СПОСОБ МОРСКОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MARINE SEISMIC SURVEY AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области геофизических исследований, а более конкретно к способам морской сейсмической разведки.
Известный способ морской сейсмической разведки [1] включает возбуждение упругих колебаний, регистрацию многоканальным приемным устройством отраженных волн вдоль профиля, а также разноглубинное накапливание информации при фиксированной средней точке, в котором для достижения технического результата, заключающегося в повышении детальности и информативности сейсмической разведки за счет увеличения разрешенности и помехоустойчивости сейсмических данных, перемещение источника и многоканального приемного устройства производят по профилю прямым и обратным курсом корабля (судна) с последовательным изменением расстояния между источником и приемным устройством при смене курса, при одновременном фиксировании положения первой и последней общих срединных точек на профиле, многоканальный приемник располагают вертикально с переменной базой, выбираемой в зависимости от глубины исследуемого слоя, а накапливание информации производят по обеим срединным точкам и одновременно по вертикальным базам, при этом дополнительно выполняют перемещение источника многоканального приемного устройства по параллельным профилям, расположенным на расстоянии друг от друга, выбираемых из условия накапливания по общей глубинной точке в пространстве.
Известное устройство для морской сейсмической разведки [2] включает линейную группу рабочих пневмоизлучателей сейсмических сигналов, связанных с поплавками, закрепленными на несущем канате посредством гибких элементов, соединенных электро- и газомагистралями с пультом управления сейсмической станции, и средство для размещения пневмоизлучателей и поплавков на борту судна, которое выполнено в виде лебедки, оснащенной барабаном для размещения на нем несущего каната, боковые щечки барабана содержат гнезда для крепления пневмоизлучателей и прорези для размещения в них рукавов электро- и газомагистралей, перед барабаном лебедки закреплен направляющий механизм, ориентирующий пневмоизлучатели и поплавки в направлении гнезд барабана, а излучатели и поплавки соединены с несущим канатом посредством карабинов.
Известный сейсмоакустический обнаружитель [3] содержит акустический микрофон, подключенный к входу усилителя акустического канала, и сейсмоприемник, подключенный к входу усилителя сейсмического канала, источник питания и передатчик, блок логической обработки, блок сопряжения и пульт контроля и управления.
Известный способ геоэлектроразведки [4] включает возбуждение в геологической среде электромагнитного поля импульсами тока, в паузах между которыми осуществляют прием сигнала переходного процесса, фильтрацию посредством n фильтров, усиление и регистрацию в цифровой форме, по результатам которой судят о строении исследуемой среды, в котором для достижения технического результата, заключающегося в повышении помехоустойчивости, принятый в паузах между импульсами возбуждения сигнал переходного процесса фильтруют, дискретно уменьшая верхнюю граничную частоту пропускания фильтров с равномерным шагом дискретизации, величину n устанавливают не менее числа определяемых параметров, а в полученном после каждой фильтрации сигнале переходного процесса регистрируют в цифровой форме максимальные значения, по которым судят о параметрах исследуемой среды.
В известном способе геоэлектроразведки и устройстве для его осуществления [5] возбуждают с помощью регулируемого источника электромагнитное поле в исследуемой среде последовательно на двух заданных частотах, осуществляют в точках измерения прием на этих частотах и измерение первой и второй геометрических разностей потенциалов электрического поля, по которым рассчитывают картируемый параметр, в котором для достижения технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и избирательности выявления предвестников землетрясений, осуществляют в точках измерений прием синфазной с ЭДС источника составляющей сигнала, а расстояние от точек измерений до источника задают не меньше 20 км, а устройство для осуществления способа содержит горизонтальный дипольный двухчастотный источник переменного тока, приемник, в состав которого входят датчики первой и второй разностей электрических потенциалов, регистратор, в котором приемник содержит делитель, синхронный детектор, накопитель и блок управления.
Известные способы и устройства [1-5] для выполнения морской сейсмической разведки включают искусственное возбуждение сейсмической волны с последующей регистрацией акустического или электромагнитного сигнала посредством гидрофонов, как правило, установленных на тральной косе, буксируемой судном или приемником электромагнитных колебаний. Измеренные гидрофоном акустические сигналы или приемником электромагнитные колебания сигналы подвергаются дальнейшей обработки (усилению, фильтрации и т.д.) с выделением полезного сигнала, несущего информацию о возможном распространении сейсмических волн.
