Геоакустическая модель залива Посьета Японского моря тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.28, кандидат географических наук Самченко, Александр Николаевич

• Самченко, Александр Николаевич
• кандидат географических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат географических наук Самченко, Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ГЕОАКУСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.

1.1. Методы и подходы.

1.2. Фактический материал.

1.3. Географическое положение.

ГЛАВА 2. РЕЛЬЕФ ДНА.

2.1. Батиметрические исследования.

2.2. Масштабное разложение рельефа.

2.3. Статистический анализ микрорельефа.

Выводы.

ГЛАВА 3. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ.

3.1. Верхний слой донных осадков.

3.2. Упругие свойства верхнего слоя осадков.

3.3. Выходы твердых пород.

3.4. Неконсолидированные осадочные породы.

Выводы.

ГЛАВА 4. ВОДНЫЙ СЛОЙ.

4.1. Некоторые особенности гидрологии.

4.2. Пространственная изменчивость скорости звука.

Выводы.

ГЛАВА 5. ГЕОАКУСТИЧЕСКАЯ ИНВЕРСИЯ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геоакустическая модель залива Посьета Японского моря»

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

Заключение диссертации по теме «Океанология», Самченко, Александр Николаевич

Выводы

Создана электронная база данных гидрологической информации исследуемого полигона на основе натурных многолетних гидрологических измерений. 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 может 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.

ГЛАВА 5. ГЕОАКУСТИЧЕСКАЯ ИНВЕРСИЯ

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 [38,45,76, 109, 111, 113-116, 124-126].

Средства экспериментальных гидроакустических исследований. В гидроакустических экспериментах использовались низкочастотные гидроакустические излучатели 30 - 40 Гц и 230 - 250 Гц [46, 107]. В качестве приемной системы использовался сейсмоакустико-гидрофизический комплекс [30, 33-35] и приемная гидроакустическая антенна - «Молюск-07» [75].

Низкочастотный гидроакустический излучатель (30 - 40 Гц). Излучающая система предназначена для генерации гидроакустических сигналов в диапазоне от 30 до 40 Гц при глубинах погружения излучателя от 2 до 25 м (рис. 34). Амплитуда объемного колебательного смещения излучателя — до 0.001 куб.м.

Состав низкочастотной гидроакустической системы: Излучатель с электромагнитным преобразователем, кабель-шланг в корзине, с двумя ниппелями и контрольным манометром, источник питания, соединительные провода для подключения трех аккумуляторов к источнику, две перемычки для коммутации клемм на лицевой панели источника, рама для установки излучателя на грунт, воздушный насос, переоборудованный для откачивания, манометр, показывающий давление, пониженное относительно атмосферного. Для контроля за уровнем излучаемого сигнала служит гидрофон чувствительностью 98 мкПа и емкостью 34 нФ (с кабелем).

580 тт

Составные части: 1 - корпус, 2 - излучающие поршни; 3 - сердечник преобразователя; 4 - катушка преобразователя; 5 - пружина; 6 - резинотканевая мембрана.

Рисунок 34 - Наружные размеры и схематическое изображение сечений преобразователя.

Гидроакустический излучатель (230 - 270 Гц). Излучающая система предназначена для генерации гидроакустических сигналов в диапазоне от 230 до 270 Гц при глубинах погружения излучателя от 2 до 40 м (рис. 35). Эффективное звуковое давление в полосе - около 3700 Па (191 дБ/1 мкПа).

Состав гидроакустической системы: Излучатель с электромагнитным преобразователем, кабель-шланг в корзине, с двумя ниппелями и контрольным манометром, воздушный насос, переоборудованный для откачивания, манометр, показывающий давление, пониженное относительно атмосферного, источник питания. Источник питания содержит сетевой блок, защитные цепи и устройства, двухполупериодный ключевой усилитель с выходным автотрансформатором и компенсирующий конденсатор емкостью 20 мкФ, включенный последовательно с нагрузкой. Контроль за уровнем излучаемого сигнала осуществляется с помощью гидрофона чувствительностью 98 мкПа и емкостью 34 нФ (с кабелем).

Составные части: 1 - мембрана, 2 - магнитный сердечник, 3 - катушка, 4 -фланец, 5 - пружина.

Рисунок 35 - Схема гидроакустического излучателя 245 Гц.

