АВТОНОМНАЯ ДОННАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ СЕЙСМОСТАНЦИЯ

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, схему 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, снабженные 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 то, 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 их нормальной работы 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]).

Известна также автономная донная широкополосная сейсмостанция (Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий/Лобковский Л.И. и др., М., Наука, 2005, с.93, 92 [10] - прототип), которая содержит блок из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников с полосой пропускания 0,055-64 Гц, гидрофон, измеритель давления, размыкатель балласта, управляемый по гидроакустическому каналу связи с борта судна, балласт, механическую консоль для установки блока из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников, источник питания, цифровой регистратор. Все элементы монтируются на общей раме.

Установка блока из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников на дно производится с помощью механической консоли. Диапазон регистрации сейсмических сигналов 0,033-50 Гц.

Недостатками известной автономной донной широкополосной сейсмостанции является малый разнос блока сейсмических приемников и основного корпуса станции (около 0,5 м), а также плохая обтекаемость рамы придонными течениями, что может привести к существенным вибрационным помехам.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности при регистрации сейсмических сигналов на дне морей и океанов за счет устранения влияния негативных явлений.

Поставленная задача решается за счет того, что в автономной донной широкополосной сейсмостанции, содержащей блок из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников, гидрофон, измеритель давления, размыкатель балласта, управляемый по гидроакустическому каналу связи с борта судна, балласт, механическую консоль для установки блока из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников на дно, источник питания, цифровой регистратор для регистрации сейсмических сигналов в диапазоне 0,033-50 Гц, блок из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников выполнен с полосой пропускания 0,01-20 Гц, в корпусе размещена общая рама, корпус выполнен металлическим, один из торцов балласта снабжен нишей, в которой размещен блок из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников, закрепленных на самоходной платформе, механическая консоль сопряжена с аппарелью, герметично закрывающей нишу, расположенную в балласте.

Пример выполнения автономной донной широкополосной сейсмостанции.

Автономная донная широкополосная сейсмостанция, содержит блок из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников, гидрофон, измеритель давления, размыкатель балласта, управляемый по гидроакустическому каналу связи с борта судна, балласт, механическую консоль для установки блока из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников на дно, источник питания, цифровой регистратор для регистрации сейсмических сигналов в диапазоне 0,033-50 Гц. Ряд элементов монтируется на общей раме, размещенной внутри металлического корпуса. Блок из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников выполнен с полосой пропускания от 0,01 Гц, цифровой регистратор для регистрации сейсмических сигналов выполнен с диапазоном 0,01-500 Гц.

Общий корпус выполнен из титана. Один из торцов бетонного балласта снабжен нишей, в которой размещен блок из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников, закрепленных на самоходной платформе.

Ниша при спуске автономной донной сейсмостанции герметично закрывается аппарелью, соединенной с механической консолью. При достижении дна и подготовки автономной донной сейсмостанции к работе подается сигнал на механическую консоль, которая приводит в движение аппарель и она открывается. Далее подается сигнал на самоходную платформу, на которой установлен блок из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников, и она покидает нишу в балласте и продолжает двигаться по морскому дну на заданное расстояние.

Самоходная платформа представляет собой подводный робототехнический комплекс, который содержит размещенный на нем блок из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников, движительно-рулевую систему (комплекс), систему энергообеспечения, навигационную систему (комплекс), систему средств его обнаружения, систему средств связи, балластно-уравнительную систему, вычислительную бортовую систему, судовой/береговой блок управления, информационно-измерительную систему, блок системы управления, опциональный механический манипулятор. Носитель оборудования выполнен в виде полой платформы, на/в которой размещены практически все остальные элементы комплекса.

Движительно-рулевой комплекс содержит, по меньшей мере, один движитель, закрепленный на платформе, система энергообеспечения представляет собой распределительное устройство, расположенное в полости платформы и подключенное с одной стороны к сети электрических проводников, подводящих электрическое питание к энергопотребляющим компонентам комплекса, а с другой стороны - к аккумуляторным батареям.

Балластно-уравнительная система представляет собой набор конструктивных элементов, участвующих в создании плавучести аппарата, близкой к нулевой.

