ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ ДОННАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА АКВАТОРИЙ

Изобретение относится к области исследования физических явлений, происходящих в земной коре, на ее поверхности, расположенной на дне морей и океанов, и может быть использовано для оценки возможности наступления неблагоприятных, и в том числе катастрофических, природных и техногенных явлений.

Известны донные сейсмические станции (свидетельство на полезную модель RU №24890 [1], Глубоководная донная самовсплывающая сейсмическая станция АДС-8 / Соловьев С.Л., Контарь Е.А., Дозоров Т.А., Ковачев С.А. // Известия АН СССР Физика Земли, 1988, №9, с. 459-460 [2], Ocean Bottom Seismometer (OBS) Systems. Company Profile/Project Companies Kieler Umwelt und Meerestechnik GmbH (K.U.M.), Signal-Elektronik und Nets Dienste GmbH (SEND), April 2002, 11 p. [3], состоящие из подводного модуля и бортового модуля. Подводный модуль представляет собой герметичный корпус, снабженный устройством постановки на дно, внутри которого размещена аппаратура регистрации гидроакустических сигналов с соответствующими фильтрами, формирователями, преобразователями, накопителями информации, схема синхронизации, источник питания и устройство определения ориентации подводного модуля.

Основным недостатком известных станций является невозможность полной и адекватной передачи колебаний грунта на датчики измерения сигналов, установленные на опорной трубчатой раме, снабженных металлическими механизмами откидывания и прижимания к грунту, что в сочетании с наличием границы грунт-металл вызывает дополнительные погрешности при прохождении акустических сигналов и в конечном итоге приводит к искажению результатов измерений.

Кроме того, использование механизмов откидывания и прижимания к грунту недостаточно эффективно вследствие их сложности, отсутствия контроля за их установкой, что приводит к попаданию блока измерительных датчиков в рыхлый грунт дна и, как следствие, к нарушению работоспособности.

Известна также морская автономная донная сейсмическая станция (свидетельство на полезную модель RU №28778 [4]), в которой якорь-балласт выполнен в виде бетонного диска или прямоугольного параллелепипеда с полусферическим углублением для размещения корпуса станции с закреплением его посредством размыкателей, что позволяет обеспечить более плотное распределение по плоскости контакта балласта с грунтом, а также увеличить площадь контакта балласта с корпусом станции, что позволяет обеспечить более высокий коэффициент передачи сейсмических колебаний на границах грунт-балласт и балласт - измерительные датчики.

Недостатком данного устройства является го, что при выполнении балласта в виде бетонного диска или прямоугольного параллелепипеда, при наличии придонных течений, при постановке станции на неровный грунт сцепление станции с грунтом является неплотным, что приводит к раскачиванию станции и генерации акустических помех в воде за счет завихрений вокруг станции, а также к нарушению работоспособности сейсмических приемников, которые являются векторными приборами и для обеспечения нормальной работы которых необходимо знать их ориентацию в пространстве.

Аналогичными недостатками обладают также известные подводные станции (Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения / Научное приборостроение, 2008. Т. 18. №2. С. 86-95 [5], патент RU №2276388 C1, 10.05.2006 [6], патент RU №2377606 C2, 27.12.2009 [7], Зубко Ю.Н. и др. Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Научное приборостроение, 2003, т. 13, №4, с. 70-82 [8], Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с. 70-82 [9]).

Известны также гидрохимические донные станции или обсерватории (Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий / Лобковский Л.И. и др. М.: Наука, 2005, с. 97-100 [10] - прототип), предназначенные для регистрации возможных краткосрочных предвестников землетрясений и для геологического мониторинга акваторий. В состав одной станции входят датчики для измерения гидрохимических и гидрофизических параметров среды, спектроанализатор, микро-ЭВМ для управления работой станции, сбора, обработки и хранения данных, модемы для приема и передачи информации по кабельным линиям связи или радиоканалу, а также вспомогательные устройства для постановки, поиска и подъема станции на борт судна.

