CC BY
18
- © H.H. Дмитревский, P.A. Ананьев,
H.B. Либина, А.Г. Росляков, 2013
УДК 550.83 (86)
H.H. Дмитревский, P.A. Ананьев. H.B. Либина, А.Г. Росляков
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩИХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В МОРЯХ ВОСТОЧНОЙ АРКТИКИ В 2011 г.
Проведены исследования экзарационного воздействия на дно дрейфующими ледовыми образованиями в западном секторе Российского шельфа Арктики. Ключевые слова: инженерно-геологические изыскания, сейсмоакустическая аппаратура, рельеф.
ш ш ри инженерно-геологических л л изысканиях на мелководных акваториях со сложным ледовым режимом существенное внимание уделяется исследованиям экзарационного воздействия на дно дрейфующими ледовыми образованиями. Экзарация относится к классу опасных природных явлений, способных создать аварийную ситуацию при строительстве и эксплуатации подводных инженерных сооружений, подводных трубопроводов и прокладке кабелей. В западном секторе Российского шельфа Арктики, где в связи с открытием перспективных газовых и нефтеносных месторождений ведется активное изучение и освоение прибрежных территорий проводился и приводится большой объем работ по изучению геологических опасностей, к которым в первую очередь следует отнести экзарационное воздействие на дно [1—3, 5, 6].
Соответственно, при проектировании любого вида подводных трубопроводов или кабельных трасс, экза-рационные процессы должны подробнейшим образом исследоваться и приниматься во внимание.
К сожалению, по ряду причин в восточном секторе Арктики подобные исследования носили случайный характер, а во многих районах вообще не проводились [4].
В 57-м рейсе НИС «Академик М.А. Лаврентьев», организованном Тихоокеанским океанологическим институтом (ТОИ РАН), в ВосточноСибирском море и море Лаптевых в сентябре-октябре 2011 г. в рамках выполнения проекта РФФИ сотрудниками ИО РАН был проведен комплекс работ по использованию высокоразрешающей сейсмоакустической аппаратуры для целей детального исследования верхней осадочной толщи и рельефа морского дна.
Проведенные работы выявили, в том числе, наличие на дне обследованной акватории большого количества характерных царапин и борозд с очень широким диапазоном разброса как по глубине их распространения, так и по их фактическим размером, которые авторы трактуют, как следы экзарационного воздействяя на дно движущихся ледовых образований.
Комплекс приборов, использовавшихся при работе, включал в себя:
• двухчастотный гидролокатор бокового обзора ГБО «Гидра» 250/500,
• узколучевой параметрический эхо-лот-профилограф «SES-2 000 standard»;
• блок компенсации вертикальной качки судна MRU-Z;
• навигационный блок TRIMBLE 300 D GPS.
Основные технические характеристики гидролокатора бокового обзора «Гидра» 250/500 (производство НИИП им. Тихомирова, Россия) приведены в табл. 1, а его внешний вид -на рис. 1.
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 350/130 м
Ширина полосы бокового обзора 4—6 глубин на каждый борт
Узколучевой параметрический эхо-лот-профилограф «SES-2 000 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 эхоло-та-профилографа излучает в воду два высокочастотных нелинейных 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 разно-
Таблица 2
Технические характеристики профилографа «SES-2 000 standard»
Характеристика Величина
Первичная частота 95—110 кГц
Вторичная частота 4—15 кГц
Ширина луча ±1.8°
Диапазон глубин воды 1—1 000 м
Проникновение в осадки до 50 м
Вертикальное разрешение до 5 см
стных 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-2 000 standard» представлены в табл. 2.
Антенны ГБО и профилографа были установлены на одну общую штангу, поворачивающуюся в про-
дольной относительно курса судна вертикальной плоскости. Штанга крепилась на главной палубе примерно на расстоянии одной трети длины судна от носовой оконечности и позволяла путем её поворота на 90 градусов легко переходить из походного положения (рис. 3) в рабочее. В рабочем положении штанга, опущенная вертикально вниз, обеспечивала заглубление антенн приборов на 2 м. 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. 2, б), представляющий из себя устройство, преобразующее вертикальные колебания судна в пропорциональный им электрический сигнал. При обработке данных эхолота-профило-графа этот сигнал используется для устранения влияния вертикальных перемещений судна на показания аппаратуры.
Рис. 3. Штанга с антеннами ДГБО и эхолота-нрфилографа в походном положении: а) антенна ДГБО «Гидра» 250/ 500, б) антенна эхолота-профилографа «SES-2 000 standard»
120" 130 140° а Д.
