Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методов и программных средств акустического зондирования водной толщи и дна океана в зонах разгрузки метана

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов и программных средств акустического зондирования водной толщи и дна океана в зонах разгрузки метана"

На правах рукописи

Черных Денис Вячеславович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВОДНОЙ ТОЛЩИ И ДНА ОКЕАНА В ЗОНАХ РАЗГРУЗКИ МЕТАНА

25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0 НОЯ 2014

Москва 2014

005555575

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук и в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследовательском Томском политехническом университете. Научный руководитель: Александр Сергеевич Саломатин

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией Акустической океанографии.

Официальные оппоненты: Сергей Павлович Тарасов

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ЭГА и МТ, Южного федерального Университета, г. Таганрок, Ростовская область. Сергей Юрьевич Соколов

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Лаборатория геоморфологии и тектоники дна океанов, Федерального государственного бюджетного учреждения науки Геологического института Российской академии наук, г. Москва. Ведущая организация: Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу

окружающей среды. Федеральное государственное бюджетное учреждение Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт - Петербург.

Защита диссертации состоится 23 декабря 2014 года в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.239.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский пр. 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский пр. 36. и на сайте института http://www.ocean.ru/disser/

Автореферат разослан «10» ноября 2014 г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, в 2-х экземплярах направлять по адресу: 117997, Москва, Нахимовский проспект 36, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, ученому секретарю диссертационного совета Хусид Т.А.

Ученый секретарь диссертационно го совета Д 002.239.03

кандидат биологических наук Т.А. Хусид

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и новизна. Количественная оценка потоков метана в водной толще Мирового океана представляет собой актуальную задачу современной науки, которая не была решена до настоящего времени. Актуальность решения этой задачи включает несколько аспектов: климатический, экологический и экономический аспекты. Принято считать, что климатическая роль Мирового океана в формировании бюджета атмосферного метана невелика, так как метан, поступающий в водную толщу из донных резервуаров (современный биологический источник, гидраты, угольные и нефтегазовые месторождения, глубинный флюид), окисляется метанотрофными бактериями и не достигает атмосферы (IPCC, 2001, 2007; Лейн и Иванов, 2013; Reeburgh, 2007). Исключением является мелководный арктический шельф, который является коллектором гигантского углеводородного потенциала, запасы которого только на Восточно-Сибирском шельфе (ВСШ) соизмеримы с Персидским заливом или даже превышают его (Соловьев и др., 1987; Gramberg et al., 2003; Gautier et al. 2009). Согласно последним результатам, роль ВСШ в эмиссии метана в атмосферу соизмерима или превышает выбросы метана из всего Мирового океана, что вероятно обусловлено деградацией подводной мерзлоты и дестабилизацией нижезалегающих гидратов (Shakhova et al., 2010, 2014), что потенциально может привести к трудноучитываемым климатическим изменениям (Сергиенко и др., 2011). В экологическом аспекте, массированные выбросы метана в водную толщу и его последующее окисление до углекислого газа может привести к асидификации вод, что проявляется в понижении величины рН и низким значениям степени насыщения вод арагонитом (АМАР, 2013; SWIPA, 2012; Semiletov et al., 2012). Подкисление морской воды вызывает серьезные экологические последствия, связанные с растворением раковин и скелетов кальций -зависимых организмов, ослабление их иммунной системы и снижением численности их популяции (1РСС, 2007). Экономический аспект связан с перспективами добычи колоссальных запасов природных углеводородов в форме нефти, природного газа и газогидратов из донных отложений арктических морей и Охотского моря.

Исходя из вышеизложенного становится очевидным, что для эффективной разведки запасов океанических газогидратов существует необходимость выполнения широкомасштабных разведочных работ, одним из важных аспектов которых является выявление областей разгрузки метана со дна Мирового океана в водную толщу-атмосферу и оценка мощности этой разгрузки.

До настоящего времени, методы оценки пузырькового переноса метана со дна Мирового океана включали методы качественной, полу-количественной оценки и количе-

ственной оценки, основанной на использовании моделей газо-переноса единичными всплывающими пузырьками. Использование последнего метода получило довольно широкое распространение (Артемов и др. 2007, Муякшин и др. 2010, 2012, Гранин и др. 2012, Саломатин и др. 2010), однако точность методов ограничена необходимостью получения большого массива данных (размеры всплывающих пузырьков, плотность пузырьков на единицу площади, скорости всплытия и т.д.), что дополнительно осложняется высокой пространственно-временной изменчивостью этих параметров. Поэтому, моделирование осуществляется с помощью ряда принятых допущений, варьирование которых может изменить величины потоков на порядки. В данных условиях, разработка технических методов и средств их программного сопровождения, позволяющих экономически - эффективно и за небольшое время выполнять оценку потоков метана в водную толщу на больших акваториях, в то же время, обеспечивая приемлемую точность расчетов, является неотложной задачей современной гидроакустической науки. Эта задача является особенно актуальной для Арктического шельфа РФ, где, предположительно, хранятся огромные запасы природных углеводородов («Арктический супер пул углерода», СтатЬе^ 1983).