В соответствии с программой и командами с берега микро-ЭВМ определяет частоту опроса датчиков, записывает в память информацию, производит обработку и сжатие данных по заданным алгоритмам, затем накопленная информация передается через модем в линию связи.

Станция состоит из основного приборного корпуса, размещаемого на дне на подставке-треноге, притопленного буя с источником питания, соединенного посредством буйрепа с балластом, размещенным на дне, ретрансляционного буя, соединенного кабель-тросом с вьюшкой-поплавком, которая посредством кабель-троса соединена с притопленным буем, который кабель-тросом соединен с основным приборным корпусом, снабженный страховочным тросом с грузом, расположенным на дне.

Основными элементами станции являются акустооптический спектрометр видимого диапазона волн 350-850 нм, датчики температуры и электропроводности морской воды, скорости звука в воде, скорости течений, давления, концентрации ионов водорода рН, управляющий компьютер Octagon-5 (PC-486), блок питания с преобразователем питания, находящихся в притопленном буе. Управление станцией и передача данных на берег производится с помощью канала полудуплексной радиосвязи (400 МГц, 2000 Бод). Блок-схема станции включает береговой пост, состоящий из приемопередатчика, радиомодема, пульта управления, модема береговой линии, принтера, блока питания и пульта питания, радиобуй, состоящий из приемопередатчика, радиомодема, источника питания и блока фильтрации, судно, оснащенное приемопередатчиком, радиомодемом, источником питания и блоком фильтрации, и непосредственно станцию, на которой установлены микро-ЭВМ с интерфейсом RS232, модем кабельной линии, блок питания, коммутатор каналов, блок аккумуляторов, датчик фильтрации, блок фильтрации, спектроанализатор, выполненный в виде спектрофотометра, датчики проводимости, температуры, давления, скорости течения, рН, скорости звука и блок электроники.

Все элементы станции находятся в прочном цилиндрическом корпусе со сферическими крышками. Датчики и тубус спектрометра укреплены снаружи. Прочный корпус поднят над мягким дном на высоту 3 м на опоре-треноге. Притопленный буй установлен на глубине 15 м с помощью груза и троса. Радиотрансляционный буй находится на поверхности воды и соединен с притопленным буем и донной частью через кабель. Другая известная донная станция (обсерватория) [10] содержит трехкомпонентный цифровой сейсмограф с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр видимого диапазона волн 415-800 нм, измерители скорости и направления течений, температуры и электропроводности морской воды, скорости звука в воде, давления, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, гидроакустический модуль для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне.

Конструктивно станция состоит из общей рамы с откидной консолью. К раме крепятся модули измерительных приборов и устройство сбора и передачи информации. На консоли закреплен блок сейсмических приемников. Модули соединены с датчиками и устройством сбора информации с помощью кабелей. Магнитометрический датчик вынесен на несколько метров над обсерваторией для исключения ее влияния.

Основными недостатками известных станций являются следующие.

Невозможность полной и адекватной передачи колебаний грунта на датчики измерения сигналов, установленные на опорной трубчатой раме, снабженных металлическими механизмами откидывания и прижимания к грунту, что в сочетании с наличием границы грунт-металл вызывает дополнительные погрешности при прохождении акустических сигналов и в конечном итоге приводит к искажению результатов измерений. Использование механизмов откидывания и прижимания к грунту недостаточно эффективно вследствие их сложности, отсутствия контроля за их установкой, что приводит к попаданию блока измерительных датчиков в рыхлый грунт дна и, как следствие, к нарушению работоспособности.

При наличии придонных течений при постановке станции на неровный грунт сцепление станции с грунтом является неплотным, что приводит к раскачиванию станции и генерации акустических помех в воде за счет завихрений вокруг станции, а также к нарушению работоспособности сейсмических приемников, которые являются векторными приборами и для обеспечения нормальной работы которых необходимо знать их ориентацию в пространстве.

Также недостатком известных донной станции является малый разнос блока сейсмических приемников и основного корпуса станции (от 0,5 до 50 м), а также плохая обтекаемость рамы придонными течениями, что может привести к существенным вибрационным помехам.

