ГАЗОГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЦЕНКИ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКОЙ АКТИВИЗАЦИИ

Полезная модель относится к гидроакустике и геохимии, а именно к устройствам для оценки сейсмотектонической активизации дна морей, океанов и других водоемов и может использоваться, например, для геоинформационного картографирования при проектировании, строительстве и эксплуатации нефтегазопромысловых и других сооружений на морском дне, а также для прогнозов тектонической активности регионов и возникновения природных катастроф.
Каждый год на земном шаре происходят несколько сотен тысяч землетрясений, и около ста из них - разрушительные. Поэтому проблема прогнозирования землетрясений всегда актуальна, и важное место в ней отводится изучению предвестников землетрясений.
Природа многих видов предвестников еще не изучена, поэтому приходится просто анализировать текущую сейсмическую обстановку. Анализ включает, например, измерение спектрального состава колебаний, типичность или аномальность первых вступлений поперечных и продольных волн, оценку вероятности активизации тех или иных зон разломов и тектонических активных структур и др. Все эти данные могут помочь спрогнозировать время и место будущего землетрясения и волн цунами.
Существуют разнообразные устройства для оценки и контроля сейсмотектонической активизации дна океанов, морей, основанные на измерении различных физических параметров.
Известно устройство - морская донная станция, которое используется для оценки сейсмотектонической активизации (Красный М.Л., Храмушин В.Н. Единая система государственного мониторинга сахалинского шельфа как важнейший элемент обустройства морских акваторий на основе сбора и накопления информации о сейсмофизических и гидрофизических полях // Охрана природы, мониторинг и обустройство сахалинского шельфа. Южно-Сахалинск: Сах. кн. изд-во, 2001. С.15-30). Такая станция состоит из сейсмического и гидрофизического блоков и устанавливается на морское дно. Записанная информация считывается при подъеме станции на борт судна. Основным недостатком известного устройства является то, что станция производит измерения только в месте ее установки на морское дно. Кроме того,
установка и подъем станции связаны с большими затратами дорогостоящего судового времени и могут производиться только при приемлемых погодных условиях.
Известно устройство, состоящее из нескольких морских донных глубоководных станций, связанных телеметрическими каналами передачи данных в пространственно-разнесенную сеть и непрерывно доставляющих сейсмогидроакустическую, гидрофизическую и гидрометеорологическую информацию в единый береговой центр оперативного контроля и мониторинга (Недорез Ю.И., Малашенко А.Е. Разработка интегрированной системы информационного сопровождения // Вестн. ДВО РАН. 2004. №1. С.11-14.). В настоящее время такое устройство считается наиболее эффективным инструментом оценки сейсмотектонической активизации в отдельных районах океанов, морей и других водоемов. Основными недостатками известного устройства являются большая стоимость его создания и эксплуатации и пониженная точность оценки сейсмотектонической активизации.
Известно устройство - морская донная сейсмическая станция, предназначенная для контроля сейсмических процессов на море, путем приема сейсмической информации в виде трех компонент сейсмических колебаний, выбранная в качестве прототипа (п. РФ №. 28778). Известное устройство характеризуется наличием комплекса технических средств для измерения и записи трех компонент сейсмических колебаний. Устройство содержит установленный на дне акватории глубоководный самовсплывающий носитель (модуль) геофизической аппаратуры и бортовой вычислительный модуль, установленный на борту судна. Постановка и снятие с грунта модуля геофизической аппаратуры осуществляется при помощи якоря-балласта, выполненного в виде бетонного диска или прямоугольного параллелепипеда с полусферическим углублением для размещения модуля геофизической аппаратуры. Определение местоположения подводного модуля при всплытии на поверхность моря происходит по сигналам спутниковой радионавигационной системы.
Недостатком известного устройства является локальность получаемой информации, поскольку станция производит измерение только в месте ее установки на морское дно. Вследствие недостаточно надежного контакта грунта дна с подводным модулем, из-за установки подводного модуля на бетонный якорь балласт, возникают трудности при передаче акустических сигналов на границе дно-прибор, что снижает надежность и достоверность получаемых результатов. Кроме того, определение местоположения подводного модуля при всплытии на поверхность моря по сигналам спутниковой радионавигационной системы существенно повышает стоимость станции.
Разделение известного устройства на подводный модуль, содержащий измерительные геофизические блоки, и несвязанный с ним вычислительный модуль, находящийся на борту судна, не позволяет провести оперативную, комплексную и синхронную обработку экспериментальных данных.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности, надежности и достоверности оценки сейсмотектонической активизации дна морей, океанов и других водоемов, а также повышение оперативности и удобства эксплуатации устройства.