Основным недостатком известных способов и устройств для их осуществления является то, что они обладают не высокой информативностью, так как выполняют измерение параметров только акустического или только электромагнитного полей.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение информативности при осуществлении морской сейсмической разведки.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе морской сейсмической разведки, включающем возбуждение упругих колебаний с последующей регистрацией акустического сигнала посредством приемника акустических сигналов, обработку измеренных сигналов, возбуждение электромагнитного поля импульсами тока, в котором искусственное возбуждение упругих колебаний осуществляют в полузамкнутом пространстве, ограниченном металлическим каркасом по трем сторонам, посредством свечи зажигания, на которую подается напряжение, при этом дополнительно регистрируют градиент потенциала электрического поля электрохимического происхождения и градиент потенциала электрического поля, обусловленного движением воды в магнитном поле Земли, при этом возбуждение упругих колебаний осуществляют на интервале времени нарастания, кульминации и спада лунного прилива земной коры, градиент потенциала электрического поля, обусловленного движением воды в магнитном поле Земли, регистрируют в инфранизкочастотном диапазоне волновода морская вода - грунт, обработку измеренных сигналов осуществляют путем построения биномного дерева Штерна - Броко, а в устройстве для его осуществления, состоящем из устройства возбуждения упругих колебаний, приемника акустических сигналов, источника питания, устройства обработки измеренных сигналов, - устройство возбуждения упругих колебаний выполнено из металлического каркаса в виде П-образной конструкции, в верхней части которой установлена свеча зажигания, соединенная с источником питания, а в вертикальных составляющих П-образной конструкции установлены электроды.
Новыми отличительными признаками заявляемого технического решения являются: искусственное возбуждение упругих колебаний осуществляют в полузамкнутом пространстве, ограниченном металлическим каркасом по трем сторонам, посредством свечи зажигания, на которую подается напряжение, при этом дополнительно регистрируют градиент потенциала электрического поля электрохимического происхождения и градиент потенциала электрического поля, обусловленного движением воды в магнитном поле Земли, при этом возбуждение упругих колебаний осуществляют на интервале времени нарастания, кульминации и спада лунного прилива земной коры, градиент потенциала электрического поля, обусловленного движением воды в магнитном поле Земли, регистрируют в инфранизкочастотном диапазоне волновода морская вода - грунт, обработку измеренных сигналов осуществляют путем построения биномного дерева Штерна - Броко, а в устройстве для его осуществления, состоящем из устройства возбуждения упругих колебаний, приемника акустического сигнала, источника питания, устройства обработки измеренных сигналов, - устройство возбуждения упругих колебаний выполнено из металлического каркаса в виде П-образной конструкции, в верхней части которой установлена свеча зажигания, соединенная с источником питания, а в вертикальных составляющих П-образной конструкции установлены электроды.
Из известного уровня техники совокупность новых признаков не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Способ реализуется следующим образом.
Фиг 1. Устройство возбуждения акустического и электромагнитного полей. Устройство состоит из металлического корпуса П-образной формы 1, в верхней части которого установлена свеча зажигания 2 с катушкой возбуждения 3, на которую подается напряжение 30 В от источника питания 4. В вертикальных составляющих П-образной конструкции 1 установлены электроды 5.
Фиг.2. Блок-схема устройства состоит из устройства возбуждения акустического и электромагнитного полей 6, многоканальных приемников 7, логического устройства 8, измерительно-вычислительного модуля 9, гидроакустического канала связи 10, блок датчиков линейных и угловых перемещений 11.
Устройство (фиг.2) может быть установлено как на автономных донных станциях (патенты RU №2276388, №2294000), так и на подводных обсерваториях и аппаратах или использоваться самостоятельно.
При подаче питания на свечу зажигания 2 через катушку возбуждения в полузамкнутом пространстве, образованном корпусом П-образной формы 1, заполненном морской водой, создается электромагнитное поле и возбуждаются упругие колебания, обусловленные электрохимической реакцией между ионами кислорода и водорода. Электромагнитные сигналы в виде импульсов тока принимаются электродами 5 и транслируются на измерительно-вычислительный модуль 9. Одновременно акустические сигналы, созданные упругими колебаниями, принимаются многоканальными приемниками акустических сигналов 7.
