Глава.5 Аппаратура, применяемая при исследованиях на море

 

Выполнение морских сейсморазведочных работ требует применения специализированных морских судов, способных достаточно комфортно обеспечивать размещение всей необходимой аппаратуры и оборудования и устойчивое буксирование приемных кос.

Сейсмические исследовательские суда должны удовлетворять следующему ряду требований:

-   удобное размещение комплекса сейсморазведочной аппаратуры и оборудования;

-   достаточно комфортное размещение 12-25 членов исследовательской команды;

-   обеспечивать относительно низкую сейсмоакустическую шумность буксировки сейсмических кос в рабочем диапазоне скоростей 7-12 км/ч.

-   иметь специальное радионавигационное оборудование для уверенного ведения судна по запроектированной системе сейсмических профилей;

-   обладать достаточной автономностью плавания (30 - 60 суток).

 

Рис.15 Судно, оборудованное для морских исследований. На большой лебедке, укрепленной на кормовой палубе, намотана сейсмическая коса длиной 3—4 км; остальная часть палубы занята компрессорами, подающими сжатый воздух в пневмопушки. Закрытая часть на уровне этой палубы содержит мастерские, лаборатории и камбуз; на уровне верхней палубы находятся кают-компании и каюты для персонала экспедиции. Имеются разнообразные антенны для спутников и радионавигации, связи с берегом и радиобуями и т. д. Судно может оставаться в море примерно в течение месяца.[4]

 

5.1 Источники упругих колебаний

 

Основным типом источников сейсмических колебаний при морских работах в настоящее время являются пневматические излучатели, которые чаще всего называют воздушными пушками (airgun). Пневматический излучатель (рис.16) представляет собой металлический цилиндр с основной (1) и вспомогательной (2) камерами, подвижным поршнем с двумя рабочими поверхностями и штоками (3), системой боковых отверстий в стенках цилиндра для выхлопа сжатого воздуха в воду (4), воздушным краном с соленоидальным приводом (5) и соединительных коммуникаций. В основную камеру (1) воздух высокого давления попадает, последовательно проходя вспомогательную камеру (2) и отверстие в штоке поршня. После достижения рабочего давления подается импульс в соленоидальный привод, который быстро открывает доступ воздуха высокого давления в подпоршневое пространство верхней части излучателя, в результате чего весь поршень начинает двигаться вверх, тем самым открывая доступ воздуха, имеющегося в основной камере, в воду. В результате быстрого выхлопа (выхода) в воду воздуха высокого давления производится эффект рабочего давления (до 130 - 150 бар), источник готов к работе. По команде из сейсмостанции поступает электрический сигнал для возбуждения упругих волн.

 

Рис.16 Принципиальная схема воздушной пушки в поперечном разрезе: 1- основная камера; 2 - вспомогательная камера; 3 - шток с двумя поршнями; 4 - отверстия для выхлопа газа; 5 -соленоидальный клапан[2]

 

Продолжающееся поступление из схемы питания сжатого воздуха вызывает повторное заполнение источника системы воздухом. Через некоторое время - в зависимости от объема камер и производительности компрессоров высокого давления - источник может быть готов к производству следующего выхлопа. Практически время повторной готовности составляет 6 - 10 с. Интенсивность сейсмического воздействия и форма возбуждаемого сигнала такого источника зависят как от типа конструкции источника и глубины его погружения, так и, главным образом, от объема рабочей камеры. Реальные источники имеют объемы от 0,2 до 33 л. Выхлоп воздуха высокого давления производит первичный сейсмический импульс. Взрыв и подобное высвобождение воздуха длятся 1-4 мс, а весь интервал разгрузки занимает 25-40 мс. К сожалению, сформировавшийся в момент выхлопа воздуха в воду воздушный пузырь через некоторое время схлопывается, тем самым вызывая второй сейсмический импульс. Это в свою очередь порождает дополнительны, сейсмические волны, которые сильно осложняют анализируемое волновое поле. Поэтому для таких источников очень важно чтобы второй импульс был как можно менее интенсивным в сравнении с первым. Среди комплекса мер, которые обычно применяются для исключения влияний повторных ударов схлопывающихся воздушных пузырей, наибольшим распространением пользуется группирование источников различной емкости и выбор оптимальной глубины и буксирования. Этими мерами обычно удается создать условия, при которых повторные сейсмические эффекты ослабляются весьма значительно.