Вычислительная бортовая система расположена в полости платформы и представляет собой вычислительную машину с установленной операционной системой реального времени, обеспечивающей управление всеми бортовыми системами, входящими в комплекс, а также сбор, сохранение и передачу на внешний пульт управления регистрируемой информации по гидроакустическому каналу связи, при этом элементы вычислительной бортовой системы размещены в герметичном гидростатическом корпусе. Судовой/береговой блок управления представляет собой вычислительную машину (систему машин), коммутируемую с подводной частью комплекса посредством гидроакустического канала связи. Система средств обнаружения аппарата представляет собой совокупность маяков и маяков-ответчиков, установленных на элементах комплекса, навигационный комплекс размещен в полости платформы и представляет собой набор средств для осуществления навигации и позиционирования аппарата.

Для упрощения монтажа, перевозки и эксплуатации комплекса платформа может быть выполнена составной. Комплекс может содержать, по меньшей мере, два колесных движителя, расположенных на бортах платформы и закрепленных на осях двигателей, расположенных внутри полой платформы. Также комплекс может содержать винтовой движитель, представляющий собой элемент, в том числе ротор статорного двигателя, либо массив (2×2) винтовых движителей, расположенных в верхней части комплекса с возможностью поворота вокруг поперечной горизонтальной оси для осуществления управления по дифференту и имеющих поворотную кавитационную насадку для управления комплексом по курсу, прикрепленную к платформе на вертикально-расположенных кронштейнах. В предпочтительном варианте конструктивные элементы балластно-уравнительной системы выполнены с возможностью регулирования их плавучести. Это позволяет использовать комплекс в воде с различной плотностью, что обеспечивает применение комплекса как в морской, так и в речной воде и других жидкостях. Совокупность маяков и маяков-ответчиков содержит, по меньшей мере, установленный в верхней части конструкции гидроакустический маяк-ответчик, а также светоимпульсный маяк, установленный в задней части конструкции. Используемый навигационный комплекс содержит, по меньшей мере, трехкомпонентный ферромагнитный компас, комплексированный с волоконно-оптическим гирокомпасом, а также средства позиционирования по линейным координатам. Используемая система средств связи представляет собой, по меньшей мере, антенну GPS/ГЛОНАСС (используемую при всплытии самоходной платформы), гидроакустическую приемную антенну с ультракороткой базой и маяк-ответчик, а также радиомодем и спутниковый модем. Используемый информационно-измерительный комплекс может включать, по меньшей мере, лазерные системы и телевизионные системы для поиска благоприятного места установки блока из трех взаимно перпендикулярных сейсмических приемников. Однако указанный перечень не ограничивает возможный состав информационно-измерительного комплекса.

При достижении точки с заданными координатами на морском дне на расстоянии до 8 км (предельная дальность работы гидроакустического канала связи) от основного корпуса станции выполняется непрерывная регистрация 3-х компонент местных и удаленных землетрясений в широком частотном диапазоне 0,01-20 Гц.

По зарегистрированным сигналам выполняется определение вектора движения дна с целью прогноза волн цунами, определение напряженного состояния донного массива для прогноза землетрясений.

Отличия предлагаемого устройства от аналогов и прототипа заключаются в сверх широком диапазоне регистрации 0,01-500 Гц, возможности размещения станций в глубоководных местах, в том числе в районах ожидаемых сильных землетрясений (зонах субдукции, сейсмических «брешей» и др.) с возможностью выбора благоприятного места для ее установки на дно, широком динамическим диапазоне до 150 дБ. При использовании предлагаемого технического решения на акваториях с размещенными на них морскими добычными комплексами, при повышении напряжения в донном массиве появляются трески до 500 Гц (образование микротрещин в твердых породах дна) при интенсивной добычи углеводородов, которые могут быть зарегистрированы посредством предлагаемой донной сейсмостанции и которые можно регистрировать только вблизи источника.

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано на промышленно освоенных конструктивных узлах, элементах и технологиях.

Источники информации

1. Свидетельство на полезную модель RU №24890.

2. 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.

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. 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.

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

6. RU №2276388 C1, 10.05.2006.

7. RU №2377606 C2, 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.93, 92.