Также к недостаткам может быть отнесен ограниченный состав измерительных средств, что в первую очередь относится к гидрохимическим станциям, не позволяющий проводить многопрофильный мониторинг как на акваториях с морскими объектами хозяйственной деятельности, так и на акваториях, примыкающих к зонам подводной добычи углеводородов.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей гидрохимических донных станций и повышение достоверности при регистрации сейсмических сигналов на дне морей и океанов путем устранения влияния негативных явлений.

Поставленная задача решается за счет того, что в гидрохимической донной станции или обсерватории для регистрации возможных краткосрочных предвестников землетрясений и для геологического мониторинга акваторий, состоящей из основного приборного корпуса, размещаемого на дне, ретрансляционного буя, соединенного с основным приборным корпусом, и снабженной микро-ЭВМ с интерфейсом RS232 для управления работой станции, сбора, обработки и хранения данных, модемами для приема и передачи информации по кабельным линиям связи или радиоканалу, блоком питания, коммутатором каналов, блоком аккумуляторов, датчиком фильтрации, блоком фильтрации, спектроанализатором, выполненным в виде спектрофотометра, датчиками проводимости, температуры, давления, скорости течения, водородного показателя рН, скорости звука, блоком электроники, включающим широкополосные регистраторы сейсмических сигналов, соединенных с трехкомпонентным цифровым сейсмографом, магнитометром постоянного магнитного поля, гамма-спектрометром, гидроакустическим модулем для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, основной приборный корпус выполнен эллипсовидной формы, который в нижней своей части снабжен резиновым чехлом и размещен в железобетонном балласте, сочлененным с корпусом посредством строп и электрохимического размыкателя, дополнительно в состав станции введены датчики регистрации углекислого газа, кислорода, азота, метана, измеритель мутности, микробный датчик, при этом трехкомпонентный цифровой сейсмограф выполнен с регистрацией сейсмических сигналов в диапазоне 0,1-500 Гц, а железобетонный балласт в нижней своей части выполнен в виде свай, расположенных по периметру и диагоналям балласта.

На чертеже приведена блок-схема гидрохимической донной станции.

Гидрохимическая донная станция или обсерватории для регистрации возможных краткосрочных предвестников землетрясений и для геологического мониторинга акваторий, состоит из основного приборного корпуса 1, размещаемого на дне 2, ретрансляционного буя 3, соединенного с основным приборным корпусом 1, посредством кабель-троса 4.

Основной приборный корпус 1 выполнен эллипсовидной формы, который в нижней своей части снабжен резиновым чехлом 5 и размещен в железобетонном балласте 6, сочлененным с корпусом 1 посредством строп 7 и электрохимического размыкателя 8. Внутри основного приборного корпуса 1 установлены микро-ЭВМ 9 с интерфейсом RS232 для управления работой станции, сбора, обработки и хранения данных, модемами 10 и 11 для приема и передачи информации по кабельным линиям связи или радиоканалу, блок питания 12, коммутатор 13 каналов, блок 14 аккумуляторов, датчик 15 фильтрации, блок 16 фильтрации, спектроанализатор 17, выполненный в виде спектрофотометра, датчики проводимости 18, температуры 19, давления 20, скорости течения 21, водородного показателя рН 22, скорости звука 23, блок электроники 24, включающий широкополосные регистраторы сейсмических сигналов, соединенные с трехкомпонентным цифровым сейсмографом 25, магнитометр 26 постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр 27, гидроакустический модуль 28 для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, датчики регистрации углекислого газа 29, кислорода 30, азота 31, метана 32, измеритель 33 мутности, микробный датчик 34, модем 35 гидроакустического канала связи, соединенный с гидроакустической антенной 36. Вспомогательные элементы и узлы включают механизмы, обеспечивающие спуск станции на дно и подъем ее на борт судна, а также светоотражательные элементы для ее поиска на поверхности, после всплытия (на чертеже не показаны).