Целью диссертационной работы является разработка и апробация в натурных условиях акустических методов и программных средств зондирования водной толщи и дна океана для количественной оценки пузырьковой эмиссии метана из донных отложений в водную толщу и атмосферу. Основные задачи:

1. Разработать метод количественной акустической экспресс оценки потока метана в водную толщу и атмосферу, применимый в условиях мелководного арктического шельфа;

2. Разработать метод расчета по данным акустического зондирования профиля концентрации растворенного в воде метана для глубоководных зон его пузырьковой разгрузки;

3. Разработать метод увеличения точности позиционирования источников пузырьковой разгрузки метана на морском дне;

4. Разработать программное обеспечение и технические средства, позволяющие реализовать вышеперечисленные методы;

5. Провести экспериментальное апробирование разработанных методов в морях Дальнего Востока и российского сектора Арктики.

Защищаемые положения:

1. Разработан и реализован в морях Восточной Арктики метод количественной экспресс оценки пузырькового потока метана с помощью однолучевых и многолучевых эхолотов.

2. Разработан и реализован метод количественной акустической оценки профиля концентрации растворенного в водной толще метана.

3. Разработан и реализован метод увеличения точности позиционирования источников пузырьковой разгрузки метана на морском дне.

Достоверность результатов была обеспечена путем использования комплекса современного гидроакустического оборудования. Для акустического зондирования водной толщи и дна океана были использованы современные гидроакустические устройства: научный эхолот Simrad ЕК15 (Норвегия), многолучевой эхолот Imagenex Delta-T (Канада), а также модернизированные судовые гидролокаторы Сарган-ГМ (Россия), судовые эхолоты Сарган-ЭМ (Россия) и ELAC (Германия) и переносной, портативный комплекс Furuno (Япония), разработанный на базе двухчастотного рыбопоискового эхолота. Полученные выводы основаны на результатах математической и графической обработки данных, выполненной с использованием современных пакетов программ, применяемых в мировой научной практике (MatLab, Surfer и др.)

Практическая значимость. Результаты диссертационной работы могут быть применены для проведения широкомасштабных исследований по обнаружению зон пузырьковой разгрузки метана в различных акваториях Мирового океана, выполнения оценки потоков метана из зон его пузырьковой разгрузки на различных глубинах, а для глубоководных зон определения скорости течения и профиля концентрации растворенного в воде метана. Разработанная база данных «Газовые факелы Охотского моря», содержащая сведения о более чем 1500 регистраций газовых факелов может быть использована в качестве базовой информации для выполнения разведки и добычи энергоресурсов морей Дальнего Востока и Восточной Арктики в соответствии с планом материально-технического развития РФ до 2020 г. На разработанное программное обеспечение получены четыре Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ (№2010620232, №2012610848, №2010610722, №2013611055). Получено авторское свидетельство патента на полезную модель № 2014106401 «Стенд для исследования образования и разложения газогидратов». В результате проведенной работы было получено три акта о внедрении методов в суровых условиях МВА.

Полученные результаты стали важной составной частью реализации этапов пяти научно исследовательских работ, выполненных при прямом участии диссертанта в экспериментальных, теоретических, и натурных исследованиях.

5

Результаты настоящего исследования были получены п широко использовались при выполнении следующих грантов: Грант правительства России №2013-220-04157; Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ) №09-05-00709-а; РФФИ №11-05-12026-офи-м; РФФИ №13-05-12038; РФФИ №13-05-12028; РФФИ №1305-12041; ДВО РАН №14-Ш-В-07-025; ДВО РАН №09-111-А-07-331; ДВО РАН №12-111-А-07-131;

Фактический материал и личный вклад. Для достижения цели путем реализации вышеперечисленных задач автор лично участвовал в создании акустических комплексов и разработке оригинальных методов количественной оценки потока метана, организовывал и выполнял отдельные натуральные эксперименты, внес основной или решающий вклад в обработку экспериментальных данных. В период с 2011 по 2014 годы автором в девяти международных морских экспедициях было проведено экспериментальное апробирование разработанных методов в зонах пузырьковой разгрузки метана в морях Дальнего Востока (Охотское море) и российского сектора Арктики (МВА).

Разработанные методы были внедрены автором в четырех летних международных экспедициях, включая 45 суточную экспедицию в МВА на НИС Академик М.А. Лаврентьев, 37 суточную - на НИС Виктор Буйницкий и двух зимних ледовых экспедициях, выполненных в юго-восточной части моря Лаптевых.

Для повышения квалификации по теме исследований автор прошел стажировки в ведущих иностранных исследовательских центрах по теме исследований (University of California Santa Barbara, USA и Stockholm University, Sweden). Научные результаты, связанные с изучением особенностей обратного рассеяния на шельфе Арктики, получены при решающем вкладе автора. Все защищаемые научные положения получены при решающем или основном вкладе автора.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано двадцать девять работ, в том числе шесть публикаций в журналах, входящих в список ВАК. Результаты работы докладывались на восемнадцати российских и международных конференциях.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и двух приложений. Общий объем работы составляет 167 страниц, в том числе 61 рисунок и 5 таблиц. Список литературных источников содержит 162 наименования.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю заведующему лабораторией «Акустической океанографии» к.ф.-м.н. А. С. Сапоматину за многолетнюю, всестороннюю поддержку и помощь при написании работы; к.ф.-м.н. В. И. Юсупову за помощь в обработке гидроакустических данных; заведующему

