Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоакустическая модель залива Посьета Японского моря

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Геоакустическая модель залива Посьета Японского моря"

На правах рукописи

Самченко Александр Николаевич

ГЕОАКУСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАЛИВА ПОСЬЕТА ЯПОНСКОГО МОРЯ

25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Владивосток - 2013

005058960

005058960

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ярощук Игорь Олегович

доктор геолого-минералогических наук Деркачев Александр Никитович

доктор географических наук Плотников Владимир Викторович (ТОЙ ДВО РАН)

доктор физико-математических наук Четырбоцкий Александр Наумович (ДВГИ ДВО РАН)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский институт географии ДВО РАН (Владивосток)

Защита состоится «14» июня 2013 г. на заседании диссертационного совета Д005.017.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук по адресу: г. Владивосток, ул. Балтийская 43. Факс: (423) 231-25-73 E-mail: samchenco@poi.dvo.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Отзывы просим присылать в 2-х экземплярах с заверенной подписью по адресу: 690041 Владивосток, ул. Балтийская 43, ТОЙ ДВО РАН, приемная

Автореферат разослан «22» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук

Ф.Ф. Храпченков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Наиболее перспективными и интенсивно развивающимися методами исследования динамических процессов и неоднородностей в мелководной среде стали акустические и сейсмоакустические. Причина этого в большей степени связана с быстрым развитием технических средств, вычислительной техники и методов математической обработки. Использование низкочастотных звуковых волн сделало возможным проведение комплексных исследований больших морских акваторий в непрерывном режиме. Сейсмоакустический мониторинг позволяет делать заключения о наличии тех или иных неоднородностей в водной среде, а также регистрировать различные динамические процессы в шельфовой океанической зоне.

С точки зрения волновой акустики, формирование звукового поля в зоне океанского шельфа определяется волноводом - поверхностью моря и поглощающим дном. Каждый конкретный волновод имеет множество специфических свойств и факторов, которые определяют некоторый набор закономерностей распространения звука в нем. Преобладающими факторами являются распределение по глубине скорости звука и геоакустические свойства дна. Все другие, например, случайные неоднородности и морские течения, оказывают на звуковое поле существенно меньшее влияние. Таким образом, перед проведением каких-либо экспериментальных и теоретических акустических исследований необходимо определить основополагающие факторы мелководной зоны. Обобщение, а также качественное и количественное описание последних находит свое выражение в такой научной категории, как геоакустическая модель дна. Основное место в формировании модели занимают экспериментально измеренные, экстраполированные и предсказанные количественные значения тех параметров дна, которые представляют интерес для подводной гидроакустики, например скорость распространения звуковых волн в осадках, структура и мощность осадочных слоев, их плотность и т.п.

В общепринятом понимании геоакустическая модель описывает слой воды, осадочную толщу, состоящую из рыхлых и консолидированных осадочных отложений, твёрдый фундамент. Она имеет два уровня представления - качественный, описательный, и количественный, в котором все характеристики формализуются в виде пространственно-временных зависимостей, например, скорость звука в осадках представляется как функция координат глубины и места. Оба уровня диалектически связаны между собой. Знание качественного геологического состава осадков позволяет делать заключения о количественных значениях параметров модели. И наоборот, полученные акустическими или сейсмическими методами количественные значения параметров модели могут вносить свои коррективы в понимание процессов геологического формирования морского дна.

В заливе Посьета Японского моря расположен действующий гидрофизический полигон ТОЙ ДВО РАН, где активно проводятся гидроакустические исследования, в силу чего результаты гидрологических и геолого-геофизических работ необходимы для корректного решения задач распространения звука в мелком море.

Цель работы и основные задачи

Целью диссертации является построение цифровой геоакустической модели залива Посьета. Структурно цифровая модель состоит из массивов разнородных данных, позволяющих количественно описывать трехмерное пространственное распределение акустических свойств среды (дна океана, границы раздела и водного слоя), таких как плотность среды, поглощение, продольная и поперечная скорость звука в среде.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие экспериментальные, теоретические и методические задачи:

• Провести экспериментальные и теоретические исследования рельефа дна. Выявить и оценить параметры основных рельефообразующих факторов с помощью двумерного сингулярного спектрального анализа (ССА) и разложения по вейвлетам Добеши. На базе ССА рельефа дна разработать методические основы гипсотомографии, позволяющей осуществить прогноз крупномасштабных структур дна океана

• Выполнить расчеты акустических характеристик осадков по данным гранулометрического состава проб рыхлых донных отложений на основе метода Гамильтона для всей акватории залива.

• Количественно описать геологические структуры в заливе — определить параметры и условия залегания осадочных слоев и скальных пород. Определить пространственное распределение акустических свойств геологической среды.

• Провести экспериментальные исследования и рассчитать пространственное распределение среднего за сезон поля скорости звука в водном слое залива в весенний, летний и осенний сезоны.

• По результатам математической обработки результатов низкочастотных гидроакустических экспериментов оценить степень достоверности предложенной цифровой геоакустической модели.

Методы исследования

В основу сформированной геоакустической модели исследуемого участка шельфа положены принципы, описанные Гамильтоном (Hamilton, 1980). Поставленные задачи реализовывались с использованием двумерного сингулярного спектрального анализа (ССА) (Golyandina, 2007), разложения по вейвлетам Добеши (Turcotte, 1989) и разработанной методики определения акустических характеристик толщи осадков Гамильтоном (Hamilton, 1979; Hamilton, 1980; Hamilton, 1985).

Метод ССА входит в состав метода естественных (эмпирических) ортогональных функций (ЕОФ). Принцип ЕОФ состоит в «расщеплении» исходных полей данных на пространственные структуры максимальной вариации и «измерении» относительного вклада каждой структуры. Прямая связь между масштабами вариаций и энергетикой тектонических процессов определяет адекватность применяемого математического аппарата.

Метод разложения по вейвлетам Добеши используется для оценки достоверности пространственно-масштабной подобности поверхности дна. Картина вейвлет-коэффициентов отображает фракгальность, демонстрируя иерархическую структуру флуктуаций сигнала.

Распределение акустических характеристик на поверхности дна океана, сформированного рыхлыми осадками, по методу Гамильтона производится с помощью подбора соответствующих значений продольной скорости звука, затухания и плотности по данным гранулометрического состава пробы. Поперечная скорость звука в рыхлых осадках вычисляется по эмпирическим зависимостям от продольной скорости звука Кроме того учитывается изменение упругих и акустических свойств рыхлых отложений с глубиной.

Исходные материалы

Объектом исследования является залив Посьета Японского моря. В основу диссертации положены материалы полевых и камеральных работ, выполненных автором в береговых и прибрежных экспедициях ТОЙ ДВО РАН на НИС «Малахит» и «Импульс» в период 2006-2012 гг. Проведен анализ уже имеющейся геолого-геофизической и океанологической информации из доступных литературных

источников и океанографических баз данных. Выполнена реконструкция акустических свойств геологических сред исследуемого полигона на основе метода Гамильтона.

Личный вклад автора

Автор принимал участие во всех экспедиционных и полевых работах, экспериментальные материалы которых легли в основу диссертации.