Поставленная задача решается газогидроакустическим комплексом для оценки сейсмотектонической активизации дна водоемов, включающим модуль геофизической аппаратуры и бортовой вычислительный модуль, при этом модуль геофизической аппаратуры, установленный на борту судна, состоит из акустического и газогеохимического блоков и связан с вычислительным модулем, представляющим собой систему регистрации и обработки данных, причем акустический блок состоит из генератора импульсов, последовательно соединенных с ним электроакустического преобразователя и усилителя, один из выходов которого соединен с входом селектора, выход которого соединен с входами блока памяти и воспроизведения и системы регистрации и обработки данных, а другой соединен с входом блока памяти и воспроизведения, выход которого соединен с входом системы регистрации и обработки данных, и с входом интегратора интенсивности, выход которого соединен с входом системы регистрации и обработки данных, при этом комплекс дополнительно снабжен газогеохимическим блоком, состоящим из соединенного с системой регистрации и обработки данных газового хроматографа, соединенного через вакуумную камеру с пробоотборником.
Принцип действия комплекса основан на том, что во время сейсмотектонической активизации увеличивается концентрация газа в водной толще как в виде растворенного, так и в виде свободного газа (пузырьков), выделяющегося из морского дна. При этом концентрация растворенного газа оценивается после отбора проб за счет введения в заявляемый комплекс газогеохимического блока, а концентрация свободного газа (пузырьков) - с помощью акустического блока - по энергии сигнала обратного акустического рассеяния.
Блок-схема заявляемого устройства представлена на фиг.1.
Устройство состоит из генератора импульсов (1), электроакустического преобразователя (2), усилителя (3), селектора (4), блока памяти и воспроизведения (5),
интегратора интенсивности (6), пробоотборника (7), вакуумной установки (8), газового хроматографа (9), системы регистрации и обработки данных (10).
Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор электрических импульсов (1) вырабатывает электрические импульсы, которые поступают на вход электроакустического преобразователя (2), например, пьезокерамического или магнитострикционного, преобразующего их в акустические импульсы, которые излучаются в воду в направлении морского дна. Рассеянный от дна и от различных неоднородностей водной толщи сигнал возвращается к электроакустическому преобразователю (2), который преобразует его в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя (3). Усилитель усиливает этот сигнал и посылает его на селектор (4) и блок памяти и воспроизведения (5). В блоке памяти и воспроизведения (5) в любой момент времени хранится информация со слоя определенной толщины L, предшествующего данному моменту времени. В момент прихода сигнала от дна селектор (4) вырабатывает управляющий сигнал, который подается в блок памяти и воспроизведения (5) и в систему регистрации и обработки данных (10). С приходом управляющего сигнала хранящаяся в блоке памяти и воспроизведения (5) информация поступает в систему регистрации и обработки данных (10). Одновременно хранящаяся в блоке памяти и воспроизведения (5) информация поступает на интегратор интенсивности (6), выход которого соединен с входом системы регистрации и обработки данных (10). Интегратор интенсивности (6) производит возведение в квадрат поступающего сигнала и осуществляет его интегрирование, что соответствует энергии эхосигнала в придонном слое толщины L. В системе регистрации и обработки данных (10) помимо отображения в виде эхограммы придонного слоя толщины L выводится непрерывная информация об энергии эхосигнала в придонном слое данной толщины, которая пропорциональна суммарной поверхности газовых пузырьков в придонном слое толщины L. Одновременно с проведением акустических измерений с помощью пробоотборника (7) производится отбор проб воды с различных горизонтов, из которых с помощью вакуумной установки (8) производится экстракция газов, анализируемых затем на газовом хроматографе (9). Данные с хроматографа (9) о качественном и количественном составе газов поступают в систему регистрации и обработки данных (10), которая отображает их, например, в виде графиков под эхограммой или непосредственно на эхограмме в местах, соответствующих конкретному месту взятия пробы. Анализируя данные, одновременно полученные от акустического и газогеохимического блоков, система регистрации и обработки данных (10) производит
оценку сейсмотектонической активизации на данном участке. При регистрации области повышенного рассеяния в водной толще, но отсутствии данных с газогеохимического блока о повышенной концентрации углеводородных газов в водной толще, вывод о повышенной сейсмотектонической активизации не делается. В этом случае повышенное акустическое рассеяние связано не с присутствием всплывающих со дна пузырьков газа вследствие сейсмотектонической активизации, а с наличием других факторов, например, рыбной стаи или скопления крупного планктона.
Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно, генератор импульсов (1), электрический преобразователь (2), усилитель (3), селектор (4) являются стандартными, и их характеристики определяются поставленной задачей измерения и требуемой точностью.
Интегратор интенсивности (6) выполняют на стандартных микросхемах, транзисторах или с использованием обычного микропроцессора.
Систему регистрации и обработки данных (10) выполняют, например, с использованием персонального компьютера или на базе обычного микропроцессора.
В качестве пробоотборника (7) может использоваться пробоотборник, позволяющий проводить отбор проб, как в стационарном положении, так и по ходу судна. Например, для отбора проб на станциях в дрейфе судна возможно использование стандартного океанологического зонда СТД комплекса "Rosette". В качестве газового хроматографа может использоваться, например, газовый хроматограф «КристаллЛюкс-400 М».
Известно, что в период сейсмотектонической активизации дна морей и океанов в водной толще увеличивается концентрация газа (в основном метана), который выходит из морского дна по раскрывающимся во время активизации разрывным нарушениям (Geomar Report 82, RV Professor Gagarinsky, Cruise 22, RV Akademik M.A.Lavrentyev, Cruise 28. Edited by N.Biebow and Edna Hutten. Kiel, 1999; Geomar Report 88. Cruise Reports: KOMEX V and V1. RV Professor Gagarinsky Cruise 26 (SAKURA), MV Marshal Gelovani Cruise 1. Edited by N.Beybow, Th.Ludmann, Boris Karp and R.Kulinich. Kiel, 2000. - 296 P.). Области морского дна в период сейсмотектонической активизации отличаются от соседних областей и по акустическим характеристикам, и по химическому составу газов. Изменение акустических характеристик в придонном слое регистрируют по интегральным характеристикам сигнала обратного рассеяния от исследуемого слоя заданной толщины. Выделение достаточно крупных пузырьков газа отображается на экране системы регистрации и обработки данных (10) в виде
изображения «газового факела» - устойчивой области повышенной концентрации пузырьков, представленной на эхограмме протяженными, наклонными областями обычно более темного по сравнению с фоном оттенка (Саломатин А.С., Шевцов В.П. Юсупов В.И. Океанологические исследования с помощью эхолотов. Опыт двадцатилетнего использования // Доклады 9-ой школы-семинара акад. Л.М.Бреховских. Москва, 2002, С.250-253). На участках морского дна, где вблизи поверхности дна выделяются газовые пузырьки или наблюдается скопление биологических объектов, сигнал обратного рассеяния от придонной области больше, чем в фоновых областях. Поэтому на этих участках сигнал с интегратора интенсивности (6) больше, чем в фоновых областях. Это увеличение отображается на экране и регистрируется в памяти системы регистрации и обработки данных (10). Одновременно с проведением гидроакустических измерений в водной толще определяют состав газа и его концентрацию с использованием блока газогеохимического анализа, а затем путем сравнения значений полученных показателей с аналогичными значениями соседних (фоновых) областей и гидроакустических данных система регистрации и обработки данных (10) на основании заданного алгоритма делает вывод о сейсмотектонической активизации. Одним из таких алгоритмов может быть подсчет количества «газовых факелов» в заданном районе исследований. При этом за «газовый факел» система регистрации и обработки данных (10) принимает любую область, в которой происходит локальное превышение сигнала с интегратора интенсивности (6) акустического блока определенного ранее порога, если при этом одновременно происходит превышение определенного ранее порога концентрации растворенного в воде газа (сигнал на выходе хроматографа (9) в газогеохимическом блоке).
Натурные испытания устройства были проведены в рейсе НИС "Академик М.А.Лаврентьев" на шельфе о. Сахалин в Охотском море.
Устройство для оценки сейсмотектонической активности морского дна включало генератор электрических импульсов, вырабатывающий сигналы длительностью 0,8 мс с частотой заполнения 12 кГц, поступающие на электроакустический преобразователь пьезоэлектрического типа, вмонтированный в дно судна на глубине 4,5 м ниже ватерлинии. Ультразвуковые сигналы излучались и принимались в вертикальном направлении. Система регистрации и обработки данных выполнена на базе компьютера Silvio с процессором AMD Athlon и звуковой картой Creative Labs. В блоке памяти и воспроизведения запоминалась поступающая информация с исследуемого придонного слоя толщины 100 м.
