УДК: 550.34.05

 

Геогидроакустический шумовой
мониторинг подлЕдных акваторий
северных морей

 

© 2017 г. А.Л. Собисевич1, Д.А. Преснов1, Р.А. Жостков1, Л.Е. Собисевич1,
А.С. Шуруп1,2, Д.В. Лиходеев1, В.М. Агафонов3

1Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

3Московский физико-технический институт (государственный университет),
Московская обл., г. Долгопрудный, Россия

Автор для переписки: Р.А. Жостков, e-mail: shageraxcom@yandex.ru

 

Главное

 

‒ создана математическая модель структуры «дно—вода—лед» для покрытых льдом морей

‒ создан ледовый геогидроакустический буй, успешно испытанный в натурных условиях

‒ экспериментальные данные согласуются с теоретическими оценками по созданной модели

‒ естественный шум моря несет информацию о структуре морского дна и водного слоя

‒ создана пассивная технология поиска неоднородностей в воде и донных структурах

 

Аннотация. Изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований структуры волновых геогидроакустических полей, формирующихся в северных морях, покрытых сплошным льдом. Построена упрощенная математическая модель, учитывающая экспериментальные данные, показавшие, что наибольшее влияние на процесс генерации различных типов геогидроакустических волн в системе «литосфера — гидросфера — ледовый покров» оказывает водный слой с ледовым покровом. Структура морского дна влияет главным образом на характеристики распространяющихся волн, а не на генерацию новых мод. Результаты математического моделирования стали основой для разработки новых технологий локализации неоднородностей, применимых в условиях покрытой льдом акватории. Основная отличительная особенность новой разрабатываемой технологии мониторинга среды в условиях покрытого льдом моря — возможность измерения параметров шумовых сигналов без применения активных источников геогидроакустического излучения. Наиболее перспективными для использования в условиях северных морей оказываются методы, основанные на измерении характеристик волн поверхностного типа, в частности методы микросейсмического зондирования и шумовой томографии. Комплексирование этих методов объединяет в себе достижения пассивной геофизики последних лет и учитывает особенности гидроакустики. При этом для получения информации о среде распространения волн используются и амплитудные, и фазовые характеристики волнового поля. Для выделения в записях волн того или иного типа использованы методы пространственно-временной обработки сигнала с соответствующим выбором частотного диапазона. Описано созданное авторами новое поколение сейсмогидроакустических вмораживаемых информационно-измерительных модулей (буев), снабженных векторными и молекулярно-электронными первичными преобразователями. Информационно-измерительные модули предназначены для использования в составе распределенных антенных систем ледового класса, применение которых позволит вести круглогодичный мониторинг северных морей, покрытых сплошными льдами. Исследования особенностей функционирования вмораживаемых ледовых информационно-измерительных систем и проверка полученных теоретических результатов были выполнены в ходе полевых работ в феврале 2017 г. На каждом измерительном пункте приемная система состояла из трех эталонных устройств, обеспечивающих измерения на дне, в водной толще и на поверхности льда. Макеты испытываемых геогидроакустических буев вмораживались в точках, разнесенных на расстояние в один километр. В качестве излучателей использовалось падающие грузы массой 32 кг. Использование контролируемого возмущения при проведении ледовых экспериментов позволило получить качественные спектрограммы геогидроакустических возмущений в слоистых структурах и приступить к анализу дисперсионных кривых. При исследовании фундаментальной донной моды в качестве источника сигнала использовался подводный взрыв на глубине 10 м. Сейсмогидроакустические вмораживаемые информационно-измерительные модули успешно выдержали ледовые испытания в натурных условиях при низких температурах, продемонстрировав стабильность получаемой сейсмогидроакустической информации. Полученные экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии с теоретическими оценками, выполненными в рамках созданной модели слоистой геологической среды. Комплекс выполненных работ показал, что в естественных шумах моря содержится полезная информация, которая отражает внутреннюю структуру морского дна и водного слоя, и позволил разработать аппаратурно-методические основы шумовой технологии локализации неоднородных образований в водной среде и слоистых донных структурах северных морей с помощью пассивного мониторинга микросейсмического шума.