В 2009-2010 гг. участвовал в батиметрических исследованиях на НИС «Малахит» по заливу Посьета и проводил обработку результатов измерений.

Участвовал в непрерывном сейсмоакустическом профилировании (НСП) в 2007 г. и в ходе сейсмических исследований методом общей глубинной точки (МОГТ) в 2009 г. совместно с лаб. «сейсмических исследований» ТОЙ ДВО РАН. Совместно с лаб. «морского рудообразования» ТОЙ ДВО РАН провел геологическое опробование и лабораторный анализ проб донных отложений в заливе Посьета в 2007-2008 гг.

В 2007-2011 гг. принимал непосредственное участие в многочисленных натурных гидрологических работах в составе лаб. «статистической гидроакустики» ТОЙ ДВО РАН, проведенных на акватории залива Посьета и в открытой части залива Петра Великого. Гидрологические работы включали фоновую гидрологическую съемку, часовые измерения в нескольких точках и суточные измерения в одной точке, а также единичные реализации вдоль профиля.

С 2006 по 2012 гг., в составе лаб. «статистической гидроакустики» ТОЙ ДВО РАН, участвовал во всех гидроакустических экспериментах по исследованию распространения низкочастотных сигналов в заливе Посьета. В течение летнего периода 2008 г. принимал участие в геоакустических исследованиях с применением разработанного устройства для профилирования донных отложений, его доработки и интерпретации данных, полученных в результате исследований.

Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором, либо на равных правах с соавторами публикаций.

Научная новизна

Геоакустическая модель на основе метода Гамильтона на акватории залива Посьета^построена впервые. Ранее методы многомерных естественных ортогональных функций к исследованию геоморфологии исследуемого района не применялись. Описание водной толщи в геоакустической модели на основе статистических данных за несколько лет по разным сезонам систематизирована и опубликовано в научных статьях впервые, также как и статистика глубины расположения термоклина в водной толще по сезонам. Полученная геоакустическая модель является исключительно необходимым инструментом для проведения экспериментальных и теоретических гидроакустических и сейсмоакустических исследований в прибрежной зоне Японского моря.

Практическая значимость

По результатам геолого-геофизических, гидрологических и гидроакустических работ и анализа имеющейся литературы автором построена детальная цифровая геоакустическая модель исследуемого полигона в заливе Посьета Японского моря. Модель является базисом к решению фундаментальных задач изучения распространения низкочастотного акустического сигнала на шельфе. В диссертации представлены результаты апробации геоакустической модели залива на гидроакустических экспериментальных исследованиях.

Работа выполнялась в рамках ряда федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на .2009-2013 гг. (проекты:

«Динамические особенности морских волновых полей инфразвукового диапазона» и «Динамика и трансформация морских ветровых волн»).

Защищаемые положения:

1. Цифровая модель рельефа залива Посьета, ее сингулярный спектральный анализ, разложение по вейвлетам Добеши и результаты гипсотомографии.

2. Цифровая модель акустических свойств толщи осадков и скальных пород на шельфе залива Посьета (плотность среды, поглощение, продольная и поперечная скорость звука в среде).

3. Типовые особенности крупномасштабной пространственно-временной структуры поля скорости звука в водном слое.

4. Акустические характеристики дна, полученные в экспериментах по распространению низкочастотных акустических сигналов, и вычисленные на основе данных геоакустической модели различаются с точностью не более десяти процентов.

Публикации и апробация работы

По теме диссертации опубликованы 26 работ, в том числе 5 статьей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК. В рамках диссертационной работы получен 1 патент на полезную модель и 1 патент на программу.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на ряде совещаний, форумов, конференций, в том числе: на молодежных конференциях ТОЙ ДВО РАН (г. Владивосток, 2007-2011 гг.), на Всероссийском симпозиуме «Физика геосфер» (г. Владивосток, 2007-2011 гг.), на региональной конференции молодых ученых «Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России» (г. Владивосток, 2008 г.), на Всероссийской конференции РАО (г. Москва, 2008-2011 гг.), на школе-семинаре им. академика JI.M. Бреховских «Акустика океана» (г. Москва, 2009 и 2011 гг.), на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "ГЕОЛОГИ XXI ВЕКА" (г. Саратов, 2008-2009 гг.), а также на семинарах ТОЙ ДВО РАН.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 166 страницах, содержит 44 рисунка, 5 таблиц, 3 приложения и список литературы из 242 наименований.

Благодарности

Работа выполнена в ТОЙ ДВО РАН под научным руководством д.ф.-м.н. Ярощука И.О., которому автор выражает свою искреннюю благодарность. Диссертант признателен за обсуждение и конструктивную критику научному консультанту д.г.-м.н. Деркачеву А.Н., а также благодарит за помощь член. кор. РАН д.ф.-м.н. Долгих Г.И., д.ф.-м.н. Кошеля К.В., д.г.-м.н. Астахова A.C., д.г.-м.н. Кулинича Р.Г., д.ф.-м.н. Рутенко А.Н., д.г.н. Лучина В.А., к.г.-м.н. Карнауха В.Н. Кроме того, диссертант благодрит к.г.-м.н. Терехова Е.П. и к.г.-м.н. Мельниченко Ю.И. за консультации в области геологии и геоморфологии. Всем коллегам автор выражает искреннюю признательность за поддержку и помощь.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается область исследования, обосновывается актуальность и научная новизна диссертационной работы «Геоакустическая модель залива Посьета Японского моря».

Первая глава «Геоакустическое моделирование» диссертации носит обзорный характер, состоит из трех параграфов: «Методы и подходы», «Фактический материал», «Географическое положение». В ней проводится проблемно-ориентированный экскурс в

проблематику вопроса. Геоакустическое моделирование (в широком смысле) - это выбор методов и подходов, получение необходимых натурных данных (батиметрия, сейсмопрофилирование, литологическое опробование, бурение и проч.) и создание модели распределения акустических параметров для конкретной области морского дна и водного слоя. В главе рассматривается современное представление о геоакустической модели, описаны используемые в мировой практике методы ее создания. Описано применение геоакустической модели в крупных гидроакустических экспериментах, с применением низкочастотных излучающих систем. Выполнено обоснование выбора полигона, на котором построена геоакустическая модель.

Второй параграф в данной главе посвящен описанию материалов и проведенных натурных геолого-геофизических и гидрологических работ на исследуемом полигоне. Кроме того, в третьем параграфе представлено географическое описание исследуемого региона - залива Посьета и залива Петра Великого (Рис. 1).

Во второй главе «Рельеф дна» представлены результаты обработки натурных батиметрических данных дна исследуемого полигона в заливе Посьета, оцифрованных карт глубин региона, полученных с участием автора и электронных баз данных GEBCO, ASTER. Построен рельеф дна исследуемого полигона и проведен статистический анализ. В статистической обработке использовался сингулярный спектральный анализ (ССА) и разложение по вейвлетам Добеши. Выделены компоненты, составляющие форму рельефа и связанные с различными временными интервалами образования и геологическими процессами. Выполнена оценка статистических характеристик комплекса микрорельефа, связанного с морским осадконакоплением. Результаты данной главы основаны на оригинальных работах автора с коллегами [2, 23,25].