Сейсмоакустико-гидрофизический комплекс. Горизонтальные и вертикальный лазерный деформограф, входящие в состав сейсмоакустико-гидрофизического комплекса, имеют одинаковое устройство и собраны на основе модификационного интерферометра Майкельсона с системой электронной регистрации изменения разности длин плеч интерферометра [30]. Комплекс расположен на базе ТОЙ ДВО РАН МЭС «Шульца» неравноплечего типа, на глубине 3-7 м под землей. Плечо деформографа ориентированное на север-юг (СЮ) имеет длину 52,5 м, с ориентацией запад-восток (ЗВ) -18 м, вертикальная составляющая - 3,5 м. Основное назначение комплекса связано с задачами изучения природы вариаций микродеформаций земной коры, микроколебаний атмосферного и гидросферного давлений на границе раздела геосфер в широком частотном и динамическом диапазонах, закономерностей возникновения, развития и трансформации колебаний и волн инфразвукового и звукового диапазонов [37].

Автономная вертикальная акустико-гидрофизическая измерительная система "Моллюск-07" разработана для экспериментальных исследований кодового состава внутренних волн и низкочастотного звука, распространяющихся в шельфовых зонах морей и океанов (рис. 36) [75].

ГЪТ71 Г6, Т61

4,7-4. д,

Г3,т3

Гъ Т2 V

Л. г, ип

АР

Якорь

АО - аппаратурный отсек; Г1-Г8 - гидрофоны; Т1-Т8 - датчики температуры; Д1, Д2 - датчики давления; V - преобразователь модуля скорости течения; ИП - герметичный контейнер с аккумуляторами; АР - акустический размыкатель [75].

Рисунок 36 - Схема установки антенны «Молюск-07» в море.

Моллюск-07" обеспечивает синхронные измерения на восьми горизонтах вариаций звукового давления в диапазоне частот 10-5000 Гц и температуры воды с разрешением до 0.006 °С, модуля скорости течения на одном из горизонтов, а также контроль положения верхнего и среднего гидрофонов по глубине. "Моллюск-07" рассчитан на установку в море на глубину до 100 м с помощью якоря, отделяемого акустическим размыкателем. В системе реализовано программное управление режимами измерений и накопления данных. Автономность работы в море не менее 7 суток.

Гидроакустические эксперименты с приемной системой в водном слое. В мае 2007 г. гидроакустический эксперимент в заливе Посьета был проведен совместно с гидрологическими измерениями между приемной и излучающей системами. Схема эксперимента показана на рисунке 37, расстояние между приемной антенной «Молюск-07» и излучателем была порядка 6 км. Приемная антенна располагалась в 3 км от мыса Шульца на юго-запад. Излучающая система располагалась на стационарной акустической трассе [124, 125]. Между приемной антенной «Молюск-07» и излучающей системой были проведены 4 гидрологических станции с измерениями профилей скорости звука и температуры в течение 1 часа на 1 станции.

Комплексные гидроакустические и гидрологические эксперименты с несколькими точками излучения проводились в июне 2008 г. (рис. 38). Гидроакустические работы были проведены в два дня. В первый день точки излучения находились на расстоянии 7, 8, 12 и 18 км от приемной антенны (рис. 38, «Излучение 10»). Во второй день - 3, 6, 8 и 12 км (рис. 38, «Излучение 11»). Точки излучения располагались вдоль стационарной акустической трассы. Антенна «Молюск-07» находилась, также как и в гидроакустическом эксперименте 2007 г., в 3 км от мыса Шульца. Проведено было 6 гидрологических станций с измерениями профилей скорости звука и температуры в течение более чем одного часа на одной станции. Гидрологические станции были проведены в течение 1 дня.

131'2'0"в д.

131 4'С'в. д 1

131'6'0"в. д 1

Залив Посьета ь я О

СР

131°7(Гв.д 131 4ав д. 1316'аъ. д. 131 в'а'в. д 1зпсгсгв. д.

Глубина, м

131

Рисунок 37 - Схема гидроакустического эксперимента, проведенного в заливе

Посьета (май 2007 г.).

130'58'0"в д ■

131 0'0"в д

131 20"в. д.

131 40"в д.

131 бив. д

13Г8-СГв. д. I

Залив Посьета

2 1

Условные обозначения

Антенна

Гидрологические станции Излучение 11 Излучение 10

6 Километры

130 58'0"в д

Глубина, м

-1—

131 асг в д

131 7СГ в д

131'-«г» д

I—

131 6'0"в д

131 '80"в д

Рисунок 38 - Схема гидроакустического эксперимента, проведенного в заливе

Посьета (июнь 2008 г.).