При этом образуются также электрические поля электрохимического происхождения, обусловленные электродными потенциалами между металлическим корпусом 1 и электролитом (морская вода), контактно-жидкостными потенциалами, образованными замкнутой цепью металл (корпус), морская вода, грунт (см., например: 1. Богоров В.Г., Деменицын Р.М., Городницкий A.M. // О характере и причинах изменения естественного поля водной толщи по вертикали // Океанология, 1969, т.9, №5, с.767-772; 2. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М., 1975-274 с.), движением воды в магнитном поле Земли. Сигналы, характеризующие электрические поля электрохимического происхождения поступают на измерительно-вычислительный модуль, где по значениям градиента потенциала выполняется анализ сигналов. Электрические поля электрохимического происхождения имеют градиент потенциала 300 мкВ/см. При этом посредством логического устройства 8 выполняется выделение сигналов электрического поля, обусловленного движением воды в магнитном поле (градиент потенциала 0,5 мкВ/см). По нарастанию градиента потенциала, составляющего 6-10 мкВ/см, который регистрируется в инфранизкочастотном диапазоне на 1-й резонансной частоте волновода морская вода - грунт, устанавливают вероятность возникновения штормовых волн (цунами).
Посредством блока датчиков линейных и угловых перемещений регистрируют сигналы, характеризующие приливные колебания коры Земли (грунта). Твердая кора Земли также испытывает приливные колебания, как и водные массы океанов. Приливные колебания коры Земли также носят гармонический характер, т.е. фаза колебаний представляет собой гладкую функцию. Однако вследствие того, что кора - более жесткая среда, то с течением времени в смежных областях коры с разными упругими характеристиками накапливаются фазовые сдвиги, которые не снимаются путем образования амфидромических точек, а снимаются путем образования землетрясений. Анализ пространственно-временного распределения фаз приливных колебаний в коре Земли выполняется в измерительно-вычислительном модуле 9 в следующей последовательности.
Измерение колебаний грунта моря выполняют в различных точках акватории моря в различные моменты времени таким образом, чтобы получаемые измерения в каждой точке измерения имели различные значения интервалов времени относительно ближайшего к моменту измерения последнего момента верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане. При этом измеренные значения уровня грунта в точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны на фиксированном меридиане и моментом измерения позволяют установить временной ход уровня под действием приливных сил коры Земли, что обусловлено тем, что приливные колебания в некоторой точке акватории моря имеют практически постоянный фазовый сдвиг относительно времени верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане. Так как сочетания фаз движения Луны вокруг Земли и фаз колебания уровня грунта моря в некоторой точке повторяются с периодом движения Луны вокруг Земли, то измеренные значения уровня грунта моря в некоторой точке акватории моря, расположенные по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане и моментом измерения, представляют собой изменение фазы прилива, а следовательно, и временной ход уровня в точке измерения под действием приливных сил.
По измеренным приборным значениям колебания уровня грунта моря формируют ряды наблюдений.
Определяют значения высоты прилива конкретной гармонической составляющей волны h(t), которая задается амплитудой А, углом положения g (А и g - гармонические постоянные) и периодом Т, в соответствии с зависимостью h(t)=Acos(qt-g), где q - угловая скорость гармонической волны за один час среднего времени, t - фиксированный момент времени.
Определяют амплитуды гармонической составляющей высоты прилива коры Земли.
m
m
τ
τ
Для анализа гармонических колебаний ось времени разбивается на равные отрезки, которые в последствии совмещаются друг с другом. В полученном таким образом циклическом времени моменты измерения описывают изменения функции на одном периоде, что обеспечивает связь между временем континентальным (солнечным) и океаническим (приливным) в соответствии с зависимостью х=у-y, где х - приливное время (число приливных суток от начала приливного года), у - дата солнечного времени (число суток от начала года), у - число суток между солнечным и приливным временем (число суток от начала года). Вследствие того, что периоды системы времени измерения и периоды гармоник колебательного процесса могут быть несоизмеримы, то осуществляют преобразование циклического времени в линейное в соответствии с зависимостью r(t)=ωt, где r(t) - циклическое время, t - линейное время, ω - частота циклической системы времени.