Определение порогового значения селектора, по превышению величины которого вырабатывается управляющий сигнал, осуществлялось путем анализа сигналов обратного рассеяния звука от морского дна в различных областях района исследований. Данные этих наблюдений показали, что основная энергия рассеянного от всплывающих пузырьков сигнала сосредоточена в придонном слое толщиной 100 м. Поэтому толщина исследуемого придонного слоя L, который выводится на экран системы регистрации и обработки данных и по которому производится интегрирование интегратором интенсивности, выбрана 100 м. После установки необходимых параметров выполнялась гидроакустическая съемка во всем районе исследований. Оценка сейсмотектонической активизации исследуемого района определялась по величине превышения амплитуды сигнала на выходе интегратора интенсивности, определенного предварительно во время фоновых измерений порогового значения.
Одновременно с акустическими измерениями проводили анализ растворенного в воде газа. Пробоотборником (система «СТД система «Rosetta») отбирали серию проб воды на различных горизонтах, начиная с придонного слоя - от 1 метра до 100 метров выше поверхности дна. Затем из проб воды с помощью вакуумной установки экстрагировали газ, который затем анализировали на газовом хроматографе на углеводородные газы - метан, этан, пропан, бутан, пентан и их гомологи, углекислый газ, кислород, азот и иногда водород и гелий. Полученные данные подавались на вход системы регистрации и обработки данных и отображались непосредственно на эхограмме в местах, соответствующих местам отбора проб, в виде названия конкретного газа и его концентрации. Качество анализа контролировалось эталонными газами с известными его концентрациями по стандартной методике. Оценка сейсмотектонической активизации определялась по количеству«газовых факелов» в заданном районе исследований. При этом за «газовый факел» система регистрации и обработки данных принимает любую область, в которой происходит локальное превышение сигнала с интегратора интенсивности акустического блока определенного ранее порога, если при этом одновременно происходит превышение определенного ранее порога концентрации растворенного в воде газа (сигнал на выходе хроматографа в газогеохимическом блоке).
На фиг.2 представлены результаты экспериментальных исследований, полученные с использованием заявляемого комплекса на НИС «Лаврентьев» при исследовании в Охотском море около северо-восточной части о. Сахалин. Здесь показано изменение во времени количества зарегистрированных «газовых факелов».
Видно, что на протяжении двадцати лет количество «газовых факелов» в среднем постоянно возрастало. Скачкообразное возрастание произошло в 1994-1995 годах. В мае 1995 г. (стрелка на фиг.2) в районе Нефтегорска произошло катастрофическое землетрясение, унесшее около 2500 человеческих жизней. После землетрясения количество «газовых факелов» и концентрация метана в воде восточного шельфа и склона Сахалина стабилизировались, но их уровень до сих пор остается высоким, что говорит о возможности повторения эпизодов землетрясений в этом регионе (Иващенко А.И., Булгаков Р.Ф., Ким Чун Ун и др. Землетрясение 4(5) августа 2000 г. на Сахалине // 1 Росийско-Японский семинар «Проблемы геодинамики и прогноза землетрясений». Тез. докл. Хабаровск, 2001. С.109-125; Сапрыгин С.М. Тектоническая флюидодинамика //1 Российско-Японский семинар «Проблемы геодинамики и прогноза землетрясений»: Тез. докл. Хабаровск, 2001. С.200-204). Следует отметить, что в Охотском море наиболее информативным индикатором сейсмотектонической активизации является метан. Это связано с тем, что при сейсмической активизации зоны разломов раскрываются, образуются новые разломы, и по ним метан из нефтегазсодержащих пород устремляется к поверхности осадков, в воду и в атмосферу. То есть, источником метана являются метан-содержащие породы, а в других регионах информативным может быть другой газ, например, углекислый газ в районе распространения интрузивных комплексов, могут быть информативными несколько газовых компонентов. Но главное, при сейсмической активности увеличивается газовый поток к поверхности, который мы фиксируем газогидроакустическим комплексом. В период 2001-2002 гг. количество гидроакустических аномалий и концентрации метана в водных колонках стало снова возрастать, что связано с эпизодом усиления сейсмотектонической активизации в этом регионе.
Таким образом, определение заявляемым устройством областей с повышенным уровнем сигнала обратного рассеяния в виде «газовых факелов» - гидроакустических аномалий, в комплексе с аномальными концентрационными полями растворенного газа в придонной воде значительно повышает эффективность, надежность, и достоверность оценки сейсмотектонической активизации дна морей, океанов и других водоемов. Размещение геофизического и вычислительного модулей газогидроакустического комплекса на борту судна повышает оперативность и удобство эксплуатации заявляемого устройства.