Развитие технологии диагностики морского дна с помощью низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов

Новые технологии

Вестник ДВО РАН. 2015. № 6

УДК 534.2

В.А. ЧУПИН, Г.И. ДОЛГИХ

Развитие технологии диагностики морского дна с помощью низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов

На основе результатов обработки данных берегового лазерного деформографа, полученных при регистрации фазоманипулированных сигналов, создаваемых в различных точках шельфа Японского моря низкочастотным гидроакустическим излучателем с несущей частотой 22 Гц, отрабатывается технология диагностики верхнего слоя морской земной коры с определением структуры морского дна и скоростей волн, распространяющихся в слоях земной коры, на границе слоев и в полупространстве.

Ключевые слова: гидроакустический излучатель, лазерный деформограф, фазоманипулированные сигналы, свертка, морская земная кора, скорости волн.

Technology development of sea-bottom diagnostics by means of low-frequency hydroacoustic radiators and coastal laser strainmeters. V.A. CHUPIN, G.I. DOLGIKH (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

On the basis of data processing results of a coastal laser strainmeter received at the recording ofphase-shift signals created in various points ofthe shelfofthe Sea of Japan by a low-frequency hydroacoustic radiator with carrier frequency of 22 Hz, the diagnostics technology of the top layer of the sea earth's crust with definition of sea-bottom .structure and speeds of the waves propagating in layers of the earth's crust on border of layers and in a half-space is fulfilled.

Key words: hydroacoustic radiator, laser strainmeter, phase-shift signals, resultant, bottom crust, sea earth crust, waves velocities.

Введение

В связи с бурным освоением Мирового океана активно разрабатываются контактные и бесконтактные методы, направленные на оценку минеральных и сырьевых ресурсов, позволяющие проводить работы в шельфовых и глубоководных областях. Данные исследования особенно актуальны в настоящее время в связи с задачами по освоению Арктики, которые стоят перед Россией. Учитывая то, что значительная часть Арктики покрыта льдом, данные методы должны быть ориентированы на выполнение изыскательских работ без разрушения ледяного покрова и с наименьшим экологическим воздействием на окружающую среду. В последние годы развиваются методы, помогающие решать

*ЧУПИН Владимир Александрович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ДОЛГИХ Григорий Иванович - член-корреспондент РАН, заместитель директора (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: chupin@poi.dvo.ru

Обработка и интерпретация полученных экспериментальных данных выполнены при частичной финансовой поддержке РНФ (соглашение № 14-50-00034), а также программы ДВО РАН «Дальний Восток» 2015 г.

томографические и инверсионные задачи при изучении структуры и состава морского дна на основе использования низкочастотных гидроакустических излучателей и различных приемных систем [11-13]. Несколько лет назад в ТОИ ДВО РАН начаты работы в этом направлении, связанные не только с изучением структуры и состава верхнего слоя земной коры, но и с созданием работающей геоакустической модели шельфовой области Японского моря [8, 10]. Часть исследований выполняется с целью разработки новых, бесконтактных методов определения структуры и состава верхнего слоя морской земной коры на основе применения низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов [6]. В первых, пробных исследованиях использовался маломощный низкочастотный гидроакустический излучатель с несущей частотой 33 Гц и береговой 52,5-метровый лазерный деформограф. На ранее созданной модели близлежащего к мысу Шульца участка морской земной коры были отработаны первые этапы по созданию методики диагностики морского дна на основе использования низкочастотных гидроакустических излучателей, генерирующих сложные фазоманипулированные сигналы, и береговых лазерных деформографов [6]. В ходе обработки полученных экспериментальных данных были определены скорости затухающих и незатухающих волн рэлеевского типа, продольных волн, волн Стоунли и Лява. В заключении работы [6] указано, что для эффективного выполнения поставленных задач необходимо использовать более мощные и широкополосные низкочастотные гидроакустические излучатели. В нашем эксперименте, результаты которого отражены в настоящей работе, использовался более мощный низкочастотный гидроакустический излучатель с несущей частотой 22 Гц, но, к сожалению, не такой широкополосный, как хотелось бы.

Экспериментальный комплекс и схема эксперимента

Экспериментальные исследования выполняли на основе использования низкочастотного гидроакустического излучателя и берегового лазерного деформографа (ЛД) в акватории зал. Петра Великого Японского моря на удалении 15 км от п-ова Гамова. Гидроакустическая излучающая система (рис. 1), созданная в 2013 г. на основе разработок конца XX в. [9], предназначена для генерации гидроакустических сигналов различной сложности в полосе частот порядка 1 Гц при центральной частоте полосы в диапазоне 19-26 Гц

Рис. 1. Гидроакустическая излучающая система

(в зависимости от глубины погружения излучателя). Амплитуда объемных колебательных смещений излучателя - до 0,0123 м3. На частоте 20 Гц в безграничном водном пространстве это соответствует излучаемой акустической мощности 1000 Вт.