Водяные пушки (Watergun) (рис.17) отличаются от воздушных тем, что сжатый воздух приводит в движение поршень, выбрасывающий в окружающую среду струю воды. По мере продвижения струи воды вперед позади нее образуется вакуумная полость, которая под действием внешнего гидростатического давления схлопывается, создавая интенсивный акустический импульс. Получающийся в результате короткий импульс создает потенциальные возможности для достижения большей разрешающей способности, чем в случае источников типа воздушной пушки. Однако интенсивность акустического сигнала у водяных пушек ниже, чем у воздушных. Поэтому их применение пока ограничено.[2]

 

5.2 Приемники упругих колебаний

 

Гидрофоны или морские сейсмоприемники давления, как правило, относятся к пьезоэлектрическому типу. В их конструкции используются синтетические пьезоэлектрические материалы, такие, как цирконат и титанат бария или метаниобат свинца. Пластина пьезоэлектрического материала обладает свойством создавать электрическое напряжение между противоположными поверхностями, если ее подвергнуть механическому изгибанию. Тонкие электроды, помещенные на этих поверхностях, позволяют образовать электрическую цепь и измерить это напряжение. Чувствительным элементом дисковых гидрофонов (рис. 18, а) служат две круглые пластинки пьезоэлектрической керамики на концах полого латунного цилиндра.

 

Рис.17 Схематический поперечный разрез водяной пушки[2]

 

Электрическая цепь выполнена так, что если обе пластины прогибаются внутрь, реагируя на увеличение давления со стороны внешней среды, то возникающие напряжения складываются, а если они изгибаются в одном и том же направлении, реагируя на ускорение, они взаимно уничтожаются (рис. 18,6). Эта особенность носит название гашение ускорений. Основными элементами цилиндрических гидрофонов (рис. 18, в) являются тонкие полые цилиндры пьезоэлектрической керамики, закрытые на концах латунными заглушками.

Рис.18 Гидрофоны: а-дисковый гидрофон; б-гасящий ускорения дисковый гидрофон; в — цилиндрический гидрофон. [4]

 

Изменение давления в среде, окружающей цилиндр, деформирует керамику и, следовательно, вызывает появление электрического напряжения между внутренней и внешней стенками цилиндра. Чувствительность каждого элемента гидрофона мала, поэтому их обычно объединяют в ряды, содержащие от 3 до 50 элементов, чтобы получить группу гидрофонов; элементы в группе распределяют по длине 3—50 м. Пьезоэлектрические гидрофоны обладают высоким внутренним сопротивлением, поэтому каждая группа обычно снабжена согласующим трансформатором. Иногда вместо трансформаторов используются предварительные усилители электрического тока.

Гидрофоны объединяют в длинные косы, буксируемые за сейсмическим кораблем на глубине порядка 10—20 м. Сейсмическая коса схематически показана на рис. 5.48, а фотография секции косы приведена на рис. 17.

Рис.19 Схема плавучей буксируемой сейсмической косы: 1 - научно-исследовательское судно; 2 - барабан для смотки и намотки косы; 3 - кабель-буксир; 4 - грузовая секция; 5 - бесприборные секции; 6 - рабочие приборные секции; 7 - концевая секция; 8 - концевой фал; 9 - буксируемый радар-отражатель; 10 - стабилизатор глубины[2]

 