По результатам обработки натурных измерений установлено, что сигнал с частотой 26 Гц приходит примерно на 3.5 с раньше сигнала 78 Гц. Это означает, что сигнал с частотой 26 Гц проникает на глубину залегания пород фундамента и распространяется в качестве боковой волны, а поле сигнала 78 Гц формируется в основном в водном слое.

На рисунках 39 и 40 представлены результаты эксперимента, проведенного в 2008 г. По сравнению с предыдущим годом использовались три основные несущие частоты 26 Гц, 33 Гц и 78 Гц, расстояния от источника до приемника увеличено до 18.7 км рис. 39 и повторение 2007 г расстояние 7.8 км рис. 40.

При обработки результатов гидроакустических экспериментов 2008 г, мы наблюдаем более сложную картину, по отношению к результатам эксперимента в 2007 г. На частотах 78 Гц сигналы, проходящие по осадочному слою достаточно быстро затухают и не достигают гранитного слоя. Опережающие сигналы регистрировались, когда расстояние от излучателя до приемной системы составляло менее 10 км (рис. 39, 40). По всей видимости, они связаны с распространением сигнала в песках, где продольная скорость звука на 150-250 м/с выше, чем в воде. Так, например, на расстоянии почти 8 км от источника звука до антенны, опережающий сигнал зарегистрирован на 0.7 с раньше основного сигнала, пришедшего по воде.

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.

Корреляционные функции для дистанции 7.9 км

Время, с сплошная - 26 Гц, штриховая - 33 Гц, пунктирная - 78 Гц; 255-символьная М-последовательность, 10 периодов на символ)

Время, с

Расстояние от точки излучения до антенны 7.9 км.

Рисунок 39 - Обработанные результаты гидроакустического эксперимента

2008 г.).

Корреляционные функции для дистанции 18.7 км

Время, с сплошная - 26 Гц, штриховая - 33 Гц; 511-символьная М-последовагельность, 10 периодов на символ)

Время, с

Расстояние от точки излучения до антенны 18.7 км.

Рисунок 40 - Обработанные результаты гидроакустического эксперимента

2008 г.).

Гидроакустический эксперимент с приемной системой - деформографом. Эксперимент проводился на исследуемом полигоне в заливе Посьета с учетом построенной геоакустической модели в мае 2012 г (рис. 41). Всего излучение производилось из 6 точек с борта НИС «Малахит» без постановки на якорь. Расстояния от точек излучения до приемной системы составляло 2.2 км, 5.4 км, 7.2 км, 9.4 км, 6.6 км и 3 км соответственно. Излучение сигналов производилось с помощью низкочастотного гидроакустического излучателя (30-40 Гц) (рис. 34). Излучающие сигналы состояли из тонального 33 Гц продолжительностью 300 с и М-последовательности с 10 периодами на символ, длиной 255 символов. В каждой точке излучения использовался одинаковый пакет сигналов.

131°5'0"Е 131°10'0"Е

131°5'0"Е 131°10'0"Е

Рисунок 41 - Схема гидроакустического эксперимента, проведенного в мае

2012 г.

На основе построенной геоакустической модели залива Посьета выполнено геологическое моделирование реальной среды (рис. 42 , 43) и расчет осредненных акустических свойств пород (табл. 4), в месте провидения экспериментальной деятельности. На рисунке 41 отмечены точки излучения низкочастотного сигнала на профиле 1-4, приемная система расположена на возвышенности мыса Шульца. Дно на профиле 1-4 достаточно ровное, глубина во всех точках излучения 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 рис. 41). Кроме того, в первой точке наблюдается лишь один осадочный слой позднеплейстоцен-голоценового возраста (Qm-iv), в состав которого входит мелко-среднезернистый песок, часто с илистой компонентой. Во второй, третьей и четвертой точке осадочная толща состоит из трех слоев позднеплейстоцен-голоценового возраста (Qm-iv), нижнего-среднего плейстоцена (Qi-n) и неогенового возраста (N2) различной мощности. Фундамент представлен гранитоидами позднепермского возраста (уР2). Поскольку мощность фундамента намного больше, чем осадочного слоя [78], можно считать его однородным полупространством с наклонной верхней границей.

Стрелками указаны точки излучений Рисунок 42- Геологический разрез от мыса Шульца до точки излучения 4.