Рис. 2. Схема расположения станций гидроакустического излучения 1 и 2 относительно лазерного деформографа

©Ц

© &

Для приема излученных сигналов использовали сейсмоакустико-гидро-физический комплекс [7], основу которого составляет лазерно-интерферен-ционный комплекс, состоящий из двух-координатного лазерного деформогра-фа [2], лазерного нанобарографа [5] и лазерно-интерференционных гидро-сферных приемных систем [3, 4]. Основным инструментальным средством приема сейсмоакустических волн, сгенерированных на границе вода-дно, является двухкоординатный лазерный деформограф, который состоит из двух ЛД неравноплечего типа: 52,5-метрово-

го («север-юг»), рабочее плечо которого ориентировано относительно линии север-юг под углом 18° (198°), и 17,5-метрового («запад-восток»), рабочее плечо которого ориентировано относительно линии север-юг под углом 110° (290°).

Деформограф «север-юг», созданный на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона и частотно стабилизированного гелий-неонового лазера, находится на глубине 3-5 м. Ближайшая к воде часть конструкции этого деформографа (уголковый отражатель) расположена на расстоянии 120 м от уреза воды и на высоте 67 м над уровнем моря. В 70 м от данной установки на глубине 3-4 м смонтирован 17,5-метровый деформограф. Ближайшая к воде часть его конструкции (центральный интерференционный узел) находится на расстоянии 150 м от уреза воды и на высоте 70 м над ур. м. Угол между рабочими осями двух ЛД составляет 92°. Применяемые методы интерферометрии позволяют регистрировать изменения длины рабочего плеча каждого ЛД, т.е. изменения смещений устоев деформографов, с точностью 0,01 нм. При этом чувствительность деформографа с длиной плеча ( L) 52,5 м составляет А! / L = 0,01 нм / 52,5 м = 0,19 х 10-12, а деформографа с длиной плеча 17,5 м - 0,57 х 10-12. При решении задач, поставленных в данной работе, достаточно экспериментальных результатов, полученных на одном ЛД. Поскольку чувствительность 52,5-метрового деформографа выше, чем 17,5-метрового, мы использовали только данные лазерного деформографа «север-юг».

Излучение обеспечивалось с гидрографического судна Тихоокеанского военно-морского флота России «Маршал Геловани».

Для отработки технологии диагностики морского дна с помощью низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов были выбраны две станции излучения (рис. 2). Так как при работе на любой глубине излучатель и противофазный ему мнимый источник совместно образуют антенну, минимум характеристики направленности которой лежит в горизонтальной плоскости, для получения максимума характеристики, направленной вертикально вниз, было выбрано расположение излучателя на глубине, близкой к 17 м (четверти длины излучаемой волны).

Ст. 1 находится на расстоянии 17,3 км от берегового приемника в шельфовой области Японского моря с постепенно увеличивающейся глубиной моря до 90 м, с толщиной осадочных пород от 25 м в прибрежной зоне до 360 м в точке излучения [6]. Ст. 2 расположена

К статье: В.А. Чупин, Г.И. Долгих «Развитие технологии диагностики морского дна с помощью низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов»

2014 ноя 19 00:19:28 2014 ноя 19 00:50:58

Рис. 3. Динамическая спектрограмма участка записи лазерного деформографа при работе гидроакустического излучателя на несущей частоте 22 Гц

на расстоянии 16 км от деформографа. Здесь примерно 30 % трассы распространения сигнала перекрыто гранитными породами береговой и прибрежной части п-ова Гамова. Пакет излученного сигнала имел следующий вид: период тонового излучения и два периода фазоманипулированного сигнала разной длительности, с паузами между ними.

Обработка и интерпретация данных

На рис. 3 (см. вклейку) приведена динамическая спектрограмма записи лазерного деформографа при работе излучателя на ст. 1, на ней виден приходящий сигнал в виде одного участка тонового излучения и двух последовательных участков М-последовательности.

Для определения времени прихода излученных акустических сигналов на береговые станции данные были обработаны методом свертки с записями контрольного гидрофона каждой станции излучения. На рис. 4 приведены результаты свертки первой М-последовательности излучаемого сигнала при работе излучателя на станциях 1 и 2.

В процессе обработки выявлено от 5 до 7 максимумов прихода сложного фазоманипулированного сигнала (М-последовательности). Исследованы времена прихода каждого максимума первой М-последовательности сигнала излучения на ст. 1. Последовательность распространения каждого прихода М-последовательности описывается в соответствии с геологическими особенностями морского дна в шельфовой области Японского моря возле п-ова Гамова. В ходе эксперимента скорость звука в воде варьировала от 1459 м/с у поверхности моря до 1452 м/с у дна.