лабораторией «Арктических исследований» д.г.-м.н. И. П. Семилетову, д.г.-м.н. Н. Е. Шаховой и к.г.-м.н. О. В. Дудареву за предоставленную возможность участия в морских экспедициях, моральную поддержку, как в ходе этих работ, так и в процессе работы над диссертацией, и огромное число практических советов; д. г.-м.г. A.B. Хортову за поддержку при подготовке работы и практические советы в оформлении; командам научно - исследовательских судов «Академик М.А. Лаврентьев», «Виктор Буйницкий», «Oden» за активный вклад в реализацию гидроакустических и геофизических экспериментов; персоналу Тиксинской гидробазы за помощь в проведении ледовых буровых экспедиций и логистических операций в ходе проведения данных экспедиций; сотрудникам лаборатории «Акустической океанографии» ТОЙ ДВО РАН; сотрудникам лаборатории «Арктических исследований» ТОЙ ДВО РАН; сотрудникам лаборатории «Сейсмостратиграфии» ИО РАН; профессору Университета Калифорнии Айре Лайффу. Особую благодарность автор выражает всем членам своей семьи и друзьям за бесцеш^ю моральную поддержку во время написания работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и основные задачи исследования, раскрыта научная новизна, практическая значимость полученных результатов, их достоверность и обосноиа'шость, сформулированы положения, выносимые на защиту, описан личный вклад автора.

Первая глава посвящена метода акустического зондирования водной толщи и дна океана в зонах пузырьковой разгрузки метана. В первом параграфе приведен обзор современных методов оценки потока метана от зон его пузырьковой разгрузки. Показано что, если отдельные пузырьки в газовом факеле (ГФ) не различаются, то большинство авторов (Саломатин и др. 2011, Муякшин и др. 2010, 2012) тем или иным способом используют следующую зависимость между потоком и сечением обратного рассеяния:

F = p-K-(Tbs, (1)

где р — плотность газа в пузырьках на горизонте измерения, от» - сечение обратного рассеяния, вызванного пузырьками, К - сложная функция большого количества параметров, таких как функции распределения пузырьков по размерам, форме, скоростям всплытия, частоты зондирования, состояния поверхности пузырьков, глубины, акустических свойств пузырьков и др. (Муякшин, 2010,2012; Саломатин, 2Ь10).

Во втором параграфе описан метод количественной акустической экспресс оценки пузырькового потока метана в условиях мелководного шельфа.

Коэффициент К. входящий в выражение (1) является сложной функцией большого количества параметров. В большинстве случаев многие из этих параметров не известны. Поэтому возникает потребность в методе экспресс оценки потока метана при неизвестных распределениях и других свойствах пузырьков. Предлагаемый метод основан на экспериментальном определении коэффициента К в условиях максимально приближенных к условиям натурных измерений и позволяет избежать перечисленных выше трудностей. Достаточно провести калибровочные измерения зависимости сечения обратного рассеяния всплывающих пузырьков от величины потока газа.

При калибровке, например, научного эхолота 8тгас1 ЕК15 измерения проводились на частоте 200 кГц. диаметр выходящих из сопла пузырьков, определенный по данным прямых оптических наблюдений с помощью видеокамеры, лежал в диапазоне 3-12 мм. При таких размерах пузырьков рабочая частота эхолота много выше их резонансной частоты. что удовлетворяет условию, необходимому для проведения калибровки. На рисунке 1 представлены эхограммы. полученные для потоков газа 1,6 л/мин (рис. 1а) и 76,2 л/мин (рис. 16). Видно, что при увеличении потока газа уровень обратного рассеяния возрастает. Однако из-за сильного приповерхностного течения всплывающие пузырьки на глубинах меньших 12 - 15 м выносились из диаграммы направленности акустического преобразователя и поэтому не регистрировались.

Рис. 1. Эхограммы с заданными потоками газа: а - 1.6 л/мин. б - 76.2 л/мин По результатам калибровочного эксперимента была построена кривая зависимости сечения объемного обратного рассеяния для 200 кГц от потока газа, приведенная на рисунке 2. Каждая точка построена путем усреднения по интервалу времени 7 мин.

Поток газа, ммоль/м /с О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

О О

-50

-60

20 40 60

Поток газа, л/ми н

80

Рис. 2. График зависимости сечения объемного обратного рассеяния звука от потока газа, переносимого всплывающими пузырьками для частоты 200 кГц

На верхней оси приведены значения потока газа в ммоль/м2/с. Полученная калибровочная кривая устанавливает связь между сечением объемного обратного рассеяния и потоком метана с одного квадратного метра. Замечательно, что экспериментальные точки, показанные на рисунке 2 в логарифмическом масштабе по оси ординат, в линейном масштабе хорошо ложатся на одну прямую, проходящую через начало координат. Это подтверждает обоснованность используемого выражения (1) для широкого диапазона потоков газа.

В третьем параграфе изложен метод количественной акустической оценки профиля концентрации растворенного в водной толще метана. Профиль концентрации растворенного в водной толще метана, определяется механизмами его переноса, характеристиками течений, а также источников и стоков метана. Для расчёта концентрации растворенного метана в водной толще была использована следующая модель (Саломатин, 2014; Юсупов, 2011).