Ключевые слова: мониторинг слоистых сред, подледные акватории, морское дно, геогидроакустические поля, пассивный мониторинг, математическое моделирование, дисперсия поверхностных волн, информационно-измерительные модули, геогидроакустические антенные системы, натурные эксперименты

Цитируйте эту статью как: Собисевич А.Л., Преснов Д.А., Жостков Р.А., Собисевич Л.Е., Шуруп А.С., Лиходеев Д.В., Агафонов В.М. Геогидроакустический шумовой мониторинг подледных акваторий северных морей // Наука и технологические разработки. 2017. Том 96, № 3. С. 3–18. [Тематический выпуск «Прикладная геофизика: новые разработки и результаты. Часть 1. Сейсмология и сейсморазведка»]. DOI: 10.21455/std2017.3-1

 

Литература

 

Агафонов В.М., Егоров И.В., Шабалина А.С. Принципы работы и технические характеристики малогабаритного молекулярно-электронного сейсмодатчика с отрицательной обратной связью // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49, № 1. C. 5–18.

Асминг В.Э., Баранов С.В., Виноградов Ю.А., Воронин А.И. Сейсмоинфразвуковой мониторинг на Шпицбергене // Сейсмические приборы. 2012. Т. 48, № 3. С. 32–45.

Асминг В.Э., Баранов С.В., Виноградов А.Н., Виноградов Ю.А., Федоров  А.В. Использование инфразвукового метода для мониторинга деструкции ледников в арктических условиях // Акустический журнал. 2016. Т. 62, № 5. С. 582–591. DOI: 10.7868/S0320791916040031

Башилов И.П., Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Павлюкова Е.Р., Парамонов А.А. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения // Научное приборостроение. 2008. Т. 18, № 2. С. 86–97.

Башилов И.П., Волосов С.Г., Меркулов В.А., Рыбаков Н.П., Суконкин С.Я., Червинчук С.Ю. Результаты исследований макетов цифровых донных сейсмических станций ЦДСС-М и МДМ для охранных систем // Наука и технологические разработки. 2017. Т. 96, № 3. С. 19–32. [Тематический выпуск «Прикладная геофизика: новые разработки и результаты. Часть 1. Сейсмология и сейсморазведка»]. DOI: 10.21455/std2017.3-2

Буров В.А., Сергеев С.Н., Шуруп А.С. Использо-вание в пассивной томографии океана низкочастотных шумов // Акустический журнал. 2008. T. 54, № 1. С. 51–61.

Буров В.А., Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Муханов П.Ю., Сергеев С.Н., Шуруп А.С. Выделение мод из шумового поля мелкого моря одиночными донными гидрофонами для целей пассивной томографии // Акустический журнал 2014. Т. 60, № 6. С. 611–622. DOI: 10.7868/S0320791914060045

Виноградов Ю.А., Асминг В.Э., Баранов С.В., Федоров А.В., Виноградов А.Н. Сейсмо-инфразвуковой мониторинг деструкции ледников (пилотный эксперимент на архипелаге Шпицберген) // Сейсмические приборы. 2014. Т. 50, № 1. С. 5–15.

Горбатиков А.В. Патент РФ №2271554 // Бюл. изобр. 2006. № 7.

Горбенко В.И., Жостков Р.А., Лиходеев Д.В., Преснов Д.А., Собисевич А.Л. Вопросы применимости молекулярно-электронных сейсмоприемников в пассивной сейсморазведке на примере изучения глубинного строения Калужской кольцевой структуры по данным анализа поверхностных волн // Сейсмические приборы. 2016. Т. 52, № 3. С. 5–19.