Проанализируем времена регистрации максимумов излучения на ст. 1. Расстояние между станцией излучения и береговой станцией равно 17,3 км. Учитывая факт работы излучателя на глубине в четверть длины излучаемой волны, можно считать, что вдоль поверхности воды сигнал не распространяется, а сразу проходит в дно. Сигнал распространяется в водной среде максимум от излучателя до дна. Среднее время его распространения в воде при глубине моря 91 м и глубине погружения излучателя 18 м составляет 0,05 с.

Рассмотрим результаты регистрации максимумов приходов сигнала со станций после начала излучения на компоненту лазерного деформографа «север-юг». Используем расчетные данные о скоростях распространения акустических сигналов в коренных и осадочных слоях морского дна и в пограничных областях прибрежной зоны п-ова Гамова,

Рис. 4. Результат свертки первой М-последовательности с данными лазерного деформографа при работе на станциях 1

полученные нами при проведении подобных работ с использованием низкочастотного гидроакустического сигнала с центральной частотой излучения на 33 Гц [6]. В данной статье возьмем за основу модель верхнего слоя морской земной коры, которая приведена в работе [6].

Станция 1. Первый приход сигнала зарегистрирован через 2,9 с. Вероятный путь сигнала: пересекает все слои и попадает в полупространство уР2, сложенное гранитоидами, на глубине 350 м от поверхности моря. Пусть в соответствии с [6] скорости затухающей волны Рэлея на границах уР2-вода и уР2-воздух будут равны 2970 м/с. Тогда после расчета скорость волны продольного типа первого прихода в полупространстве уР2 составляет 5650 м/с.

Время второго прихода сигнала составляет 4,2 с. Вероятный путь сигнала: он проходит в дно и после пересечения верхних литифицированных и рыхлых верхних осадочных слоев N2, QI-II и QIII-IV движется дальше по границе полупространства уР2 и осадочных слоев в виде волны Лява, затем по границам уР2-вода и уР2-воздух достигает лазерного дефор-мографа в виде затухающей волны Рэлея. Если скорости затухающей волны Рэлея на этих границах равны 2970 м/с, то при расчетах получим, что скорость распространения волны Лява на границе слоев равна 3680 м/с. Она близка к полученной в работе [6] (3790 м/с).

Третий приход сигнала зарегистрирован через 6,5 с. Вероятный путь третьего сигнала после пересечения водного слоя и верхних осадочных слоев: распространение продольной волны в слое N и далее в виде затухающих волн Рэлея на границах уР2-вода и уР2-воздух. Скорости распространения затухающей волны Рэлея приняты 2970 м/с. Тогда расчетная скорость продольной волны в осадочном слое N составляет 2380 м/с. Данный результат согласуется с литературными данными [8].

Четвертый приход сигнала отмечен через 9,6 с. Путь этого сигнала после пересечения водного слоя, вероятнее всего, проходит в виде продольной волны в осадочном слое QIII-IV со скоростью 1700 м/с и в виде затухающей волны Рэлея на слоях уР2-вода и уР2-воздух при скорости распространения 2970 м/с.

Пятый приход сигнала зарегистрирован через 12,5 с. Такое время близко к скорости распространения сигнала в воде. Но, вероятнее всего, излученная волна пересекает водный слой сначала по границе QI-II-вода, затем вдоль границы QIII-IV-вода и по границе уР2-вода распространяется затухающая волна Рэлея, по границе уР2-воздух она достигает лазерного деформографа. Тогда скорость затухающей волны Рэлея на границе QI-I-вода составит 1400 м/с, а на границах уР2-вода и уР2-воздух - 2970 м/с.

Полученные результаты распространения акустического сигнала хорошо согласуются с приводимыми в литературных источниках [6, 8].

Станция 2. После анализа времен максимумов прихода излучаемых сигналов обнаружено, что при регистрации сигнала со ст. 2 сигнал по трассе доходит быстрее, чем с предыдущей станции. Время первого прихода сигнала после начала излучения на ст. 2 составляет 2,6 с. В соответствии с геологической моделью, принятой в [6], сигнал после пересечения водного слоя и осадочного слоя QI-II распространяется в виде продольной волны в полупространстве уР2 и в последней фазе распространения на границе уР2-воз-дух - в виде затухающей волны Рэлея с известной скоростью 2970 м/с. Тогда расчетная скорость распространения в полупространстве уР2 составит 7000 м/с.

Расстояние между ст. 2 и береговой станцией - 16,2 км. Разница в скорости распространения гидроакустического сигнала, трансформирующегося в дно, зависит от строения дна по каждой из трасс распространения. Заметим, что на восточном берегу Гамовского каньона, где находится ст. 2, замечены следы недавней тектонической активности [1], а третья часть акустической трассы расположена в зоне отсутствия осадочных донных пород.

