первичная частота 95-110 кГц
Вторичная частота 4-15 кГц
Длительность импульса 66-800 мкс
Период излучений до 30 в сек
Мощность 18 кВт
Ширина луча ±1.8°
Диапазон глубин воды 1-1000м
Проникновение в осадки до 50 м
Вертикальное разрешение до 5 см
Точность измерения глубины 0.02 м + 0.02% глубины воды
Размеры антенны х22 см
ко переходить из походного положения (рис. 4) в рабочее. В рабочем режиме штанга, опущенная вертикально вниз и зафиксированная в этом положении, обеспечивала заглубление антенн приборов на 2 метра. Одновременная работа двух антенн, расположенных практически в одном и том же месте, позволила взаимно дополнить информативность каждого из используемых методов, а также расширить возможности интерпретации получаемых данных. В месте крепления штанги к палубе был установлен компенсатор качки (рис. 2б), представляющий из себя устройство, преобразующее вертикальные колебания судна в пропорциональный им электрический сигнал. При обработке данных эхолота-профилографа и ГБО этот сигнал используется для устранения влияния вертикальных перемещений судна на показания аппаратуры.
Система абсолютно устойчиво работала при скоростях судна до 6.5 узлов и волнении моря до 4 баллов, при этом процедура перевода устройства из рабочего положения в походное занимала не более 5 минут, что оказалось весьма важным при работе в арктических морях с возможными появлениями плавающих льдов.
Одним из первых результатов съемки явилось обнаружение на дне обследованной акватории большого количества царапин и борозд с очень широким диапазоном разброса как по глубине их распространения, так и по их фактическим размерам (ширина и глубина борозд, их форма, протяженность, направление). 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 массами или отдельными плавающими айсбергами.
Индикация борозд как линейных протяженных объектов на дне наилучшим образом осуществляется гидролокатором бокового обзора, однако их дальнейшая идентификация требует одновременного привлечения данных высокоразрешающего сейсмопрофилирования. Сказанное иллюстрируется рис. 5, где приведены гидролокационные изображения двух экзарационных борозд (рис. 5а и 5в), а также соответствующие им сейсмоакустические профили SES (рис. 5б и 5г
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.