Рельеф дна на профиле 5-6 не ровный, наблюдается подводный песчаный холм, высотой примерно 7 м на расстоянии 2.1 км от береговой черты (рис. 43). Глубина моря увеличивается от 50 м в шестой точке излучения до 60 м в пятой. По профилю 5-6 мощность осадочной толщи варьируется от 25 м в шестой точке до 140 м в пятой точке. В шестой точке наблюдается два осадочных слоя позднеплейстоцен-голоценового возраста (Qm.iv) и нижнего-среднего плейстоцена (Qi.ii). В пятой точке - три осадочных слоя позднеплейстоцен-голоценового возраста (Qiii.iv), нижнего-среднего плейстоцена (Qi.ii) и неогенового возраста (Ъ12) различной мощности. Надо отметить, что верхний осадочный слой позднеплейстоцен-голоценового возраста (Qm.iv) имеет малую толщину, порядка 3 м. Средние значения акустических свойств различных пород на профилях 1-4 и 5-6 представлены в таблице 4. к о. о

5 <1) х т о о. га • х

ГО" о л СО

-20 -40 -60 -80 100 120 140 160 180 200 оооооооооо о о о о

О 0|С р О о о|ЭД20 Ур+2 + + + + + + + +

I1— г, 1 0

Расстояние, км

20 0 -20 40 60 80 -100 -120 -140 -160 -180 -200

Стрелками указаны точки излучений Рисунок 43- Геологический разрез от мыса Шульца до точки излучения 5.

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. В таблице 5 приведены теоретические расчеты прохождения акустического сигнала по различным средам. В расчетах используются стандартные варианты волнового распространения в различных средах и на их границах, такие как продольная, поперечная волны (табл. 5), 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 осадки - гранит, скорость - 3300 м/с) [4, 7, 105]. 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 (рис. 44). Сопоставление значений времени распространения сигналов рассчитанных теоретически и полученных в ходе эксперимента, показало, что наиболее вероятно, мы зафиксировали продольную волну в водном слое и песках, а так же волны Рэлея и волны Лява. При расчете скоростей распространения акустического сигнала по возможным траекториям за опорный был принят сигнал на деформографе с максимальной амплитудой. Вероятная траектория опорного сигнала состоит из распространения звука в воде (в виде продольной волны) и по границе воздух-гранит (в виде волны Рэлея). Таким образом, принимая в расчет все возможные траектории распространения звука и времена его пробега, зарегистрированые на деформографе получены следующие скорости звука: волна Рэлея - 3050 м/с, волна Лява - 3100 м/с, продольная волна в песке - 1900 м/с. Вычисленные скорости звука на основе данных геоакустической модели и полученные в ходе эксперимента различаются с точностью не более десяти процентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, 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. Такие исследования в настоящее время проводятся в Тихоокеанском океанологическом институте [6, 7]. В частности, были получены результаты, демонстрирующие, что геоакустические свойства приповерхностной части осадочного чехла в течение года претерпевают временные изменения: сезонные и суточные. Такие поправки важны для дальнего распространения звука, и они могут быть оценены и учтены в геоакустической модели.

В настоящей работе предпринята попытка создания методики оценки некоторых важнейших параметров геоакустической модели на основе натурных гидроакустических исследований, а именно толщины осадочных слоев и скорости распространения продольных звуковых волн в толще осадков и фундаменте, при помощи измерения параметров низкочастотных фазоманипулированных сигналов, излучаемых в воду и регистрируемых гидрофонами на различных дистанциях от точки излучения и деформографом. В результате чего получено приближение к решению геоакустической инверсии, позволяющее на качественном уровне проследить зависимость распространения гидроакустического сигнала от геологических структур. Вычисленные характеристики толщи осадков и фундамента на полигоне с помощью геоакустической инверсии коррелируют с данными построенной геоакустической модели. Основные направления дальнейших исследований - разработка математических моделей распространения нестационарных низкочастотных звуковых полей в неоднородных неодномерных средах, а так же проведение соответствующих натурных и численных I экспериментов.

В диссертационной работе решены следующие задачи:

I ! !

• 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.

• Создана детальная цифровая модель рельефа полигона в заливе Посьета, основанная на натурных батиметрических данных, оцифрованных батиметрических карт региона и цифровых данных ОЕВСО. Проведена оценка основных рельефообразующих факторов на основе статистического анализа батиметрических данных.

• Исследовано распределение акустических свойств верхнего слоя рыхлых донных отложений в заливе Петра Великого, полученных с помощью анализа литологического состава проб на основе методики Гамильтона. Проведено сравнение распределения акустических свойств верхнего слоя рыхлых осадков, полученных автором (по методике Гамильтона) и ранее созданной на основе геоакустической инверсии участка акватории в заливе Посьета.