Чувствительные элементы датчиков установлены в верхней части основного приборного корпуса 1.

Основной приборный корпус 1 может быть изготовлен со съемной крышкой в верхней части корпуса или состоят из двух разъемных полусфер для установки средств измерения и средств внутренних коммуникаций или для замены аккумуляторов.

Трехкомпонентный цифровой сейсмограф 25 выполнен с полосой регистрации сейсмических сигналов в диапазоне 0,01-500 Гц, что позволяет регистрировать сигналы, как обусловленные деформацией (проседанием) дна в диапазоне от 0,01 Гц («ползущие» землетрясения), так и образованием микротрещин в твердых породах дна до 500 Гц, что имеет место при интенсивной добыче подводных углеводородов.

Железобетонный балласт 6 в верхней своей части имеет нишу 37, в которой размещают корпус 1 станции, который сопрягается с балластом 6 посредством резинового чехла 5, выполняющего функции прокладки и амортизатора, при внешних воздействиях на корпус 1 станции.

В нижней части железобетонный балласт 6 выполнен в виде свай 38, размещенных по периметру и диагоналям основания, для надежного сцепления с илистыми и песчаными грунтами.

Спектроанализатор 17, выполненный в виде спектрофотометра, датчики проводимости 18, температуры 19, давления 20, скорости течения 21, водородного показателя рН 22, скорости звука 23, блок электроники 24, включающий широкополосные регистраторы сейсмических сигналов, соединенные с трехкомпонентным цифровым сейсмографом 25, магнитометр 26 постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр 27, гидроакустический модуль 28 для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, датчики регистрации углекислого газа 29, кислорода 30, азота 31, метана 32. измеритель 33 мутности, микробный датчик 34, модем 35 гидроакустического канала связи, соединенный с гидроакустической антенной 36 и вспомогательные элементы и узлы, включающие механизмы, обеспечивающие спуск станции на дно и подъем ее на борт судна, а также светоотражательные элементы для ее поиска на поверхности, после ее всплытия, имеют промышленное применение.

Перед спуском на дно с борта судна корпус 1 станции посредством строп 7 и электрохимического размыкателя 8 сочленяют с железобетонным балластом 6 и спускают за борт. При достижении дна по командам с обеспечивающего судна или заранее установленным программам осуществляется запуск в работу измерительных датчиков, посредством которых производится измерение и регистрация физико-химических параметров в придонной водной среде.

После окончания мониторинга на данной акватории по команде с обеспечивающего судна осуществляется подъем станции на поверхность. При этом сигнал поступает на электрохимический размыкатель 8, который размыкает стропы 7, освобождающие балласт и станция всплывает на поверхность для дальнейшего ее подъема на борт судна. После тестирования и замены элементов питания станция может быть осуществлена последующая постановка станции на дно.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано для оценки возможности наступления неблагоприятных, и в том числе катастрофических, природных и техногенных явлений, включая моря и устья рек арктического бассейна.

Источники информации

1. Свидетельство на полезную модель RU №24890.

2. Глубоководная донная самовсплывающая сейсмическая станция ЛДС-8 / Соловьев С.Л., Контарь Е.А., Дозоров Т.А., Ковачев С.А. // Известия АН СССР Физика Земли, 1988, №9, с. 459-460.

3. Ocean Bottom Seismometer (OBS) Systems. Company Profile/Project Companies Kieler Umwelt und Meerestechnik GmbH (K.U.M.), Signal-Elektronik und Nets Dienste GmbH (SEND), April 2002, 11 p.

4. Свидетельство на полезную модель RU №28778.

5. Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения / Научное приборостроение, 2008, т. 18, №2, с. 86-95.

6. Патент RU №2276388 С1, 10.05.2006.

7. Патент RU №2377606 С2, 27.12.2009.

8. Зубко Ю.Н. и др. Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Научное приборостроение, 2003, т. 13, №4, с. 70-82.

9. Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А. // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с. 70-82.

10. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий / Лобковский Л.И. и др. М.: Наука, 2005, с. 97-100.