Способ мониторинга состояния подводной мерзлоты

Full Text

На шельфе морей Восточной Арктики (МВА) — самом широком и мелководном шельфе Мирового океана — находятся более 80% всей подводной мерзлоты и гигантские запасы гидратов метана [1]. Дестабилизация гидратов шельфа МВА может привести к многократному увеличению концентрации атмосферного метана и ущербу национальной и мировой экономики. В связи с этим актуальным является организация мониторинга многолетней мерзлоты с целью картирования геологических опасностей и создания системы раннего предупреждения. В работе представлен прототип портативного акустического комплекса мониторинга подводной мерзлоты, основанный на экспериментально установленной зависимости длительности сигнала обратного рассеяния высокочастотного звука Δ от температуры слоя водонасыщенных донных отложений T [2, 3].

На рис. 1а представлена блок-схема прототипа портативного комплекса для изучения многолетней мерзлоты. Управление комплексом осуществляется с помощью управляющего компьютера 1, который соединен с блоком системы глобального позиционирования 5 и основным блоком 2. Основной блок периодически формирует импульсы с частотами 50 кГц и 200 кГц длительностью 0.5, 1, 3 или 10 мс. Сформированные импульсы после усиления блоком согласования 3 до импульсной мощности 200 Вт поступают на электроакустические преобразователи 4, излучающие акустические импульсы с полушириной диаграммы направленности 12° на частоте 50 кГц и 2.5° на частоте 200 кГц вертикально вниз.

Отраженный и рассеянный от верхнего слоя донных осадков акустические сигналы принимаются электроакустическими преобразователями. Далее сигнал после предварительного усиления блоком согласования поступает в основной блок, где происходят его усиление, частотное преобразование и фильтрация от шумов. На экране управляющего компьютера принятые сигналы обратного рассеяния отображаются в виде эхограммы. Одновременно с акустическими данными регистрируются точные координаты.

 

Рис. 1. а – Блок-схема портативного комплекса: 1 — управляющий компьютер, 2 — основной блок, 3 — блок согласования, 4 — электроакустические преобразователи, 5 — блок системы глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС и др.); б –фрагменты эхограмм на частоте 50 кГц при различных температурах донных осадков.

 

Апробация портативного комплекса проводилась на мелководном шельфе Арктики. Излучатели помещались на глубину около 2–3 м и ультразвуковые импульсы длительностью 1 мс излучались и принимались в вертикальном направлении. Длительность сигнала обратного рассеяния Δ от верхнего слоя донных осадков определялась по усредненному профилю обратного рассеяния после устранения шума как промежуток времени прохождения сигнала от поверхности осадков до границы, выше которой сосредоточено 98% энергии донного рассеяния. Температура донных осадков на глубине около 0.5 м определялась с помощью термопар. В местах измерений стандартными методами проводился гранулометрический анализ верхнего слоя донных осадков.

На рис. 1б показаны примеры эхограмм на экране управляющего компьютера, полученные при различных температурах донных осадков. Видно, что с уменьшением температуры длительность сигнала обратного рассеяния постепенно возрастает примерно с 2.5 мс для T = 0.7°С до примерно 16 мс для T = –1.1°С.

Проведенные измерения на разных частотах показали, что эта зависимость в интервале температур донных осадков примерно от –1.2°С до 2.5°С для частоты 50 кГц хорошо описывается выражением Δ[мс]=1.2(T – 2.5)² + T – 0.5, а для частоты 200 кГц — выражением Δ[мс] = 0.9(T – 2.5)² + 0.4T + 1.1. Согласно полученным зависимостям, в области положительных температур Δ слабо зависит от температуры, а при T < 0 значение Δ быстро возрастает с охлаждением, причем при отрицательных температурах Δ слабо зависит от гранулометрических характеристик пород, поэтому данная величина является надежным параметром, с помощью которого можно дистанционно отслеживать участки, на которых температура донных отложений поднимается и, следовательно, может произойти деградация подводной многолетней мерзлоты.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено при поддержке фонда Андрея Мельниченко и в рамках госзадания ТОИ ДВО РАН № 121021500057-4 в части предоставления аппаратуры и выполнения калибровки.

About the authors

В. И. Юсупов

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: iouss@yandex.ru
Russian Federation, 690041, Владивосток, Балтийская ул., 43

И. П. Семилетов

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Email: iouss@yandex.ru
Russian Federation, 690041, Владивосток, Балтийская ул., 43

A. С. Саломатин

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Email: iouss@yandex.ru
Russian Federation, 690041, Владивосток, Балтийская ул., 43

References

Supplementary files