Пусть в горизонтальный слой воды единичной толщины, двигающийся с постоянной скоростью V и находящийся на высоте И над горизонтальной поверхностью, обширной зоне пузырьковой разгрузки метана на дне, поступает метан с постоянным по всей зоне потоком в воду с единицы площади Г5(И) (Саломатин и др., 2014). В этом случае концентрация метана С(Ъ) в этом слое воды над зоной пузырьковой разгрузки метана в направлении течения будет линейно возрастать:

К5(/гН

Ш =

V

(2)

где Ь - расстояние от края области разгрузки вдоль направления течения до места измерения. Таким образом, для определения искомого профиля концентрации метана нужно

9

предварительно найти профиль потока метана Fs(h), поступающего в единицу водного столба, и скорость глубоководных течений.

Традиционные методы измерения профиля потока метана, основанные на установке специальных ловушек газа (Walter К.М et al 2006) или оптическом наблюдении за всплывающими пузырьками (Blanchard D.C., 1957), оценивают поток по суммарному объему пузырьков, пересекающих горизонтальную плоскость в единицу времени (поток метана вверх). Однако для построения профиля растворенного в воде метана требуется знание не потока метана вверх, связанного с вертикальным переносом метана всплывающими пузырьками, а потока метана в воду, связанного с растворением пузырьков. Поток метана в воду можно определить, взяв производную по глубине от профиля потока метана вверх. Построение такого профиля путем постановки ловушек или оптического наблюдения требует проведения серии измерений на различных глубинах, что на практике оказывается чрезвычайно трудозатраты и потому малопригодным. В работе (Саломатин и др., 2014) показано, что искомый профиль потока метана в воду можно оценить с помощью акустического зондирования без применения процедуры дифференцирования и при неизвестных распределениях пузырьков по размерам и скоростям всплытия. Метод основан на измерении профиля сечения обратного рассеяния звука (ОРЗ) от ГФ на частотах выше резонансной частоты пузырьков, образующих ГФ, и оценке по этим данным профиля суммарной поверхности пузырьков и далее искомого профиля потока метана в воду:

где а - сечение ОРЗ от столба ГФ единичной высоты, - скорость уменьшения радиуса пузырька из-за диффузии, Ум - молярный объем газа на данном горизонте. То есть, для определения потока метана в воду достаточно акустических измерений и литературных данных о величине у</, которая в зоне стабильности газогидрата метана лежит в диапазоне 1 -г- 6 мкм/с. Таким образом, с учетом (2) и (3) искомый профиль концентрации метана С(И) в водной толще над обширной зоной пузырьковой разгрузки метана в виде многочисленных ГФ будет определяться выражением:

где I. - расстояние от края области разгрузки вдоль направления течения до места измерения, <т(/г). - усредненный по всем ГФ профиль сечения ОРЗ, /л - количество глубоководных ГФ на единице площади морского дна.

(3)

с (h) =^vrf-iT(7i)-/A

(4)

Описанный во втором параграфе метод позволяет рассчитать придонные концентрации метана с помощью выражения (4) непосредственно по акустическим измерениям при неизвестных скоростях всплытия пузырьков и неизвестном их распределении по размерам (Саломатин и др. 2014).

В четвертом параграфе приведен метод увеличения точности позиционирования источников газовых пузырьков на морском дне, основанный на модели глубоководного ГФ:

• источник пузырьков является точечным (много меньше размера озвученной эхолотом или гидролокатором зоны);

• скорости всплытия пузырьков Уп постоянны и равны;

• скорость и направление течения от дна до глубины максимума эхосигнала от ГФ Ут постоянны;

• скорость и направление движения судна постоянны.

Поскольку скорости Уп и Ут постоянны, пузырьки выстраиваются в водной толще в линию с углом наклона а = аг^(Ут/Уп). Видимый угол наклона /? оси ГФ, линии локальных максимумов для каждой глубины, изменяется от а при движении судна вдоль факела до нуля при движении поперек его. Данная зависимость описывается выражением:

ад(Ю = соб(У) ■ ад(а) (5)

где у — угол между курсом судна и направлением течения.

Замечательно, что если максимум рассеяния от ГФ лежит выше дна, то в этот момент судно находится точно над ГФ, ось эхолота пересекает ГФ на глубине этого максимума, а вертикальный размер области ГФ на эхограмме в этот момент связан с углом наклона ГФ на данной глубине а выражением:

I = — Д2 = к • 5т(а)[со5ес(а — <р0) — сохес(а + <Ро)] (6)

где И - глубина максимума рассеяния от ГФ, <ря - полуширина диаграммы направленности эхолота по уровню 0,7, Л - вертикальный размер ГФ по уровню 0,7.

Таким образом, реальный угол наклона ГФ можно определить по вертикальному размеру области ГФ на эхограмме в момент пересечения ГФ, а угол между направлением течения и курсом судна (с точностью до знака) - по реальному и видимому на эхограмме углам наклона ГФ. В качестве возможного положения источника ГФ на дне получим две точки расположенные симметрично относительно курса судна. Выбор точки, соответствующей реальному положению источника, можно сделать, зная генеральное направление течения в данном районе.

На основе этого метода по результатам гидроакустической съемки глубоководных ГФ можно оценить и поле глубоководного течения.

Вторая глава посвящена описанию аппаратуры и разработанных программных средств акустического зондирования водной толщи и дна океана в зонах пузырьковой разгрузки метана.