Рнс. 4. Карта района работ
Исследования в море Лаптевых проводились на двух полигонах (рис 4). В ходе работ на дне обследованной акватории было зафиксировано большое количество царапин и борозд, характерный вид которых (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 обычно требует одновременного привлечения данных высокоразрешающего сейсмопрофилирования. Сказанное иллюстрируется рис. 5, где приведены гидролокационные изображения двух экзарационных борозд (рис. 5, а и 5, в), а также соответствующие им сейсмоакустические профили SES (рис. 5, б и 5, г), полученные при пересечении этих борозд курсом судна. Внешнее подобие гидролокационных изображений борозд позволяет сделать предположение об их подобии друг другу. Однако секущие профили SES выявляют существенные различия (форма отвалов и донной части, крутизна стенок, глубина).
По результатам наших исследований было установлено, что глубина борозд в исследовавшихся районах может достигать 4.5 м, а глубина моря, где они наблюдались — 90 м (на больших глубинах промеры не выполнялись). Максимальная зарегистрированная длина борозды составила 1.2 км, хотя специальных исследований на этот предмет не проводилось. Частота повторения борозд при движении судна по прямому галсу колебалась в довольно широких пределах и зависела от конкретного района, однако типичной величиной может считаться несколько единиц на один погонный километр.
При отсутствии в исследовавшихся районах таких крупных айсбергов, которые могли бы являться источни-
ком возникновения экзарационных борозд на больших глубинах, полученные данные требуют серьезного переосмысления механизмов взаимодействия ледового покрова с поверхностью дна.
В мелководной области на многих записях отчетливо видны следы последовательного наложения систем борозд друг на друга, часто в совершенно противоположных направлениях. На рис. 6 приведены фрагменты акустической записи с многочисленными и разнонаправленными следами (бороздами) ледового выпахивания.
Результаты гидролокационной съемки указывают на активное динамическое воздействие морских
льдов на рельеф дна (борозды, углубления, валы). Во многих случаях торосистые образования имели сложную форму киля («многокилевые» ледяные образования). При динамическом взаимодействии этих объектов с дном образуется система параллельных борозд.
Такое разнообразие борозд свидетельствует о многократном воздействие на одни и те же участки дна различных по размерам ледовых образований, перемешавшихся под воздействием различных факторов. Причинами движения могли быть ветровой дрейф, приливные, сгонно-нагонные явления.
Инструментом выпахивания могли быть: прибрежные торосы, окаймляю-
Рис. 6 Акустическое изображение системы борозд
шие мористую кромку припая; стамухи, многочисленные в море Лаптевых; кили торосов припайного льда, торосы, дрейфуюшие после разлома припая.
К сожалению в рамках настоя-шей экспедиции связать между собой направление борозд с характерными направления дрейфа льда не представлялось возможным, од-
нако это рассматривается, как одна из задач для дальнейших исследований.
В целом, описываемый гидроакустический комплекс оказался весьма эффективным при исследовании поверхности дна, и картировании имеюшихся на нем неоднородностей различной природы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вершинин С.А., Трусков П.А., Лифе-ров П.А. Воздействие ледовых образований на подводные объекты. — М: ИПК «Русская книга». 2007. 196 с.
2. Огородов С.А. Роль морских льдов в динамике береговой зоны Арктических морей // Водные ресурсы. 2003. Т. 30. № 5. С. 555—564.
3. Миронюк С.Г., Клешин С.М. Опыт применения геофизических методов с целью идентификации морских геологических опасностей // Инженерные изыскания: геодезические, геологические, гидро-
логические, геофизические. 2010. № 1 (8), С. 48—54.
4. Горбунов Ю.А., Лосев С.М, ЛыментЛ.Н. . Стамухи моря Лаптевых. Проблемы Арктики и Антарктики // 2008. № 2 (79). 111—116.
5. Огородов С.А. Роль морских льдов в динамике береговой зоны арктических морей // Водные ресурсы. 2003. Т. 30. № 5. С. 555—564.
6. Огородов С.А. Природные условия Байдарацкой губы. Основные результаты исследований для строительства подводного перехода. М.: «ГЕОС», 1997. 432 с. ЕЕ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Дмитревский Николай Николаевич— кандидат технических наук,
Ананьев Роман Александрович, Либина Наталия Викторовна, Росляков Александр Геннадьевич, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, [email protected]