Акустическая трасса распространения сигнала от станции имеет довольно сложный рельеф. Расстояние до берега от станции излучения составляет не более 10 км. В районе станции излучения примерно на глубине 460 м от поверхности воды находится полупространство уР2 (гранитоиды). Над ним не более 1 км в сторону берега лежит нижний более

плотный осадочный слой N2 толщиной не более 20 м. Далее на расстоянии 7 км расположен слой осадочных пород Q толщиной до 380 м. Оставшиеся 8 км акустическая трасса проходит по гранитоидам морского дна и суши, а также их границам с водой и воздухом.

Последующие максимумы сигнала от ст. 2 имеют разницу в приходах от 2 с и более, всего приходов 6-7. Их оценка имеет некоторую сложность вследствие возможных переотражений сигнала в условиях описанной геологической модели. Тем не менее при знании основных геологических параметров земной коры, совершенствуя методику экспериментальных работ, можно рассчитать все приходы сигнала. А также на основе выполненных наблюдений и расчетов можно усовершенствовать знания о составе земной коры в шель-фовой области моря.

Заключение

На основе результатов обработки данных берегового лазерного деформографа, полученных при регистрации фазоманипулированных сигналов, создаваемых в различных точках шельфа Японского моря низкочастотным гидроакустическим излучателем с несущей частотой 22 Гц, отрабатывается технология применения лазерного деформографа для реконструкции геологических структур придонных слоев, что является важным шагом в создании новых бесконтактных методов мониторинга и исследования характеристик сред.

Работа выполнена при содействии Секции прикладных проблем ДВО РАН, в лице А.Е. Бородина, и Гидрографической службы Тихоокеанского флота России.

ЛИТЕРАТУРА

1. Астахов А.С., Аксентов К.И., Белоус О.В., Гуленко Т.А., Жуковин А.Ю., Карнаух В.Н., Яновская О.С. Геологические и геоэкологические исследования в Японском море в рейсе № 45 НИС «Профессор Гагаринский» (октябрь-ноябрь 2009 г) // Тихоокеан. геология. 2011. Т. 30, № 1. С. 119-124.

2. Долгих Г.И., Ковалев С.Н., Корень И.А., Овчаренко В.В. Двухкоординатный лазерный деформограф // Физика Земли. 1998. № 11. С. 76-81.

3. Долгих Г.И., Плотников А.А., Швец В.А. Лазерный гидрофон // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 1. С. 159-160.

4. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н., Швец В.А., Чупин В.А., Яковенко С.В. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 6. С. 56-57.

5. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н., Корень И.А., Новикова О.В., Овчаренко В.В., Окунцева О.П., Швец В.А., Чупин В.А., Яковенко С.В. Лазерный нанобарограф и его применение при изучении баро-деформа-ционного взаимодействия // Физика Земли. 2004. № 8. С. 82-90.

6. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Пивоваров А.А., Самченко А.Н., Чупин В.А., Швырев А.Н., Ярощук И.О. О перспективах применения лазерных деформографов для диагностики морского дна // Докл. АН. 2013. Т. 452, № 3. С. 321-325.

7. Долгих Г.И., Батюшин Г.Н., Валентин Д.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н., Корень И.А., Овчаренко В.В., Яковенко С.В. Сейсмоакустико-гидрофизический комплекс для мониторинга системы «атмосфера-гидросфера-литосфера» // Приборы и техника эксперимента. 2002. Т. 45, № 3. С. 120-122.

8. Свининников А.И., Ярощук И.О. Геоакустическая модель шельфа Японского моря (на примере залива Посьета) // Вестн. ДВО РАН. 2006. № 3. С. 85-93.

9. Penkin S.I. High power low-frequency sources with electromagnetic transducers // Proc. Inst. Acoustics. Vol. 21, iss. 1. P. 134-140. (Underwater Acoustics Group Conf. "Sonar Transducers'99", 19-21 April 1999, Birmingham, UK).

10. Samchenko A.N., Kosheleva A.V., Shvyrev A.N., Pivovarov A.A. Low-frequency hydroacoustic experiments on the shelf using the data of geoacoustic sediment model // Chin. Phys. Lett. 2014. Vol. 31, iss. 12. N 124301.

11. Tolstoy A. Volumetric (tomographic) three-dimensional geoacoustic inversion in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 2008. Vol. 124, N 5. P. 2793-2804.

12. Yang J., Jackson D.R., Tang D. Mid-frequency geoacoustic inversion using bottom loss data from the Shallow Water 2006 Experiment // J. Acoust. Soc. Am. 2012. Vol. 131, pt 2, N 2. P. 1711-1721.

13. Yardim C., Gerstoft P., Hodgkiss W.S. Sequential geoacoustic inversion at the continental shelfbreak // J. Acoust. Soc. Am. 2012. Vol. 131, pt 2, N 2. P. 1722-1732.