В первом параграфе «Батиметрические исследования» главы описано создание цифровой базы данных рельефа исследуемого полигона в заливе Посьета, основанной на натурных батиметрических исследованиях, оцифровки батиметрической карты залива и электронной базы данных.

Рисунок 1 — Залив Петра Великого

Во втором параграфе «Масштабное разложение рельефа» главы исследуется масштабное разложение рельефа в заливе Посьета на основе двумерного сингулярного спектрального анализа (ССА). Метод ССА входит в состав метода естественных

(эмпирических) ортогональных функций (ЕОФ), который наиболее часто используется в метеорологии, физике атмосферы и океана. Принцип ЕОФ состоит в «расщеплении» исходных полей данных на пространственные структуры максимальной вариации и «измерении» относительного вклада каждой структуры. Прямая связь между масштабами вариаций и энергетикой тектонических процессов определяет адекватность применяемого математического аппарата.

В третьем параграфе «Статистический анализ микрорельефа» главы описывается статистический анализ микрорельефа исследуемого полигона с помощью выделения компонент в спектральной области и разложения по вейвлетам Добеши. Закономерность спадания пространственного спектра рельефа связана со стохастической природой формирования осадков на большой территории и связана с информацией о типичных временных интервалах и масштабных зависимостях. Меридиональная ориентация пространственного спектра, микрорельефа, позволяет перейти к одномерному спектральному анализу вдоль вертикальных профилей. С этой целью был выбран 21 профиль на фрагменте рельефа, для которых выполнена и усреднена спектральная оценка возвышений. Методика измерений и анализа позволила оценить спектр с достаточной достоверностью на интервале волновых чисел от 0.03 до 0.001 м-1. В этом интервале волновых чисел можно получить линейную интерполяцию спектра вида S = 27 ■ к ~2 26 .

Закономерность уменьшения спектра микрорельефа указывает на наличие масштабной инвариантности возвышений микрорельефа. Фрактальная размерность, является показателем сложности влияния факторов. Величина менее 1.4 указывает, что система находится в стабильном периоде, является устойчивой и подчиняется влиянию одной или нескольких сил, двигающих систему в одном направлении: в случае залива Посьета - это волновые процессы, приливы и отливы, формирующие осадочный микрорельеф дна

Для оценки достоверности пространственно-масштабной подобности поверхности дна воспользуемся специальным методом - разложением по вейвлетам Добеши с масштабной декомпозицией - коифлетам 3-го порядка Результаты разложения на рисунке 2 иллюстрируют, что меридиональный профиль микрорельефа обладает свойством самоподобия, которое проявляется на скалограмме и линиях локального максимума (рис. 2 б и 2 в) наличием квазипериодичности в положении линий скелетона, относящихся к каждому масштабу. Картина вейвлет-коэффициентов (рис. 2 б) хорошо отображает фрактальность, демонстрируя иерархическую структуру флуктуаций сигнала: каждое каскадное дробление масштаба отмечено появлением в распределении коэффициентов характерных "вилочек" - раздвоения локальных максимумов.

Третья глава «Геологические структуры» посвящена изучению геологического строения и акустических свойств пород исследуемого полигона на шельфе залива Посьета В главе рассматривается имеющиеся геолого-геофизические представления о геологических структурах в исследуемом регионе. Кроме того, представлены результаты лито логических и сейсмоакустических исследований на полигоне в заливе Посьета, проведенных с участием автора Рассматривается анализ рельефа, охватывающий большую часть залива Петра Великого и прилегающей суши.

На основе изученного материала построена геоакустическая модель геологических структур на исследуемом полигоне. Результаты, описанные в данной главе, опубликованы в следующих работах автора с коллегами [5, 8, 12, 15-18, 20, 26].

В первом параграфе «Верхний слой донных осадков» главы дается общее описание пространственного распространения различных типов верхнего слоя рыхлых донных отложений в целом по заливу Петра Великого, на основе литературных данных,

экспедиционных работ предшественников литологических и геофизических работ с участием автора. Проанализировано 473 пробы донных отложений с известным гранулометрическим составом на предмет определения акустических и плотностных характеристик по методике Гамильтона.

о 5

юа

15

Дистанция, км

Рисунок 2 - Типичный профиль дна (а), скалограмма (б) и локальные максимумы (в).

На акватории залива Посьета между п-вом Гамова и о. Фуругельма в 2007 г были проведены сейсмоакустические исследования для уточнения условий залегания донных отложений. Разрешающая способность профилографа позволила проследить распространение донных осадков до глубин порядка 35 м. Анализ сейсмических профилей НСП, показывает, что акустический облик и характер залегания осадочного чехла на площади исследований различен. На сейсмических разрезах выделены три сейсмических фации и оконтурены районы их распространения (Рис. 3).

Второй параграф «Упругие свойства верхнего слоя осадков» главы посвящен сопоставлению физических свойств рыхлых осадков и гранулометрического состава на основе методики Гамильтона. Приводятся некоторые результаты исследований в данной области из различных литературных источников. С помощью описанной методики выполнен анализ пространственной изменчивости физических характеристик (скорости продольной и поперечной звука, плотности и поглощения) по заливу Петра Великого на основе данных гранулометрического состава 473 проб.

Сравнение акустических характеристик верхнего слоя осадков полученных по методике Гамильтона и геоакустической инверсии показало, что в целом пространственное распределение акустических характеристик, полученные различными методами, имеет высокую схожесть.

Третий «Выходы твердых пород» параграф и четвертый «Неконсолидированные осадочные породы» параграф главы описывают геологическое строение исследуемого региона, на основе опубликованных геолого-геофизических данных и анализе геоморфологии региона. При геоморфологическом анализе применялся метод ССА, охватывающий большую часть залива Петра Великого и прилегающей суши.

По данным сейсморазведочных работ на исследуемом полигоне выделяются следующие породы: первый осадочный слой позднеплейстоцен-голоценового возраста (Qm-IV) состоящий преимущественно из мелкозернистых и среднезернистых песков, второй осадочный слой нижнего-среднего плейстоцена (Qi_n) - крупнозернистые пески, третий

осадочный слой предположительно неогенового возраста (N2) — гравийно-галечные отложения (Марков, 1983), фундамент (уР2) представлен гранитоидами Гамовского

комплекса позднепермского возраста.

42° 42'

131° 15'

Е.Д.

42° 24'

130° 54'

131° 00'

Условные обозначения: 1. Отложения 1 - сейсмической фации; 2. 2 - сейсмической фации; 3. 3 -сейсмической фации; 4. Области распространения осадочных холмов; 5. Направления течений, 6. Граница изменения интенсивности сигнала, отраженного от дна; места отбора проб фунта: 7. - дночерпателем и 8. -трубкой в 1979 г. 9. Места отбора проб донных осадков в 2007г. 10. Сейсмические профили, 11. Изобаты, м.

Рисунок 3 - Карта распространения сейсмических фаций в районе работ.