Груздев П.Д., Дмитриченко В.П., Жостков Р.А., Кочедыков В.Н., Руденко О.В., Собисевич А.Л., Собисевич Л.Е., Сухопаров П.Д. Патент РФ № 2215780 // Бюл. изобр. 2014. № 15.

Жостков Р.А., Преснов Д.А., Собисевич А.Л. Развитие метода микросейсмического зондирования // Вестник КРАУНЦ. Серия науки о Земле. 2015. Т. 2, № 26. С. 11–19.

Жостков Р.А., Преснов Д.А., Шуруп А.С., Собисевич А.Л. Сравнение результатов статистического и дисперсионного подходов в изучении глубинного строения Земли на примере Гавайского плюма // Ученые записки физического факультета МГУ. 2016. № 5. С. 165406-1–165406-4.

Жостков Р.А., Преснов Д.А., Шуруп А.С., Собисевич А.Л. Сравнение микросейсмического зондирования и томографического подхода при изучении глубинного строения Земли // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2017. Т. 81, № 1. С. 72–75. DOI: 10.7868/S036767651701029X

Левченко Д.Г. Методы и средства измерения параметров океанической среды автоматическими многоцелевыми донными станциями // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2010. Т. 5, № 2. С. 11.

Левченко Д.Г., Леденев В.В., Ильин И.А., Парамонов А.А. Длительный сейсмологический мониторинг морского дна с использованием автономных донных станций // Сейсмические приборы. 2009. Т. 45, № 1. С. 5–22.

Левченко Д.Г., Лобковский Л.И., Ильинский Д.А., Леденев В.В., Рогинский К.А., Раушенбах И.Б. Опыт разработки и испытания комплексной кабельной донной сейсмостанции // Сейсмические приборы. 2014. Т. 50, № 4. С. 23–35.

Леденев В.В., Левченко Д.Г., Носов А.В. Анализ методов построения автоматических многоцелевых донных станций // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2010. Т. 5, № 2. С. 1.

Песцов С.К. Стратегия и политика России в  Арктике // Информационно-аналитичес-кий бюллетень «У карты Тихого океана». 2016. № 45 (243). С. 6–19. [Тематический выпуск «Национальные стратегии освоения Арктики и будущее Арктического региона (По материалам круглого стола)»].

Петухов Ю.В., Разин А.В., Собисевич А.Л., Куликов В.И. Сейсмоакустические и акустико-гравитационные волны в слоистых средах. М.: ИФЗ РАН, 2013. 280 с.

Преснов Д.А., Жостков Р.А., Гусев В.А., Шуруп А.С. Дисперсионные зависимости упругих волн в покрытом льдом мелком море // Акустический журнал. 2014. Т. 60, № 4. С. 426–436. DOI: 10.7868/S0320791914040157

Преснов Д.А., Жостков Р.А., Собисевич А.Л., Шуруп А.С. Натурные наблюдения сейсмоакустических волн в условиях покрытого льдом водоема // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2017. Т. 81, № 1. С. 76–80. DOI: 10.7868/S0367676517010239

Рогожин Е.А., Антоновская Г.Н., Капустян Н.К. Современное состояние и перспективы развития системы сейсмического мониторинга Арктики // Вопросы инженерной сейсмологии. 2015. Т. 42, № 1. С. 58–69.

Сухопаров П.Д., Дмитриченко В.П., Преснов Д.А., Собисевич А.Л., Собисевич Л.Е. Патент РФ № 2594663 // Бюл. изобр. 2016. № 23.