0
τ
0
0
τ
τ
Далее выполняют дальнейшую обработку с учетом преобразованного времени. При этом колебательный процесс q в каждый фиксированный момент времени является функцией двух частот q(t)=q(ωt,ωt), а в каждый момент времени t значение колебательного процесса q(t) будет являться функцией двух независимых переменных: фазы φ(t)=ωt и фазы φ(t)=ωt, представляющих собой координаты фазового пространства.
Определяют значения высоты прилива коры Земли h=h(x,у) для последовательного набора дискретных значений времени h=h(x,у,t), например методом сеток (см., например, Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций переменного. М.-Л. ГИТТЛ, 1958).
По полученным значениям высоты прилива для последовательного набора дискретных значений времени определяют амплитуды колебаний гармонической составляющей, например в узлах сетки.
По полученным значениям h=h(x,у,t) определяют время наступления максимального уровня.
При анализе периодической составляющей колебательного процесса используется множество действительных чисел, что позволяет определить реальную изменчивость колебательного процесса.
Определение интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны и моментом верхней кульминации Луны позволяет определить временной ход приливных колебаний уровня земной коры в различных точках акватории моря и получить пространственный ход приливных колебаний на данной акватории на любой астрономический момент времени. Измеренные значения уровня коры Земли в некоторых точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени, позволяют по изменению фазы прилива определить и временной ход уровня в точке измерения под действием приливных сил.
0
τ
0
0
τ
τ
Ввиду того, что колебательный процесс q уровня коры Земли в каждый фиксированный момент времени будет являться функцией двух частот q(t)=q(ωt,ωt), а в каждый момент времени t значение колебательного процесса q(t) будет являться функцией двух независимых переменных: фазы φ(t)=ωt и фазы φ(t)=ωt, представляющих собой координаты фазового пространства, то повышается вероятность достоверного выделения периодической составляющей колебательного процесса. При этом гармонические постоянные определяются на основании множества действительных чисел, что позволяет определить реальную изменчивость колебательного процесса уровня коры Земли. При выполнении операций аппроксимации полученных результатов числовые величины измерений записываются в символьной системе Штерна - Броко (1. Грэхем Р., Кнут Д., Паташник О. Конкретная математика. - М.: Мир; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 703 с. 2. Айгнер М., Циглер Г. Доказательства из Книги. - М.: Мир, 2006. - 256 с.). Иерархическая графовая структура системы Штерна - Броко дает возможность осуществления быстрого поиска близких чисел, представленных с различной погрешностью, обусловленной первичными датчиками измерений, так как этому соответствует различное число символов в представлении Штерна - Броко. Меньшее количество символов в представлении является признаком большой погрешности. Это свойство системы Штерна - Броко позволяет простым способом представить число, заданное или измеренное с некоторой погрешностью, числом с большей погрешностью путем простого сокращения отбрасывания последних символов. В десятичном представлении, что имеет место в известных способах, осуществить нельзя. Запись числа в символьной системе Штерна - Броко содержит информацию не только об измеренном значении, но и содержит информацию о погрешности представления числа, так как последовательность символов в представлении числа определяют все соответствующие узлы в дереве Штерна - Броко. Для наинизшего узла можно найти его соседей, как по вертикали, так и по горизонтали, что позволяет оценить точность представления числа и перейти к представлению с другой точностью. Алгоритмы нахождения ближайших и последующих чисел известны и очень эффективны с вычислительной точки зрения. Представление символьной записи числа в системе Штерна - Броко в бинарном виде требует меньшей памяти, чем при интервальном представлении чисел, что имеет место в известных способах морской сейсмической разведки.
Предлагаемый способ реализуется на устройствах, имеющих промышленное применение, что обуславливает отсутствие технических рисков при его применении.
Гидроакустический канал связи 10 предназначен для передачи измеренной информации на диспетчерские станции и приема командных сигналов.
В отличие от известных способов морской сейсмической разведки предлагаемый способ позволяет получить более широкий спектр сигналов о состоянии геофизических полей, что повышает достоверность прогноза землетрясений, а также возникновения цунами.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №1766180.
2. Патент RU №2032190.
3. Патент RU №2032222.
4. Авторское свидетельство SU №1770776.
5. Авторское свидетельство SU №1770774.