В первом параграфе приводиться описание аппаратуры, с помощью которой были получены данные об уровнях обратного рассеяния звука. Основной объем данных был собран с помощью трехчастотного стационарного комплекса, установленного на НИС «Академик М.А. Лаврентьев» (рис. 3). двухчастотного портативного комплекса «Гигипо» (рис. 3). научного эхолота 5нпгас1 ЕК15. многолучевого эхолота 1та§епех Оека-Т и подводного телеуправляемого осмотрового комплекса «ГНОМ».

Рис. 3. Конфигурация гидроакустических комплексов НИС «Академик М.А. Лаврентьев»

и «Ригипо» в разных режимах

Основу комплекса, установленного на НИС «Академик М.А. Лаврентьев», составляют модернизированные эхолоты ЕЬАС (Германия) и Сарган - ЭМ (Россия) и гидролокаторы Сарган - ГМ. Используемый комплекс позволяет проводить сбор данных об уровнях ОРЗ одновременно на частотах 12. 19.7 и 135 кГц (рис. 3). На рисунке 4 представлен пример эхограммы ГФ на частотах 20 и 135 кГц.

Рис. 4. Эхограммы ГФ. полученные одновременно на частотах 20 и 135 кГц

Однолучевой мобильный научный эхолот Зтгас! ЕК15 применялся для получения информации об уровнях ОРЗ в море Лаптевых и примыкающей к нему лагуне, а так же в реке Анадырь и ее лимане. Данная система основана на небольшой, однолучевой приемопередающей антенне и системе обработки принятой информации об уровнях ОРЗ.

Второй параграф посвящен разработанным в ходе выполнения диссертационной работы программам. Программа определения суммарной ширины диаграммы направленности эхолотов и гидролокаторов необходима для определения суммарной ширины луча Ч'д, основной характеристики гидроакустической аппаратуры, необходимой для успешного применения предлагаемого экспресс метода определения потока метана, переносимого всплывающими пузырями с единицы площади, а также для определения плотности источников ГФ на морском дне. Для решения данной задачи был использован метод, основанный на регистрации сигнала ОРЗ в водной толще от одиночной цели при прохождении судна над ней с постоянной скоростью и неизменным курсом. В нашем случае за сигнал от одиночной цели были приняты сигналы ОРЗ от одиночных рыб.

Суммарная ширина луча (Ч'р) определялась по эффективной ширине озвученной зоны (£>) в предположении осевой симметричности диаграммы направленности по форму-

Фп =

4Н2

(7)

где D = t*Vc = N*P*Vc, И -глубина одиночной цели, / - эффективное время (с), в течение которого регистрировалась одиночная цель, N - эффективное число посылок, Р - период посылок (с-1), V,- - скорость движения судна.

С помощью разработанной программы были определены суммарные ширины лучей всех используемых гидроакустических устройств. В частности, суммарная ширина луча научного эхолота 81шгас1 ЕК15 составила 0,062 ± 0.004 стерадиан.

При проведении оценки потока метана из зон его пузырьковой разгрузки помехи от стороннего гидроакустического оборудования вносили сильный вклад в интегральный сигнал, что приводило к некорректным результатам оценки. Для проведения корректной оценки потока метана была разработана программа фильтрации акустических помех, вызванных работой стороннего гидроакустического оборудования. Суть работы данной программы заключалась в выделении сигнала от сторонних гидроакустических приборов в принятом акустическом сигнале с последующей заменой помехи на близлежащие фоновые значения.

Данная программа хорошо показала себя как при фильтрации эхосигнала при чистой (без пузырьков) водной толще, так и при фильтрации эхосигнала. содержащего гидроакустические аномалии в виде ГФ. На рисунке 5 показаны эхограммы зашумленного сигнала до и после обработки. Разработанная программа фильтрации акустических помех, вызванных работой стороннего гидроакустического оборудования, может эффективно использоваться для широкого класса стороннего оборудования после небольшой адаптации к особенностям излучаемых этим оборудованием сигналов.

Расстояние, ч

Рис. 5. Примеры эхограмм на полном ходу судна с помехами (вверху) и после устранения помех с помощью программы фильтрации акустических помех (внизу)

14

Программа расчета координат газовых «Факелов», зарегистрированных гидролокатором предназначена для вычисления координат источника газового факела. Исходя из угла наклона гидролокатора к вертикали, курса судна и глубины моря в момент регистрации ГФ. разработанная программа, вычисляет расстояние от судна до источника ГФ на дне. Рассчитанная величина раскладывается на составляющие по широте и долготе и переводится в градусную форму. Полученные значения прибавляются к координатам судна в момент регистрации ГФ. Таким образом, определяются реальные координаты источника ГФ (рис. 6).

Рис. 6. Сопоставление исходных и расчетных координат источника ГФ с данными гидролокатора бокового обзора. Черным квадратом указано местоположение научно-исследовательского судна в момент регистрации ГФ. черным кружком обозначено расчетное местоположение источника ГФ

Программа «ЕхоУ1е\уег» используется для загрузки и последующей обработки акустических данных, полученных с помощью многоканального акустического комплекса. Применение программы позволяет получить сравнительные оценки концентрации всплывающих с морского дна пузырьков, содержащих газовую смесь, в состав которой входит метан. Полученные результаты были использованы при подготовке публикаций (Черных и др., 2013; 8ЬакЬоуа й а1., 2014).