Федоров А.В., Асминг В.Э. Мониторинг активности ледников Шпицбергена сейсмическим методом // Наука и технологические разработки. 2015. Т. 94, № 4. С. 44–52. URL: https://elibrary.ru/title_about.asp?id=32295

Цуканов А.А., Горбатиков А.В. Метод микросейсмического зондирования: влияние аномальных значений коэффициента Пуассона и оценка величины нелинейных искажений // Физика Земли. 2015. № 4. С. 94–102.  DOI: 10.7868/S0002333715040122

Шабалина А.С., Зайцев Д.Л., Егоров Е.В., Егоров И.В., Антонов А.Н., Бугаев А.С., Агафонов В.М., Криштоп В.Г. Молекулярно-электронные преобразователи в современных измерительных системах // Успехи современной радиоэлектроники. 2014. № 9. С. 33–47.

Яновская Т.Б. Поверхностно-волновая томография в сейсмологических исследованиях СПб.: Наука, 2015. 164 с.

Brown M.G., Godin O.A., Williams N.J., Zabotin N.A., Zabotina L.Y., Banker G.J. Acoustic Green’s function extraction from ambient noise in a coastal ocean environment // Geophys. Res. Lett. 2014. Vol. 41, No. 15. P. 5555–5562. DOI: 10.1002/2014GL060926

Gibbons S.J., Asming V., Fedorov A., Fyen J., Kero J., Kozlovskaya E., Kværna T., Liszka L., Näsholm S.P., Raita T., Roth M., Tiira T., Vinogradov Yu. The European Arctic: A laboratory for seismoacoustic studies // Seism. Res. Letters. 2015. Vol. 86, No. 3. Р. 917–928.

Godin O.A., Brown M.G., Zabotin N.A., Zabotina L.Y., Williams N.J. Passive acoustic measurement of flow velocity in the Straits of Florida // Geoscience Letters. 2014. Vol. 1, No. 16. P. 1–7. DOI: 10.1186/s40562-014-0016-6

Godin O.A., Ball J.S., Brown M.G., Zabotin N.A., Zabotina L.Y., Zang X. Application of time-warping to passive acoustic remote sensing // J. Acoust. Soc. Am. 2015. Vol. 137, No. 4. P. 2362–2362. DOI: http://dx.doi.org/10.1121/1.4920581

Presnov D.A., Sobisevich A.L., Shurup A.S. Model of the geoacoustic tomography based on surface-type waves // Physics of Wave Phenomena. 2016. Vol. 24, No. 3. P. 249–254. DOI: https://doi.org/10.3103/S1541308X16030109

Walter F., Roux P., Roeoesli C., Lecointre A., Kilb D., Roux P-F. Using glacier seismicity for phase velocity measurements and Green’s function retrieval // Geophysical Journal International. 2015. Vol. 201, No. 3. P. 1722–1737. DOI: https://doi.org/10.1093/gji/ggv069

Woolfe K.F., Lani S., Sabra K.G., Kuperman W.A. Monitoring deep-ocean temperatures using acoustic ambient noise // Geophys. Res. Lett. 2015. Vol. 42, No. 8. P. 2878–2884.
DOI: 10.1002/2015GL063438

 

Сведения об авторах

 

СОБИСЕВИЧ Алексей Леонидович — доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: (499) 254-30-60. E-mail: alex@ifz.ru

 

ПРЕСНОВ Дмитрий Александрович — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: (499) 254-30-60. E-mail: presnov@physics.msu.ru

 

ЖОСТКОВ Руслан Александрович — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: (499) 254-30-60. E-mail: shageraxcom@yandex.ru

 

СОБИСЕВИЧ Леонид Евгеньевич — доктор технических наук, главный научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: (499) 254-30-60. E-mail: sobis@ifz.ru

 

ШУРУП Андрей Сергеевич — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры акустики, Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2; инженер, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: (499) 254-30-60. E-mail: shurup@physics.msu.ru

 

ЛИХОДЕЕВ Дмитрий Владимирович — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: (499) 254-30-60. E-mail: dmitry@ifz.ru

 

АГАФОНОВ Вадим Михайлович — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры вакуумной электроники, Московский физико-технический институт (государственный университет). 141701, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9. E-mail: agvadim@yandex.ru