Гидрофоны, соединительные провода и буксировочный трос для снятия натяжения косы помещены внутрь неопренового(поливинилхлоридного) шланга диаметром 50 - 70 мм с толщиной стенок до 3 мм, который заполнен более легкой, чем вода, жидкостью для того, чтобы придать косе нейтральную плавучесть, т. е. чтобы средняя плотность шланга и его содержимого равнялась плотности морской воды. Между кормой судна и первой группой гидрофонов оставляют ведущую секцию длиной порядка 100 м. Пустыми секциями иногда также перемежают отдельные группы гидрофонов, чтобы получить необходимую длину косы. Последняя группа часто сопровождается хвостовой секцией, к которой прикреплен буй радар-отражатель, позволяющий с борта судна определять его местоположение., движущийся по поверхности. Визуальное или радарное наблюдение за этим буем используется для определения величины дрейфа косы от постоянного курса сейсмического корабля (вызванного морскими течениями). Буй помогает также найти косу в случае ее неожиданного обрыва. Общая длина косы в воде 1000—2400 м, иногда даже более 2400 м. Устройства для регулировки глубины погружения косы (такой параван показан на рис. 20) закреплены на косе в нескольких (от 5 до 12) точках. Они чувствительны к гидростатическому давлению, и их лопасти наклоняются, приводя к тому, что поток воды, набегающий на них, поднимает или опускает сейсмическую косу до нужной глубины. Когда коса неподвижна, параваны неэффективны.

 

Рис.20 Схема и фотография сейсмической косы. Пластмассовые разделители а соединены тремя эластичными проводами b; связка электрических проводов с проходит сквозь отверстия разделителей. Гидрофон помечен буквой d. Сейсмическая коса помещается в мягкую пластмассовую оболочку, наполненную жидкостью, которая обеспечивает косе нейтральную плавучесть. Устройства для регулировки глубины погружения (е) закреплены на косе.[4]

Глубину которую стремятся поддерживать параваны, можно регулировать сигналом, передаваемым по косе, чтобы изменять ее в соответствии с изменениями глубины воды или чтобы дать возможность судну пройти над косой.

В нерабочем состоянии косу наматывают на барабан большого диаметра с помощью лебедки на корме корабля. С интервалом в несколько метров внутри косы могут быть вставлены устройства для определения глубины с целью ее контроля. Кроме того, внутрь косы вставлены на ряде интервалов приемники водной волны; они представляют собой высокочастотные гидрофоны (500—5000 Гц), которые регистрируют волны, распространяющиеся в толще воды. Зная скорость звука в воде, по времени вступления водной волны можно найти расстояние до источника. Магнитные компасы с дистанционным управлением также могут быть вмонтированы в косу, чтобы фиксировать ее ориентацию. Течение, перпендикулярное направлению сейсмического профиля, иногда приводит к «размазыванию» глубинных точек, а падение отражающей границы в направлении, перпендикулярном сейсмическому профилю, может быть ошибочно принято за скоростные изменения.

Морская приемная система регистрирует различные типы шумов: 1) окружающий шум, порожденный движением волн, судов, подводным животным миром и т. п.; 2) локально обусловленный шум в водной толще, вызванный турбулентностью за счет движения в воде буксирующего косу кабеля, заглубляющего паравана, устройств для регулировки глубины погружения косы и хвостового буя, а также шум, излучаемый винтами корабля, двигателями и прочими механическими устройствами; 3) механически обусловленный шум, распространяющийся по косе в результате вибрации кабеля, подергивания хвостового буя и т. п. В обычных условиях доминируют шумы третьего типа, но в бурную погоду начинает преобладать первый тип. Шум, связанный с буксировкой, ослабляют: а) делая косу, насколько это возможно, гладкой и устанавливая параваны и другие устройства, нарушающие гладкость косы, по крайней мере в 3 м от ближайшего гидрофона, б) используя ведущую секцию для увеличения расстояния между кораблем и ближайшей группой гидрофонов, в) применяя не стальные сегменты, а податливые и растягивающиеся секции из нейлона для ослабления колебаний, передающихся по косе. Иногда используются специальные короткие косы для регистрации на малых удалениях, поскольку при работе с основной косой обычно остается довольно значительное расстояние между кормой корабля и ближайшей группой гидрофонов.[4]