Программа «Галс» используя массив данных о траектории движения судна и значение ширины диаграммы направленности излучателей, производит вычисление озвученной площади. Использование данного программного средства позволило по данным экспедиции 201 1 г, позволило определить количественное распределение ГФ в море Лапте-

вых, оценить количество ГФ на исследованном полигоне и средний поток газа от данной области (Сергиенко и др., 2012).

В третьей главе дано описание результатов натурных исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы. Показаны примеры практического применения разработанных методов и программных средств акустического зондирования водной толщи и морского дна в зонах пузырьковой разгрузки метана.

В первом параграфе предоставлена верификация метода акустической оценки концентрации метана в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки. Апробация данного метода была проведена на основе данных, полученных в Охотском море на полигоне с площадью 14000 км2, расположенном у северо-восточного склона о. Сахалин (рис. 7а). Данный полигон содержит подавляющее большинство известных ГФ Охотского моря (Акуличев и др., 2014; Саломатин и др., 2010, 2014).

Latitude. Е Latitude. Е

Рис. 7. Районы исследовательских работ. Карта пространственного распределения газовых факелов в Охотском море (а) и в море Лаптевых (б)

Используя разработанный метод, для данного полигона были получены зависимости концентрации метана в морской воде от высоты над дном (рис. 8, кривые 2 и 3).

Высота над дном, м

Рис. 8. Кривые, отображающие зависимость измеренной (1) и рассчитанных по данным ОРЗ для 12 (2) и 20 кГц (3) концентрации метана в морской воде от высоты над

дном

Сравнение кривых, представленных на рисунке 8. позволило сделать вывод о хорошем соответствии между расчетными и измеренными профилями, как по величине, так и по форме, что подтверждает приемлемую точность предложенного акустического метода и справедливость гипотезы о преобладающей роли пузырькового транспорта в формировании в придонной водной толще повышенной концентрации растворенного метана.

Второй параграф содержит описание базы данных «Газовые факелы Охотского моря» (БД), предназначенную для хранения, обработки, систематизации и анализа акустической и другой сопутствующей информации о ГФ. обнаруженных в Охотском море (Черных, 2010, 2011). В БД содержатся результаты дистанционного акустического зондирования десяти экспедиций в Охотское море на ПИ С «Академик М.А. Лаврентьев», всего 1500 записей ГФ. БД позволяет оперативно получить данные об их пространственном распределении и временной изменчивости.

В третьем параграфе предоставлены характеристики ГФ. обнаруженных в северной части моря Лаптевых. Площадь района исследований составила 15000 км2. В данном районе в диапазоне глубин от 50 до 165 метров было зарегистрировано более 100 ГФ. Более 70% ГФ были обнаружены в интервале глубин от 50 до 90 метров. На рисунке 76 представлена карта пространственного распределения ГФ в море Лаптевых (Сергиенко и др. 2012).

В четвертом параграфе с помощью разработанного метода количественной экспресс оценки потока метана проведена оценка потоков метана с припайного льда на мелководном Восточно-Сибирском шельфе (Черных, 2014). В ходе данной работы в течение 37 ч было зарегистрировано три периода повышенной активности (длительностью от 5 до 15

мин), в течение которых наблюдалось 63 кратковременных выброса газовых пузырьков из морского дна с регистрацией их всплытия в водной толще (рис. 9). Поток метана в моменты кратковременных выбросов пузырьков из дна достигал 4,4 мл/м2-с"', при средней величине потока в эти моменты 0,3 мл/м2 с-1 (Черных, 2013).

Результаты исследования позволили сделать вывод о пригодности дистанционного акустического метода, основанного на калибровке гидроакустического оборудова-

ния, для количественной оценки потока метана (Черных и др., 2013).

щ ш

ШШ. i ft J

Рис. 9. Эхограммы всплывающих пузырьков, обнаруженных в исследуемой области

В пятом параграфе представлена оценка потока метана с помощью многолучевого эхолота Imagenex Delta-T. Оценка проводилась по данным, полученным в 2009 году во время экспедиции вблизи дельты реки Лена. Средний поток метана в исследованном районе составил 290 мг/м2/д. При проведении оценки учитывался размер пузырьков, скорость их всплытия и количество пузырьков, участвующих в рассеянии (Shakhova et al., 2014).

В шестом параграфе рассматривается оценка потока метана из областей его пузырьковой разгрузки по данным научного эхолота Simrad ЕК15 с помощью разработанного метода экспресс оценки потока метана.

В седьмом параграфе приведено сравнение акустических оценок потока метана, полученных с помощью научного эхолота Simrad ЕК15 и многолучевого эхолота Imagenex Delta - Т. По данным об уровнях ОРЗ, полученных с помощью многолучевого и однолуче-вого эхолотов от одной и той же зоны пузырьковой разгрузки метана (рис. 10) была проведена оценка потока, среднее значение которого для Simrad ЕК15 составило 1,3 ммоль/м2/с, а для Imagenex Delta-T 1.8 ммоль/м2/с.

Рис. 10. Примеры зон пузырьковой разгрузки метана с оценкой их потока, обнаруженных в глубоководной части моря Лаптевых с помощью научного эхолота Бтгас! ЕК15 (а) и многолучевого эхолота 1п^епех Оека-Т (б).