На основе всей имеющейся геолого-геофизической информации построена 3 D модель среды и описаны акустические характеристики пород на исследуемом полигоне в заливе Посьета. Рассчитанное в модели распределение акустических характеристик неконсолидированных сред учитывает уплотнение с глубиной по известным формулам (Hamilton, 1985).

В целом плотностные и акустические свойства осадочных пород на исследуемом участке шельфа залива Посьета изменяются в пределах Vp от 1575 м/с до 1750 м/с, Vs от 300 м/с до 442 м/с и р от 1.85 г/см3 до 2.06 г/см3 по горизонтали в поверхностном осадочном слое позднеплейстоцен-голоценового возраста (Qm-iv)- Значения упругих свойств в осадочном слое позднеплейстоцен-голоценового возраста (Qm-iv) колеблется в пределах от 1575 м/с до 1810 м/с - Vp, от 300 м/с до 475 м/с - Vs и от 1.85 г/см3 до 2.14 г/см3 - р, при условии, что максимальная мощность слоя 50 м. В толще нижнего-среднего плейстоцена (Qi-n) на глубине 70 м от поверхности моря Vp приблизительно равна 1800 м/с, что

соответствует крупнозернистым пескам. Соответственно в модели, в зависимости от глубины места, упругие свойства осадочного слоя нижнего-среднего плейстоцена (Qi-n) принимают значения от 1800 м/с до 1850 м/с - Vp, от 469 м/с до 500 м/с - Vs и от 2.13 г/см3 до 2.18 г/см3 - р по горизонтали. С глубиной увеличение упругих свойств слоя нижнего-среднего плейстоцена (Qi.n) достигает Vp(max) = 2070 м/с, Vs(max) = 655 v/c и p(max) = 2.44 г/см3 на уровне 243 м от поверхности моря, где максимальная мощность слоя составляет около 170 м. Значения VP(N2) = 3000 м/с, VS(N2) =1810 м/с, p(N2) = 2.33 г/см3 являются средними для всего осадочного слоя неогенового возраста (N2), поскольку данных об изменении упругих свойств в гравийно-галечных отложениях автором не найдено. В модели затухание для осадочных слоев принято из табличных данных и для каждого из слоя оно является постоянной по горизонтали (Kp(Q1.n) = 52.1 дБ/м, Ks(Q]_n) = 105 дБ/м; Kp(Qm-iv) = 43 дБ/м, Ks(Qm-rv) = 90 дБ/м; KP(N2) = 40 дБ/м, KS(N2) = 80 дБ/м, где Кр и Ks -затухание продольной и поперечной волны, рассчитано при 100 кГц), кроме того учитывается изменение данных параметров с глубиной.

Модельные значения расположения верхней кромки фундамента (граниты) показаны на рисунке 4. На исследуемом участке в заливе Посьета верхняя граница фундамента на суше достигает отметки 486 м (гора Туманная) над уровнем моря и максимальная глубина погружения порядка 900 м в Туманганской синклинальной зоне. Упругие свойства фундамента (гранита) в модели взяты из табличных данных: Vp(yP2) = 5400 м/с, Vs(yP2) = 3300 м/с, р(уР2) = 2.79 г/см3 и Кр(уР2) = 35 дБ/м, Ks(yP2) = 70 дБ/м (Кр и Ks - затухание продольной и поперечной волны, рассчитано при 100 кГц). Упругие свойства фундамента с глубиной в модели не изменяются.

Высота над уровнем моря, м

^Р «Р р р £ $ 0 ° # # # & &

& ^ -г» * ° ■*>'

Стрелкой показано положение МЭС «Шульца». Цифрами указаны тектонические структуры: 1 -Туманганская синклинальная зона, 2 - антиклиналь Клерка, 3 - Гамовская антиклиналь. Рисунок 4 — ЗЭ реконструкция поверхности фундамента (гранита) в заливе Посьета.

На основе имеющейся геолого-геофизической информации было выделено на исследуемом полигоне три осадочных слоя, фундамент, представленный гранитоидами, и условия их залегания. Определение плотностных и акустических характеристик слоя рыхлых донных отложений произведено по методике Гамильтона. Сравнение полученного распределения продольной скорости на поверхности рыхлого осадка по методике Гамильтона и по данным геоакустической инверсии показало высокую схожесть.

Изменение плотностных и акустических свойств рыхлых осадков в геоакустической модели рассчитано по эмпирическим зависимостям. Упругие свойства слоя гравийно-галечных отложений и фундамента получены из литературных источников (Орленок, 1997). Все полученные данные о геологической среде исследуемого полигона отражены в цифровой модели. Цифровая модель плотностных и акустических параметров геологической среды позволяет корректно сформулировать задачу распространения низкочастотных сигналов. Кроме того, геоакустическую модель можно использовать в постановке низкочастотных гидроакустических экспериментов.

В четвертой главе «Водный слой» представлены результаты многолетних фоновых гидрологических измерений профиля скорости звука и температуры по акватории в заливе Посьета и данные по гидрологическому разрезу, полученные в 2012 г. Также обсуждаются результаты обработки экспериментальных данных, полученных с использованием стационарных термогирлянд. Все гидрологические работы проводились при непосредственном участии автора. Глава состоит из двух параграфов: «Некоторые особенности гидрологии» и «Пространственная изменчивость скорости звука». Результаты, описанные в данной главе, опубликованы в [1,4, 10,14, 19,21,26].

В главе дается краткое описание средств и методов гидрологических работ, и проводится анализ данных по сезонам года (весна, лето и осень). Полученные натурные значения пространственного распределения скорости звука и температуры сформированы в виде электронной базы статистических параметров водного слоя в программе Ocean Data View. Электронная база данных является частью геоакустической модели. Установлено, что гидрологическая ситуация на исследуемом полигоне достаточно устойчива при стабильных метеорологических условиях. Таким образом, в изучении формирования акустического поля на шельфе залива Посьета можно использовать среднестатистические параметры профиля скорости звука в различные сезоны. Кроме того, зафиксирована и описана структура профиля скорости звука на шельфе залива Петра Великого, за счет которой будет формироваться подводный звуковой канал. Делая выводы по результатам обработки с помощью ЕОФ анализа, можно отметить, что данная методика хорошо подходит для разложения поля на составляющие согласно их масштабной значимости. Построение упрощенной модели, основанной на ЕОФ анализе данных наблюдений в период стабильной сезонной погодной обстановки, позволяет получить представление о качественной структуре трехмерных полей гидрологических данных и уточнить методику проведения натурных акустических экспериментов.

Пятая глава «Геоакустическая инверсия» посвящена геоакустической инверсии и апробации построенной геоакустической модели на натурных гидроакустических экспериментах. Один из наиболее распространенных подходов в методах геоакустической инверсии - это использование некоторой априорной информации о геоакустической модели, решение прямых задач распространения низкочастотного звука, и последующие сравнение и корректировка исходной геоакустической модели. В данной главе описывается ряд гидроакустических экспериментов, с использованием уникальной гидроакустической аппаратуры, в состав которой входят низкочастотные излучатели и приемные системы, разработанные в ТОЙ ДВО РАН. Описанные гидроакустические эксперименты происходили с участием автора. Результаты экспериментальной деятельности опубликованы в следующих работах автора с коллегами [3, 6, 7, 9, 11,13,17, 19,22,24].