• Составлена цифровая геоакустическая модель геологической среды на исследуемом полигоне.

• На основе многолетних натурных гидрологических исследований на акватории залива Посьета, выявлены основные статистические особенности профиля скорости звука в разные сезоны года. Сформирована модель статистических параметров водной толщи.

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

Описанная в рамках диссертационной работы геоакустическая модель не ограничена рамками экспериментов на гидрофизическом полигоне ТОЙ. 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 СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АФ - Акустический фундамент;

ЕОФ - Естественные (эмпирические) ортогональные функции;

МЭС - морская экспериментальная станция;

НИС - Научно-исследовательское судно;

НСП - Непрерывное сейсмическое профилирование;

ОГТ - Общая глубинная точка;

ССА - Сингулярный спектральный анализ;

ASIAEX - Интернациональный гидроакустический эксперимент, проведенный в морях Азиатского региона (The Asian Seas International Acoustics Experiment);

Clay - Фракция рыхлого осадка, по [216].

ETOPOl (ASTER) - Глобальная цифровая база данных рельефа суши; GEBCO - Глобальная цифровая батиметрическая карта океанов (General Bathymetric Chart of the Oceans); geoacoustic inversion - Геоакустическая инверсия;

IDW - детерминированный метод для многомерной интерполяции точек с известными значениями (Inverse Distance Weighting); in situ - Условия приближенные к естественным (в природе); MFI - Метод согласованного поля (Matched Field Inversion); Sand - Фракция рыхлого осадка, по [216];

SAX 04 - Гидроакустический эксперимент, проведенный в Мексиканском заливе в 2004 г. (Sediment Acoustics Experiment); , SAX 99 - Гидроакустический эксперимент, проведенный в Мексиканском заливе в 1999 г. (Sediment Acoustics Experiment) Silt - Фракция рыхлого осадка, по [216];

STRATAFORM - Крупномасштабные геолого-геофизические исследования шельфа США; I i I

SWARM 1995 - Крупномасштабный гидроакустический эксперимент, проведенный на шельфе США в 1995 г. (Shallow Water Acoustics in Random Media);

SWARM 2006 - Крупномасштабный гидроакустический эксперимент, проведенный на шельфе США в 2006 г. (Shallow Water Acoustics in Random Media);

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Самченко, Александр Николаевич, 2013 год

1. Агеева Н.С. Распространение звука в мелком море. Акустика океана. М.: Наука, 1982. С 107-118.

2. Агеева Н.С., Крупин В.Д., Перелыгин В.П., Студенчик В.Г. Построение геоакустической модели дна в мелком море // Акустический журнал, 1994. Т. 40. №2. С. 181-188.

3. Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология. М.: Мир, 1983. Т. 1,2.

4. Акустика дна океана. Под ред. У. Купермана и Ф. Енсена. М.: Мир, 1984. 456 с.

5. Акустика морских осадков / Пер. с англ. М.: Мир, 1977. 533 с.

6. Акустика океана. Под ред. Бреховских Л.М. М.: Наука, 1974. 78 с.

7. Андреев М.Я. Геоакустическая модель шельфа // Тр. VIII Межд. Конф. «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики ГА-2006». СПб: Наука. 2006. С. 96-100.

8. Батиметрия. Бухты Бойсмана и Баклан. Залив Петра Великого. Японское море. М 1:50000. ГУНО. Нов. изд. 2004.

9. Батиметрия. Бухты Перевозная и Мелководная. Амурский залив. Японское море. М 1:50000. ГУНО. Нов. изд. 2004.

10. Батиметрия. Залив Петра Великого. Японское море. М 1:250000. ГУНО. Нов. изд. 2004.11 .Батиметрия. Залив Посьета. Японское море. М 1:50000. ГУНО. Нов. изд. 2004.

11. Батиметрия. От мыса Басаргина до бухты Горностай. Уссурийский залив. Японское море. М 1:50000. ГУНО. Нов. изд. 2004.

12. Батиметрия. Пролив Босфор Восточный. Амурский залив. Японское море. М 1:50000. ГУНО. Нов. изд. 2004.

13. Бежаев А.Ю., Марчук А.Г. Метод создания цифровых массивов глубин океана на регулярных сетках // Труды Международной конференции Математические Методы в Геофизике. ММГ-2003. Новосибирск 2003. ИВМиМГ (ВЦ) СО РАН. Ч. 2. С.561-567.

14. Белов А.И. К возможности определения акустических параметров донных отложений по характеристикам нормальных волн в водном слое // Океанология, 1995. Т. 35. № 4. С. 629-631.