В заключении приводятся основные результаты исследования:

1. Разработан и реализован метод количественной экспресс оценки пузырькового потока метана в зонах его разгрузки с помощью однолучевых и многолучевых эхолотов. Метод широко использовался в ходе девяти международных комплексных экспедиций в морях Российского сектора Арктики и позволил провести оценку потоков метана от зон его пузырьковой разгрузки, обнаруженных в море Лаптевых. Акустические измерения проводились как с борта судна, так и с поверхности припайного льда с помощью однолучевых и многолучевых эхолотов.

2. Разработан и реализован метод количественной акустической оценки профиля концентрации растворенного в водной толще метана. Апробация данного метода была проведена на основе данных, полученных в Охотском море на полигоне с площадью 14000 км2, расположенном у северо-восточного склона о. Сахалин. Профиль концентрации метана в водной толще рассчитывался на основе акустических данных, полученных на полигоне с помощью многочастотного стационарного комплекса, основу которого составляют эхолоты ЕЬАС и Сарган-ЭМ.

Верификация метода проводилась на основании сравнений рассчитанных по акустическим данным профилей с данными прямых измерений профиля концентрации метана в водной толще путем отбора на станциях проб воды на заданных горизонтах с последующим газохроматографическим анализом на борту судна.

Сравнение полученного профиля концентрации метана с результатами прямых измерений показало хорошее количественное и качественное соответствие, что подтверждает приемлемую точность предложенного акустического метода и указывает на преобладающую роль пузырькового транспорта в формировании области повышенной концентрации растворенного метана в водной толще в зонах его пузырьковой разгрузки. 3. Разработан и реализован метод увеличения точности позиционирования зон пузырьковой разгрузки метана на морском дне. Метод основан на определении угла наклона оси глубоководного ГФ и позволяет существенно повысить точность позиционирования источников ГФ особенно при движении судна перпендикулярно к направлению течения, что является оптимальным с точки зрения повышения вероятности обнаружения ГФ. Метод позволяет оценить скорости течения в областях ГФ до глубин более двух километров на ходу судна.

ПУБЛИКАЦИИ ИО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Основные статьи (опубликованные или принятые к печати) в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК

1. Черных Д.В., Саломатин A.C., Юсупов В.И., Шахова Н.Е., Сергиенко В.И., Космач Д.А., Мелузов A.A., Семилетов И.П. Количественная акустическая оценка потоков метана с припайного льда на мелководном Восточно-Сибирском шельфе // Вестник ДВО РАН. 2013. № 6. С. 128 - 133.

2. Буров Б.А., Мальцева Е.В., Лазарюк А.Ю., Саломатин A.C., Телегин Ю.А., Черных Д.В. Метан в донных осадках и водном слое над тектоническими разломами в Амурском заливе Японского моря // Вестник ДВО РАН. 2014. Т. 4. № 176. С. 66 -74.

3. Саломатин А. С., Юсупов В.И., Верещагина О. Ф., Черных Д.В. Акустическая оценка концентрации метана в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки // Акустический журнал. 2014. № 5. Т. 60. С. 638 - 644.

4. Сергиенко В.И., Лобковский Л.И., Семилетов И.П., Дударев О.В., Дмитревский H.H., Шахова Н.Е., Романовский H.H., Космач Д.А., Никольский Д.Н., Никифоров С.Л., Саломатин A.C., Ананьев P.A., Росляков А.Г., Сапюк А.Н., Карнаух В.Н., Черных Д.Б., Тумской В.Е., Юсупов В.И., Куриленко A.B., Чувилин Е.М., Буханов Б.А. Деградация подводной мерзлоты и разрушение гидратов шельфа морей Восточной Арктики как возможная причина «метановой катастрофы»: некоторые результаты комплексных исследований 2011 года // Доклады Академии наук. 2012. Т.

446. №3. С. 330-335.

5. Maksimov А.О., Burov B.A., Salomatin A.S., Chernykh D.V. Sounds of marine seeps: A study of bubble activity near a rigid boundary // Journal of acoustical society of America. USA. 2014. V. 136. № 3. P. 1065 - 1076.

6. Shakhova N., Semiletov I., Leifer I., Sergienko V., Salyuk A., Kosmach D., Chernykh D., Stubbs C., Nicolsky D., Tumskoy V., Gustafsson Ö. Ebullition and storm - induced methane release from the East Siberian Arctic Shelf // Nature Geoscience. 2014. № 7. 2014. P. 64-70.

Монография

7. Саломатин A.C. Гидроакустические средства мониторинга эманаций донных газов // Юсупов В.И., Ли Б.Я., Черных Д.В., Верещагина О.Ф. // Океанологические исследования дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана: в 2 кн. Владивосток: Дальнаука. 2013. Кн. 2. С. 229 - 240.

Отчет о научно исследовательской работе

8. Саломатин A.C., Юсупов В.И., Ли Б.Я., Черных Д.В., Громашева О.С., Бачинский К.В., Кошелева A.B., Юхновский В.А. Развитие методов дистанционного акустического зондирования морской среды, исследование связи параметров акустических сигналов и ее гидрофизических характеристик // Гидрофизические, гидроакустические и геодинамические процессы в океане и их взаимодействие в системе «шельф - глубокое море»: отчет о НИР (заключительный) / ТОЙ ДВО РАН; рук. Долгих Г.И.- Владивосток. 2012. С. 200 - 246. № ГР 01200956694. инв. № 02201257194.

Авторские свидетельства и патенты на полезные модели

9. Черных Д.В., Саломатин A.C., Юсупов В.И. Газовые факелы Охотского моря. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2010620232 // Заявка №2010620074 от 12 февраля 2010.