На акватории залива Посьета в 2007-2008 гг. были проведены гидроакустические исследования с использованием низкочастотных гидроакустических излучателей (30-40 Гц и 230-270 Гц) и приемной антенны (Ковзель, 2008). В эксперименте использовались сложные фазоманипулированные сигналы М-последовательности различной

конфигурации. Установлено, что фазоманипулированные сигналы с частотами 26 Гц и 33 Гц проникают на глубину залегания пород фундамента По предварительным расчетам, акустическая волна трансформировалась в продольную волну в рыхлых донных отложениях, а далее она распространялась в виде волны Лява на границе гранит - рыхлые осадки, потом в продольную волну на участке 50 м в осадочном слое до приемной антенны. Учитывая задержку приходящей волны на различных расстояниях и зная мощность осадков, нами получены некоторые оценки скорости звука на каждой фазе распространения сигнала Продольная скорость звука в рыхлых осадках порядка 1900 м/с, волна Лява - 3500 м/с.

Низкочастотные фазоманипулированные сигналы, распространяющиеся в осадочном слое и детектируемые на приемных системах, на различном удалении от источника гидроакустического излучения, можно использовать в качестве дополнительной информации о строении осадочной толщи.

В 2012 г. был проведен низкочастотный гидроакустических эксперимент, где в качестве приемной системы был деформограф (Давыдов, 1995). В ближних точках излучения (в первой, второй и шестой), где толщина волновода сравнима с длиной волны излученных сигналов, распространение волны можно считать в лучевом приближении. Были проведены расчеты прохождения акустического сигнала по различным средам.

Рельеф дна на профиле 5-6 не ровный, наблюдается подводный песчаный холм, глубина моря увеличивается от 50 до 60 м по профилю. Мощность осадочной толщи варьируется от 25 м в шестой точке излучения до 140 м в пятой точке. В шестой точке излучения наблюдается два осадочных слоя позднеплейстоцен-голоценового возраста и нижнего-среднего плейстоцена В пятой точке - три осадочных слоя позднеплейстоцен-голоценового возраста, нижнего-среднего плейстоцена и неогенового возраста различной мощности. Дно на профиле излучения 1-4 достаточно ровное, глубина во всех точках порядка 41 м. Мощность осадочного слоя с увеличением расстояния точек излучения от приемника растет от 50 м в первой точке до 240 м в последней точке профиля. Кроме того, в первой точке наблюдается лишь один осадочный слой позднеплейстоцен-голоценового возраста Во второй, третьей и четвертой точке осадочная толща состоит из трех осадочных слоев различной мощности. Фундамент представлен гранитоидами позднепермского возраста Поскольку мощность фундамента намного больше, чем осадочного слоя, можно считать его однородным полупространством с наклонной верхней границей.

В расчетах использовались стандартные варианты волнового распространения в различных средах и на их границах, такие как продольная, поперечная волны, волны Рэлея (на границе сред воздух - гранит, распространяется со скоростью 2970 м/с), волны Стоунли (песок - вода, скорость - 400 м/с) и волны Лява (рыхлые осаки - гранит, скорость - 3300 м/с). В каждой из точек рассчитано семь наиболее вероятных вариантов распространения акустической волны. На деформографе было зафиксировано четыре и три прихода сигнала с точек излучения 1 и 2 соответственно и семь приходов волны с точки излучения 6. Сопоставление значений времени распространения сигналов рассчитанных теоретически и полученных в ходе эксперимента, показало, что наиболее вероятно, мы зафиксировали продольную волну в водном слое, а так же волны Рэлея и волны Лява

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Проведен анализ отечественной и зарубежной литературы, посвященной вопросу формирования и использования геоакустических моделей. Рассмотрены различные варианты и критерии создания геоакустической модели различных шельфовых зон.

Проведено обоснование выбора методики создания геоакустической модели и исследуемого полигона на шельфе Японского моря.

2. Получена детальная цифровая модель рельефа дна залива Посьета, основанная на натурных батиметрических данных, оцифрованных батиметрических карт региона и цифровых данных GEBCO. Проведена оценка основных рельефообразующих факторов на основе статистического анализа батиметрических данных.

3. Рассчитано пространственное распределение акустических свойств осадков с помощью анализа литологического состава проб верхнего слоя рыхлых донных отложений в заливе на основе методики Гамильтона (плотность среды, поглощение, продольная и поперечная скорость звука в среде).

4. Определено пространственное положение различных по составу осадочных слоев и скальных пород в заливе. Составлена цифровая модель акустических свойств геологической среды.

5. На основе многолетних натурных гидрологических исследований на акватории залива Посьета выявлены основные статистические особенности профиля скорости звука в разные сезоны года.

6. Проведена апробация геоакустической модели в гидроакустических экспериментах с использованием низкочастотных гидроакустических излучателей и оценка акустических параметров среды с помощью геоакустической инверсии.

Заключение. Разработанная геоакустическая модель суммирует имеющиеся геологические, геофизические, гидрологические и петрофизические данные и позволяет для заданных пространственных координат выбирать количественные значения параметров. Последующая коррекция модели может быть выполнена в процессе решения обратных гидроакустических и сейсмических задач. При этом математическая обработка сейсмоакустических данных должна базироваться на численном моделировании процессов формирования звуковых волн в различных типах осадков.

Описанная в рамках диссертационной работы геоакустическая модель не ограничена рамками экспериментов на гидрофизическом полигоне ТОЙ. Шельфы дальневосточных морей имеют общую историю геологического развития, поэтому предложенная в работе методика позволяет последовательно формировать как детализированные модели локальных районов, так и обобщенные геоакустические модели шельфов в целом. Нет сомнений, что такие модели должны быть основой гидроакустических и сейсмических исследований мелководных морских областей дальневосточного региона.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах

1. Самченко А.Н., Пивоваров A.A., Кошелева A.B. Результаты гидрологических и геолого-геофизических исследований залива Посьета // Подводные исследования и робототехника Дальнаука, 2011. № 1 (11). С. 64-68.

2. Коротченко P.A., Самченко А.Н., Ярощук И.О. Применение статистических методов в изучении рельефа шельфовой зоны на примере залива Посьета Японского моря // Вестник ДВО РАН. 2011. № 6. С. 54-59.

3. Самченко А.Н., Швырев А.Н., Пивоваров A.A., Коротченко P.A. Распространение низкочастотного акустического сигнала в мелком море с учетом влияния неоднородностей в донных осадках // Подводные исследования и робототехника. Дальнаука, 2011. № 2 (12). С. 52-56.

4. Самченко А.Н, Кошелева A.B. Особенности поля скорости звука в прибрежной зоне Японского моря (залив Петра Великого) // Вестник ДВО РАН. 2012. № 6. С. 108-113.

