История вопроса
Морские сейсморазведочные методы и оборудование для исследования геологических донных структур используют работающие в низкочастотном диапазоне 10 – 200 Гц акустические источники и протяженные( до нескольких километров) приемные антенные системы. Сравнительно недавно выяснилось, что это оборудование позволяет обнаруживать и оценивать не только свойства дна, но и пространственную изменчивость гидрофизических свойств водных масс. Первые результаты по использованию данного инструмента применительно к обнаружению гидрофизических неоднородностей были опубликованы в 1988 и 1991 годах [ 1, 2 ]. В работе [ 3 ] данный эффект получил физическое объяснение. В соответствии с этим объяснением отражения зондирующих импульсов происходят от распространенных в океане на больших пространствах и по глубине неоднородностей, вследствие градиентов температуры и солености.
Дальнейшие исследования показали, что указанный инструмент применим для выявления особенностей тонкой структуры неоднородностей температуры и солености, а также вихревых образований, внутренних волн и других неоднородности водной толщи различного происхождения.
В ходе исследований было установлено, что инструментарий морской сейсморазведки позволяет эффективно изучать гидрофизические неоднородности на больших пространствах океана с высоким разрешением [ 4 ].
Это направление исследования океана, получившее название « сейсмическая океанография » [ 5 ], активно развивается в мире уже более десяти лет, в России такие исследования отсутствуют.
Схема сбора данных в сейсмической океанографии показана на рисунке 1 и полностью соответствует применяемой для получения сейсморазведочных данных о структуре дна. Происходит это следующим образом. Корабль буксирует управляемый источник звука и горизонтальную линейную приемную антенну( сейсмическую косу) со скоростью от 4 до 6 узлов. Приемных антенн может быть несколько, и каждая из них включает в себя множество гидрофонов( от десятков до нескольких тысяч), общая длина каждой антенны может достигать нескольких километров.
Зондирующие сигналы обычно излучаются согласованной группой пневматических источников. Эти устройства периодически выбрасывают в воду сжатый воздух, тем самым создавая акустические импульсы продолжительностью от 10 до 20 миллисекунд. В рассматриваемом случае эти импульсы отражаются от горизонтальных слоев с изменчивыми гидрофизическими свойствами. Обратим внимание на сходство гидрофизический процессов в водной среде и донных осадках. Для морской воды – это границы изменчивости температуры, солености, плотности или скорости звука. Эхо-сигналы регистрируются буксируемыми приемными антеннами.
Пространственный интервал излучения зондирующих импульсов обычно составляет величину около 25 метров, что при указанных скоростях судна соответствует периоду порядка 12 секунд. Антенна гидрофонов содержит группы из 10 – 20 приемных элементов, сигналы от которых для повышения помехоустойчивости суммируются в некотором индивидуальном групповом канале. Количество каналов может составлять от десятков до тысяч единиц. Каналы являются независимыми сенсорами, воспринимающими отраженные от неоднородностей сигналы( на фоне шума). Обработке подвергается вся совокупность сигналов, полученных от сформированных каналов общей антенной решетки гидрофонов.
Отраженный зондирующий сейсмоакустический сигнал оценивается как примерно в 1000 раз более слабый, чем от границ осадочных пород дна. По этой причине взаимодействие зондирующего сигнала с неоднородностями водного слоя в сейсморазведочной практике в течение длительного времени просто не замечалось. Но благодаря современному оборудованию, новым методам обработки данных и вниманию к рассматриваемому вопросу такие отражения стало возможным выделять. На рисунке 2 приведен пример сейсмического( временного) разреза изменчивости гидрофизических свойств водной толщи, полученного с применением сейсморазведочного метода общей глубинной точки( ОГТ). Метод ОГТ основан на многократной регистрации и последующем накапливании сигналов сейсмических волн, отражённых под разными углами от одного и того же локального участка( точки) сейсмической границы в земной коре.
Традиционно океанологические наблюдения осуществляются с использованием измерителей проводимости, температуры и плотности( CTD – Conductivity, Temperature, Density) и( или) обрывных, свободно погружающихся батитермографов. Измерительная выборка, осуществляемая с помощью этих приборов, является дискретной и редкой. Пространственный интервал измерений характеризуется обычно значениями от 1 до 10 километров. Детальной картины горизонтального распределения гидрофизических неоднородностей такая технология не обеспечивает. Это при том что природная пространственная изменчивость указанных океанических неоднородностей характеризуется малыми масштабами.
Технология сейсмоакустической разведки позволяет производить измерения с интервалом 5 – 10 метров по горизонтали и обладает теми свойствами, которых лишены высокочастотные приборы. Указанный простран-
81