10. Черных Д.В. Галс. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2012610848 // Заявка №2011618990 от 25 ноября 2011.

11. Черных Д.В., Саломатин A.C., Юсупов В.И. Расчет координат газовых «факелов», зарегистрированных гидролокатором. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2010610722 // Заявка №2009615334 от 30 сентября 2009.

12. Черных Д.В., Громашева О.С., ExoViewer Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2013611055 // Заявка №2012660082 от 13 ноября 2012.

13. Юсупов В.И., Саломатин A.C., Черных Д.В. Стенд для исследования образования и разложения газогидратов. // Патент на полезную модель №143248. 2014.07.20. Бюл. №20.

Избранные тезисы докладов

14. Черных Д.В. Разработка программного обеспечения для проведения эхолотной батиметрической съемки // Семнадцатая Всероссийская научная конференция студентов - физиков и молодых ученных. Екатеринбург, Изд-во Екатеринбург. 2011.

15. Черных Д.В. Разработка программного обеспечения на основе СУБД, предназначенного для хранения, обработки, систематизации и анализа акустической и другой сопутствующей информации о газовых «факелах» // Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученных. Волгоград. 2010.

16. Черных Д.В., Саломатин A.C. База данных газовых факелов Охотского моря // Пятая конференция молодых ученых «Океанологические исследования». Владивосток. 2011.

17. Саломатин A.C., Черных Д.В., Юсупов В.И. Регистрация газовых факелов с припайного льда на шельфе Арктики // Тенденции и инновации Современной науки. Материалы VI Международной научно-практической конференции. Краснодар. 2013.С. 23.

18. Саломатин A.C., Юсупов В.И., Черных Д.В. Оценка глубоководных течений по данным гидроакустической съемки газовых "факелов" // Сборник трудов XXII сессии РАО. 15-17 июня 2010. Москва. 2010. Т. 2. С. 273-276.

19. Саломатин A.C., Юсупов В.И., Черных Д.В. Определение координат газовых «факелов» с помощью эхолота // Доклады XII — ой школы семинара им. акад. JI.M. Бреховских "Акустика океана" и XXI сессии РАО. Москва. 2009. С. 292 - 295.

20. Саломатин A.C., Юсупов В.И., Черных Д.В. Определение координат источников всплывающих газовых пузырьков на морском дне с помощью эхолотов и гидролокаторов // 3-я всероссийская научно - техническая конференция «Технический проблемы освоения мирового океана». Владивосток. 2009. С. 225 -229.

21. Юсупов В.И., Саломатин A.C., Верещагина О.Ф., Черных Д.В. Акустическая оценка придонных концентраций метана в областях его разгрузки в виде газовых

пузырей // Седьмой всероссийский симпозиум «Физика Геосфер». Владивосток. 2011. С. 530-534.

22. Chernykh D., Shakhova N., Semiletov I., Yusupov V., Salomatin A., Kosmach D., Meluzov A. Temporal variability of methane fluxes in the coastal methane hot spot on the East Siberian Arctic Shelf// AGU Fall Meeting, San-Francisco: AGU 2013.

23. Chernykh D., Leifer I., Shakhova N., Semiletov I. Assessment of bubble-borne methane emissions in the East Siberian Arctic Shelf via interpretation of sonar data // AGU Fall Meeting, San-Francisco: AGU. 2014.

24. Maksimov A., Burov В., Salomatin A., Chernykh D. On sounds of marine seeps // Proceedings of the 1st Underwater Acoustics International Conference & Exhibition. June 23-28. Greece. 2013.

25. Maksimov A., Burov В., Salomatin A., Chernykh D. Sounds of undersea gas leaks // 4th Pacific Rim Underwater Acoustic Conference. October 8-11. Hangzhou. China. 2013.

26. Salomatin A., Yusupov V., Chernykh D. Hydroacoustic survey of gas "flares" of the sea of Okhotsk // Tenth International Conference on Gas in Marine Sediments. Listvaynka (Lake Baikal). Russia. September 6-12. 2010.

27. Salomatin A., Yusupov V., VereshchaginaO., Chernykh D. Hydroacoustic survey of gas "flares" of sea of Okhotsk // International Workshop on the Sakhalin Slope Gas Hydrate Project. 2012.

28. Shakhova N., Semiletov I., Salomatin A., Yusupov V., Lobkovsky L., Dmitrievsky N., Karnaukh V., Kosmach D., Chernykh D., Anan'ev R.Eos New evidence of the existence of gas migration pathways through sub-sea permafrost in the East Siberian Arctic shelf // AGU Fall Meeting, San-Francisco: AGU. 2012.

29. Shakhova N., Semiletov I., Sergienko V., Lobkovsky L., Dmitrevsky N., Salyuk A.,Yusupov V., Salomatin A., Chernykh D., Karnaukh V., Kosmach D., Ananiev R., Meluzov A., Nicolsky D., Panteleev G. New result on methane emissions from the east Siberian arctic shelf// AGU Fall Meeting, San-Francisco: AGU. 2013.

Заказ № 94-Р/10/2014 Подписано в печать 23.10.14 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,0

ООО "Цифровичок", г. Москва, Большой Чудов пер., д.5

тел. (495)649-83-30 {www. cfr. ru; e-mail: zakpark@cfr. ru