5. Самченко А.Н., Карнаух В.Н., Аксентов К.И. Геолого-геофизические исследования верхней части осадочного чехла и геоакустическая модель шельфа залива Посьета (Японское море) // Тихоокеанская геология. 2013. Т. 32. № 1. С. 66-75.

Патенты

6. Коротченко P.A., Самченко А.Н. Селекция сейсмоакустического импульса (Impulse Estimation). Св. о гос. per. программы для ЭВМ № 2011613177 от 21 апреля 2011.

7. Пивоваров A.A., Пенкин С.И., Самченко А.Н. Устройство для профилирования донных отложений. Патент № 7523 8 от 27.07.2008г. Бюл. №21.

Статьи, опубликованные в монографиях

8. Долгих Г.И., Карнаух В.Н., Самченко А.Н., Бордиян О.В. Исследование осадков прибрежной зоны и разработка геоакустической модели (залив Посьета, Японское море) // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря. М.: ГЕОС, 2008. С. 379-384.

9. Долгих Г.И., Коротченко P.A., Мартынов М.Ю, Пенкин С.И., Пивоваров A.A., Самченко А.Н., Швырев А.Н., Ярощук И.О. Сейсмоакустические исследования в заливе Посьета // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря. М.: ГЕОС, 2008. С. 3 84-398.

Ю.Долгих Г.И., Лучин В .А., Ярощук И.О., Варлатый Е.П., Черанев М.Ю., Пивоваров A.A., Самченко А.Н., Швырев А.Н. Исследования пространственно-временных вариаций поля скорости звука в заливе Посьета // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря. М.: ГЕОС, 2008. С. 412-435.

Доклады на международных и региональных научных конференциях

11. Самченко А.Н. Моделирование динамики изменения теплового и акустического поля залива Посьета // Пятый Всероссийский симпозиум «Физика геосфер» 5-8 сентября 2007. Мат-лы докл. Владивосток: Дальнаука 2007. С. 310-313.

12. Самченко А.Н., Бордиян О.В. Исследование морских осадков методом НСП (залив Посьета Японского моря) // IX Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов «ГЕОЛОГИ XXI ВЕКА», 8-10 апреля 2008. Мат-лы докл. Саратов: СГУ, 2008. С. 84-86.

13. Самченко А.Н., Пивоваров A.A., Швырев А.Н., Ярощук И.О. Исследования низкочастотных акустических сигналов в шельфовой зоне японского моря с учетом геоакустической модели // XX сессия Российского Акустического Общества. М.: ГЕОС, 2008. С. 350-353.

14. Долгих Г.И., Лучин В.А., Ярощук И.О., Варлатый Е.П., Черанев М.Ю., Пивоваров A.A., Самченко А.Н., Швырев А.Н Экспериментальные исследования пространственно-временных вариаций скорости звука на шельфе Японского моря // XX сессия Российского Акустического Общества Мат-лы докл. М.: ГЕОС, 2008. С. 274-277.

15. Самченко А.Н., Бордиян О.В. Сейсмоакустические исследования залива Посьета (Японское море) // 2-я региональная конференция молодых ученых «Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России». 27-30 августа 2008. ДВГИ ДВО РАН. Мат-лы конф. Владивосток: ДВГИ ДВО РАН, 2008. С. 25-28

16. Самченко А.Н., Аксентов К.И. Исследование верхнего слоя донных осадков в прибрежной зоне (Японское море) // X Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов "ГЕОЛОГИ XXI ВЕКА", 8-10 апреля 2009. Мат-лы докл. г. Саратов: СГУ, 2009. С. 65-66.

17. Самченко А.Н., Пивоваров A.A., Швырев А.Н., Мартынов М.Ю. Выбор оптимальной гидроакустической трассы по геолого-геофизическим данным // XII научная школа-семинар им. акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана», совмещенной с XXI сессией РАО, 2-5 июня 2009. Мат-лы докл. М.: ГЕОС, 2009. С. 296-299.

18. Самченко А.Н., Карнаух В.Н., Аксентов К.И. Геолого-геофизические исследования верхней части донных отложений залива Посьета (Японское море) // Шестой Всероссийский симпозиум «Физика геосфер» 7-11 сентября 2009. Мат-лы докл. Владивосток: Дальнаука, 2009. С. 310-313.

19. Долгих Г.И., Лучин В.А., Ярощук И.О., Варлатый Е.П., Черанев М.Ю., Мартынов М.Ю., Пивоваров A.A., Самченко А.Н., Швырев А.Н Экспериментальные исследования поля скорости звука на шельфе Японского моря // Шестой Всероссийский симпозиум «Физика геосфер» 7-11 сентября 2009. Мат-лы докл. Владивосток: Дальнаука, 2009. С. 37-41.

20. Самченко А.Н. О возможности изучения строения дна мелкого моря с помощью низкочастотных акустических сигналов // Шестой Всероссийский симпозиум «Физика геосфер» 7-11 сентября 2009. Мат-лы докл. г. Владивосток: Дальнаука, 2009. С. 37-41

21. Долгих Г.И., Лучин В.А., Ярощук И.О., Кошелева A.B., Пивоваров A.A., Самченко А.Н., Швырев А.Н. Короткопериодная изменчивость скорости звука на шельфе Японского моря // XIII школа-семинар им. академика Л.М. Бреховских «Акустика океана» и XXIII сессии РАО 1-3 июня 2011г. Москва, ОИ им. П.П. Ширшова РАН. Мат-лы докл. М.: ГЕОС, 2011. С. 217-221.

22. Долгих Г.И., Швырёв А.Н., Ярощук И.О., Пивоваров A.A., Самченко А.Н. Оценка параметров геоакустической модели шельфа с помощью низкочастотных фазоманипулированных сигналов // XIII школа-семинар им. академика Л.М. Бреховских «Акустика океана» и ХХШ сессии РАО 1-3 июня 2011. Мат-лы докл. М.: ГЕОС, 2011. С. 221-225.

23. Самченко А.Н., Коротченко P.A., Ярощук И.О. Статистический анализ топографии залива Посьета Японского моря // Седьмой Всероссийский симпозиум «Физика геосфер» 5-9 сентября 2011. Мат-лы докл. Владивосток: Дальнаука, 2011. С. 235-240.

24. Самченко А.Н., Швырев А.Н., Пивоваров A.A., Ярощук И.О. Результаты низкочастотных акустических исследований на шельфе Японского моря // Седьмой Всероссийский симпозиум «Физика геосфер» 5-9 сентября 2011. Мат-лы докл. Владивосток: Дальнаука, 2011.С. 240-245.

25. Самченко А.Н. Батиметрические исследования в заливе Посьета Японского моря // Седьмой Всероссийский симпозиум «Физика геосфер» 5-9 сентября 2011. Мат-лы докл. Владивосток: Дальнаука, 2011. С. 230-235.

26. Samchenko A.N. The results of hydrological and geophysical studies Posyet Bay // Marine measurements in Geophysics and Hydrophysics. International working seminar. Vladivostok, September, 22-26,2011. POI FEB RAS. 144-145 p.