15. Берсенев И.И., Леликов Е.П., Безверхний В.Л. и др. Геология дна Японского моря. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1987. 140 с.

16. Био М.А. Обобщенная теория распространения акустических волн в диссипативных пористых средах // Механика, 1963. № 6. С. 135-155.

17. Васильев Б.И., Марков Ю.Д. О результатах драгирования на континентальном слоне залива Петра Великого (Японское море) // ДАН. 1973. Т. 210, № 1.С. 169-172.

18. Васильев Б.И., Марков Ю.Д. Рельеф и донные отложения Амурского залива. Вопросы геологии и геофизики окраинных морей северо-западной части Тихого океана. Владивосток, 1974. С. 49-113.

19. Васильев Б.И., Марков Ю.Д., Царько Е.И., Демидова Т.П. О геологическом строении континентального склона залива Петра-Великого (Японское море). Вопросы геологии дна Японского моря. Владивосток, 1973. С. 49-57.

20. Васильковский Н.П., Безверхний В.Л., и др. Основные черты геологического строения дня Японского моря. М.: Наука, 1978. 264 с.

21. Войтенко Е.А., Моргунов Ю.Н. Экспериментальные исследования распространения импульсных акустических сигналов в грунте // Акустический журнал, 2011. Т. 57. № 1. С. 73-74.

22. Гамильтон Э.Л. Геоакустические модели морского дна. Акустика морских осадков. М.: Мир, 1977. С. 176-210.

23. Геологическая карта дна Японского моря. Масштаб 1 : 2 500 000/ Ред. Берсенев И.И., Красный Л.И. Л.: ВСЕГЕИ, 1988.

24. Геологическая карта Приморского края. Масштаб 1:1000000 Текст. / Ред. Бажанов В.А., Олейник Ю.Н.

25. Глуховский А.Б., Фортус М.И. Оценка статистической надежности эмпирических ортогональных функций //Изв. АН СССР. Физ. Атмосф. и океана, 1982. Т.18 № 5. С. 451-459.

26. Голицын Г.С. Природные процессы и явления: волны, планеты, конвекция, климат, статистика. М.: ФИЗМАЛИТ. 2004. 344 с.

27. Голицын Г.С. Статистическое описание рельефа поверхности планеты и его эволюции Земли // Изв. АН СССР. ФАО. 2003. № 7. С. 3-7.

28. Голод О.С., Гончар А.И., Неверова С.И., Шундель А.И. Обзор физико-геологических моделей дна // Гидроакустический журнал. 2010. № 7. С. 7381.

29. Давыдов A.B., Долгих Г.И., Кабанов Н.Ф. Применение лазерных деформографов в гидроакустике // Акустический журнал. 1995. Т. 41. № 2. С. 235-239

30. Деркачев А.Н., Уткин И.В., Боцул А.И. Отчет о научно-исследовательских работах проведенных в 32 рейсе на НИС «Первенец» (залив Петра-Великого. Японское море июнь-июль 1979 г). Владивосток: ТОЙ ДВО РАН. 1980. 122 с.

31. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2001. 464 с.

32. Долгих Г.И. Некоторые результаты экспериментального исследования характеристик сейсмоакустических сигналов, возбуждаемых низкочастотным гидроакустическим излучателем // Акустический журнал. 1998. №3. С. 358-361.

33. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н. и др. Регистрация деформационной аномалии цунамигенного землетрясения лазерным деформографом // ДАН. 2007. Том 412, № 1. С. 104-106.

34. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Чебров В.Н., Шевченко Ю.В. Геофизический полигон «мыс Шульца» // Вестник ДВО РАН. 2010. № 5. С. 165-169.

35. Долгих Г.И., Копвиллем У.Х. Измерение низкочастотных морских шумов в диапазоне 0,01-100 Гц при помощи сейсмоакустического канала в прибрежной зоне: Науч. Отчет. № Г.Р. 81067363. Владивосток. 1985. 107 с.

36. Долгих Г.И., Коротченко P.A., Мартынов М.Ю. и др. Сейсмоакустические исследования в заливе Посьета // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря. М.: ГЕОС, 2008. С. 384-398.

37. Долгих Г.И., Лучин В.А., Ярощук И.О. и др. Масштабы пространственно-временных вариаций океанологических полей на шельфе Японского моря // XII научная школа-семинар им. акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана». Мат-лы докл. г. М.: ГЕОС. 2009. С. 256-259