Подписано в печать 27.03.2013 г. Формат 60x90/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100. Отпечатано в ТОЙ ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, д. 43

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Самченко, Александр Николаевич, Владивосток

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ТИХООКЕАНСКИЙ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ИМ. В.И. ИЛЬИЧЕВА

Самченко Александр Николаевич

Геоакустическая модель залива Посьета Японского моря

Специальность 25.00.28 - Океанология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук И.О. Ярощук

Научный консультант доктор геолого-минералогических наук А.Н. Деркачев

Владивосток - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ГЕОАКУСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ......................................11

1.1. Методы и подходы...................................................................................11

1.2. Фактический материал.............................................................................24

1.3. Географическое положение.....................................................................29

ГЛАВА 2. РЕЛЬЕФ ДНА..........................................................................................33

2.1. Батиметрические исследования..............................................................33

2.2. Масштабное разложение рельефа...........................................................37

2.3. Статистический анализ микрорельефа...................................................42

Выводы.............................................................................................................44

ГЛАВА 3. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ........................................................47

3.1. Верхний слой донных осадков................................................................47

3.2. Упругие свойства верхнего слоя осадков..............................................58

3.3. Выходы твердых пород............................................................................66

3.4. Неконсолидированные осадочные породы............................................73

Выводы.............................................................................................................78

ГЛАВА 4. ВОДНЫЙ СЛОЙ.....................................................................................79

4.1. Некоторые особенности гидрологии......................................................79

4.2. Пространственная изменчивость скорости звука.................................93

Выводы.............................................................................................................96

ГЛАВА 5. ГЕОАКУСТИЧЕСКАЯ ИНВЕРСИЯ....................................................97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................114

Список сокращений и условных обозначений.....................................................116

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................118

Список иллюстративного материала........................... ..........................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Схема современных и реликтовых фаций залива

Петра Великого........................................................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Геологическая цифровая модель среды

исследуемого полигона в заливе Посьета.............................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Гранулометрический состав и упругие свойства проб донных осадков...............................................................................................146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Наиболее перспективными и интенсивно развивающимися методами исследования динамических процессов и неоднородностей в мелководной среде стали акустические и сейсмоакустические. Причина этого в большей степени связана с быстрым развитием технических средств, вычислительной техники и методов математической обработки. Использование низкочастотных звуковых волн сделало возможным проведение комплексных исследований больших морских акваторий в непрерывном режиме. Сейсмоакустический мониторинг позволяет делать заключения о наличии тех или иных неоднородностей в водной среде, а также регистрировать различные динамические процессы в шельфовой океанической зоне.

С точки зрения волновой акустики, формирование звукового поля в зоне океанского шельфа определяется волноводом - поверхностью моря и поглощающим дном. Каждый конкретный волновод имеет множество специфических свойств и факторов, которые определяют некоторый набор закономерностей распространения звука в нем. Преобладающими факторами являются распределение по глубине скорости звука и геоакустические свойства дна. Все другие, например, случайные неоднородности и морские течения, оказывают на звуковое поле существенно меньшее влияние. Таким образом, перед проведением каких-либо экспериментальных и теоретических акустических исследований необходимо определить основополагающие факторы мелководной зоны. Обобщение, а также качественное и количественное описание последних находит свое выражение в такой научной категории, как геоакустическая модель дна. Основное место в формировании модели занимают экспериментально измеренные, экстраполированные и предсказанные количественные значения тех параметров дна, которые представляют интерес для подводной гидроакустики,

например скорость распространения звуковых волн в осадках, структура и мощность осадочных слоев, их плотность и т.п.

В общепринятом понимании геоакустическая модель описывает слой воды, осадочную толщу, состоящую из рыхлых и консолидированных осадочных отложений, твёрдый фундамент. Она имеет два уровня представления -качественный, описательный, и количественный, в котором все характеристики формализуются в виде пространственно-временных зависимостей, например, скорость звука в осадках представляется как функция координат глубины и места. Оба уровня диалектически связаны между собой. Знание качественного геологического состава осадков позволяет делать заключения о количественных значениях параметров модели. И наоборот, полученные акустическими или сейсмическими методами количественные значения параметров модели могут вносить свои коррективы в понимание процессов геологического формирования морского дна.

В заливе Посьета Японского моря расположен действующий гидрофизический полигон ТОЙ ДВО РАН, где активно проводятся гидроакустические исследования, в силу чего результаты гидрологических и геолого-геофизических работ необходимы для корректного решения задач распространения звука в мелком море.

Цель работы и основные задачи

Целью диссертации является построение цифровой геоакустической модели залива Посьета. Структурно цифровая модель состоит из массивов разнородных данных, позволяющих количественно описывать трехмерное пространственное распределение акустических свойств среды (дна океана, границы раздела и водного слоя), таких как плотность среды, поглощение, продольная и поперечная скорость звука в среде.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие экспериментальные, теоретические и методические задачи:

• Провести экспериментальные и теоретические исследования рельефа дна. Выявить и оценить параметры основных рельефообразующих факторов с

помощью двумерного сингулярного спектрального анализа (ССА) и разложения по вейвлетам Добеши. На базе ССА рельефа дна разработать методические основы гипсотомографии, позволяющей осуществить прогноз крупномасштабных структур дна океана.

Выполнить расчеты акустических характеристик осадков по данным гранулометрического состава проб рыхлых донных отложений на основе метода Гамильтона для всей акватории залива.

• Количественно описать геологические структуры в заливе - определить параметры и условия залегания осадочных слоев и скальных пород. Определить пространственное распределение акустических свойств геологической среды.

• Провести экспериментальные исследования и рассчитать пространственное распределение среднего за сезон поля скорости звука в водном слое залива в весенний, летний и осенний сезоны.

• По результатам математической обработки результатов низкочастотных гидроакустических экспериментов оценить степень достоверности предложенной цифровой геоакустической модели.

Методы исследования

В основу сформированной геоакустической модели исследуемого участка шельфа положены принципы, описанные Гамильтоном [174]. Поставленные задачи реализовывались с использованием двумерного сингулярного спектрального анализа (ССА) [169], разложения по вейвлетам Добеши [229] и разработанной методики определения акустических характеристик толщи осадков Гамильтоном [174, 179, 182].

Метод ССА входит в состав метода естественных (эмпирических) ортогональных функций (ЕОФ). Принцип ЕОФ состоит в «расщеплении» исходных полей данных на пространственные структуры максимальной вариации и «измерении» относительного вклада каждой структуры. Прямая связь между масштабами вариаций и энергетикой тектонических процессов определяет адекватность применяемого математического аппарата.

Метод разложения по вейвлетам Добеши используется для оценки достоверности пространственно-масштабной подобности поверхности дна. Картина вейвлет-коэффициентов отображает фрактальность, демонстрируя иерархическую структуру флуктуаций сигнала.

Распределение акустических характеристик на поверхности дна океана, сформированного рыхлыми осадками, по методу Гамильтона производится с помощью подбора соответствующих значений продольной скорости звука, затухания и плотности по данным гранулометрического состава пробы. Поперечная скорость звука в рыхлых осадках вычисляется по эмпирическим зависимостям от продольной скорости звука. Кроме того учитывается изменение упругих и акустических свойств рыхлых отложений с глубиной.

Исходные материалы

Объектом исследования является залив Посьета Японского моря. В основу диссертации положены материалы полевых и камеральных работ, выполненных автором в береговых и прибрежных экспедициях ТОЙ ДВО РАН на НИС «Малахит» и «Импульс» в период 2006-2012 гг. Проведен анализ уже имеющейся геолого-геофизической и океанологической информации из доступных литературных источников и океанографических баз данных. Выполнена реконструкция акустических свойств геологических сред исследуемого полигона на основе метода Гамильтона.

Личный вклад автора

Автор принимал участие во всех экспедиционных и полевых работах, экспериментальные материалы которых легли в основу диссертации.

В 2009-2010 гг. участвовал в батиметрических исследованиях на НИС «Малахит» по заливу Посьета и проводил обработку результатов измерений.

Участвовал в непрерывном сейсмоакустическом профилировании (НСП) в 2007 г. и в ходе сейсмических исследований методом общей глубинной точки (МОГТ) в 2009 г. совместно с лаб. «сейсмических исследований» ТОЙ ДВО РАН. Совместно с лаб. «морского рудообразования» ТОЙ ДВО РАН провел

геологическое опробование и лабораторный анализ проб донных отложений в заливе Посьета в 2007-2008 гг.

В 2007-2011 гг. принимал непосредственное участие в многочисленных натурных гидрологических работах в составе лаб. «статистической гидроакустики» ТОЙ ДВО РАН, проведенных на акватории залива Посьета и в открытой части залива Петра Великого. Гидрологические работы включали фоновую гидрологическую съемку, часовые измерения в нескольких точках и суточные измерения в одной точке, а также единичные реализации вдоль профиля.

С 2006 по 2012 гг., в составе лаб. «статистической гидроакустики» ТОЙ ДВО РАН, участвовал во всех гидроакустических экспериментах по исследованию распространения низкочастотных сигналов в заливе Посьета. В течение летнего периода 2008 г. принимал участие в геоакустических исследованиях с применением разработанного устройства для профилирования донных отложений, его доработки и интерпретации данных, полученных в результате исследований.

Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором, либо на равных правах с соавторами публикаций.

Научная новизна

Геоакустическая модель на основе метода Гамильтона на акватории залива Посьета построена впервые. Ранее методы многомерных естественных ортогональных функций к исследованию геоморфологии исследуемого района не применялись. Описание водной толщи в геоакустической модели на основе статистических данных за несколько лет по разным сезонам систематизирована и опубликовано в научных статьях впервые, также как и статистика глубины расположения термоклина в водной толще по сезонам. Полученная геоакустическая модель является исключительно необходимым инструментом для проведения экспериментальных и теоретических гидроакустических и сейсмоакустических исследований в прибрежной зоне Японского моря.

Практическая значимость

По результатам геолого-геофизических, гидрологических и гидроакустических работ и анализа имеющейся литературы автором построена детальная цифровая геоакустическая модель исследуемого полигона в заливе Посьета Японского моря. Модель является базисом к решению фундаментальных задач изучения распространения низкочастотного акустического сигнала на шельфе. В диссертации представлены результаты апробации геоакустической модели залива на гидроакустических экспериментальных исследованиях.

Работа выполнялась в рамках ряда федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (проекты: «Динамические особенности морских волновых полей инфразвукового диапазона» и «Динамика и трансформация морских ветровых волн»).

Защищаемые положения:

1. Цифровая модель рельефа залива Посьета, ее сингулярный спектральный анализ, разложение по вейвлетам Добеши и результаты гипсотомографии.

2. Цифровая модель акустических свойств толщи осадков и скальных пород на шельфе залива Посьета (плотность среды, поглощение, продольная и поперечная скорость звука в среде).

3. Особенности крупномасштабной пространственно-временной структуры поля скорости звука в водном слое.

4. Результаты геоакустической инверсии. Публикации и апробация работы

По теме диссертации опубликованы 26 работ, в том числе 5 статьей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК. В рамках диссертационной работы получен 1 патент на полезную модель и 1 патент на программу.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на ряде совещаний, форумов, конференций, в том числе: на молодежных конференциях ТОЙ ДВО РАН (г. Владивосток, 2007-2011 гг.), на Всероссийском симпозиуме «Физика геосфер» (г. Владивосток, 2007-2011 гг.), на региональной конференции молодых

ученых «Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России» (г. Владивосток, 2008 г.), на Всероссийской конференции РАО (г. Москва, 2008-2011 гг.), на школе-семинаре им. академика JI.M. Бреховских «Акустика океана» (г. Москва, 2009 и 2011 гг.), на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "ГЕОЛОГИ XXI ВЕКА" (г. Саратов, 2008-2009 гг.), а также на семинарах ТОЙ ДВО РАН.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 166 страницах, содержит 44 рисунка, 5 таблиц, 3 приложения и список литературы из 242 наименований. Благодарности

Работа выполнена в ТОЙ ДВО РАН под научным руководством д.ф.-м.н. Ярощука И.О., которому автор выражает свою искреннюю благодарность. Диссертант признателен за обсуждение и конструктивную критику научному консультанту д.г.-м.н. Деркачеву А.Н., а также благодарит за помощь член. кор. РАН д.ф.-м.н. Долгих Г.И., д.ф.-м.н. Кошеля К.В., д.г.-м.н. Астахова A.C., д.г.-м.н. Кулинича Р.Г., д.ф.-м.н. Рутенко А.Н., д.г.н. Лучина В.А., к.г.-м.н. Карнауха В.Н. Кроме того, диссертант благодрит к.г.-м.н. Терехова Е.П. и к.г.-м.н. Мельниченко Ю.И. за консультации в области геологии и геоморфологии. Всем коллегам автор выражает искреннюю признательность за поддержку и помощь.

ГЛАВА 1. ГЕОАКУСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Геоакустическое моделирование (в широком смысле) - это выбор методов и подходов, получение необходимых натурных данных (батиметрия, сейсмопрофилирование, литологическое опробование, бурение и проч.) и создание модели распределения акустических параметров для конкретной области морского дна и водного слоя [23]. В первом параграфе главы рассматривается современное представление о геоакустической модели, описаны используемые в мировой практике методы создания геоакустической модели. Описано применение геоакустической модели в крупных гидроакустических экспериментах, с применением низкочастотных излучающих систем. Выполнено обоснование выбора полигона, на котором построена геоакустическая модель. Представлено географическое описание исследуемого региона.

1.1. Методы и подходы

Наиболее перспективным и интенсивно развивающимся в последние годы направлением исследования динамических процессов и неоднородностей в мелководной среде стали акустические и сейсмоакустические методы. С точки зрения волновой акустики, формирование звукового поля в зоне океанского шельфа определяется волноводом - поверхностью моря и поглощающим дном. Каждый конкретный волновод имеет множество специфических свойств и факторов, которые определяют некоторый набор закономерностей распространения звука в нем. Важно отметить, что влияние параметров осадочной толщи на распространение звука увеличивается с уменьшением используемой частоты [143]. Преобладающими из всех этих факторов являются распределение по глубин