Мировой научный флот. Систематическое исследование Мирового океана в XX веке начиналось, как правило, на судах военно-морских или торговых флотов разных стран. Вместе с тем, многообразие научных задач и необходимость изучения совершенно разных объектов как в толще воды, так и на дне океана привело к созданию специализированных геолого-геофизических судов, на которых устанавливалась, в зависимости от поставленных задач, различная техника и оборудование. В самом общем виде, в состав всемирного научно-исследовательского флота входят суда различной государственной и ведомственной принадлежности. Они предназначены для специализированного изучения рельефа дна, биологических и геологических ресурсов океана, геофизических полей, многостороннего изучения свойств океанской воды и атмосферы. Особыми подразделениями научного флота являются буровые суда и буровые платформы, а также подводные пилотируемые аппараты (часто встречается сокращение - ППА). Примеры современных научно-исследовательских судов представлены на рис. 4.1a, 4.1б.
 |
 |
| рис.4.1. Научно-исследовательские судна: <Атлантис> (Atlantis) (А) и <Академик Николай Страхов> (Б). <Атлантис> - год постройки - 1996. Государство-владелец - США. Водоизмещение - 3350 т. Длина, ширина, осадка - 90 м x 17 м x 5.6 м. Скорость - 12 узлов, по: http://www.navsource.org/archives/09/5725.htm. <Академик Николай Страхов>. - год постройки - 1985. Государство-владелец - Россия. Водоизмещение - 2600 т. Длина, ширина, осадка - 70 м x 11 м x 5.6 м. Скорость - 12 узлов Фото - Мазаровича А.О. |
 |
| рис.4.2. Принцип работы многолучевого эхолота и основные методы современной съемки дна океана |
 |
| рис.4.3. Многолучевой эхолот Simrad ЕМ12S, установленный в 1998 - 2000 гг. на НИС <Академик Николай Страхов> Фото - Мазаровича А.О. |
Эхолотный промер: история, типы эхолотов. Вопрос о глубине океана издавна привлекал человечество. Для измерения сначала применяли линь, а затем и металлический трос. Эти способы измерения не могли считаться точными и приводили к крупным ошибкам, чему в немалой степени способствовали течения. Акустические системы (эхолоты) появились перед Второй Мировой войной. Это был революционный прорыв в практике изучения океана, т.к. они дали возможность построения непрерывного профиля рельефа дна по линии промера.
Принцип работы эхолотов заключается в посылке звукового сигнала, который отражается от акустически жесткой поверхности дна и возвращается на приемную антенну. Скорость звука в океанах может изменяться от 1400 до 1550 м/с. Максимальные скорости приурочены к глубинам 1200-1300 м. На этом уровне в воде существует своеобразный "звуковой канал", по которому звук распространяется на очень большие расстояния без потери энергии (взрыв 3 кг взрывчатки слышен за 3100 миль). Умножение скорости звука в воде на время и дает глубину. На точность измерения, влияют свойства воды - температура, соленость и пр. Разница в скорости звука до глубины 200 м, доходит до 3-4 м/с, а до глубины 800 м - до 1-1,5 м/с. Поэтому для каждого конкретного района перед съемкой дна необходимо проводить специальные измерения, которые дают кривую изменения скорости звука в воде, что позволяет вносить соответствующие поправки.
Эхолотный промер - базовый метод изучения океана, который является основой для всех последующих геологических, геофизических работ и теоретических разработок. Многие тектонические выводы о строении океана зависят, как было сказано выше, от представлений о его рельефе, которые, в свою очередь, тесно связаны с точностью батиметрических карт, создание которых подчинено методам измерений глубин.
Эхолоты, а затем и эхолоты-самописцы позволили проводить измерения на ходу судна. Это резко увеличило число измерений, повысило их точность, а также расширило охват изучения акваторий. В конце 70-х гг. были изобретены многолучевые эхолоты, которые открыли новые возможности для детального изучения и картирования подводного рельефа. Многолучевые эхолоты (часто встречается сокращение МЭ) отличаются тем, что в глубину посылается не один звуковой луч, а многие десятки (сотни). Лучи веером (рис. 4.2) расходятся от излучателя на оси судна и позволяют производить батиметрическую съемку дна широкой полосой (от 70% от глубины до 3-х и более глубин - т.е. при глубине 5000 м картируется полоса в 15000 м). В 1980 г. такими системами было оснащено порядка 10 судов. В настоящее время, МЭ различных конструкций (181-лучевые и более), установлены во всем мире на примерно 1000 судах, в том числе на ряде российских.
Одна из современных модификаций эхолотов (Simrad ЕМ12S) (рис. 4.3), созданная в Норвегии в середине 90-х гг., измеряет глубины по 81 лучу. Угол вершины конуса излучения составляет около 120° и максимальной шириной полосы облучения до 3,5 глубин. Он оснащен также мелководным эхолотом ЕМ1000, который предназначен для работ в шельфовых зонах (средняя глубина около 200 м) и измеряет глубины по 151 лучу с максимальным углом матрицы до 150° и шириной полосы до 7,4-х глубин. В настоящий момент все параметры современных эхолотов существенно улучшены. Принципиальная схема многолучевого эхолота состоит из излучающей и приемной антенн, подсистем излучения и приема, контроля бортовой и килевой качки, а также многочисленных специальных блоков, которые позволяют вводить команды, проводить цифровую обработку данных, визуализировать в реальном времени рельеф дна и многое другое.
Таким образом, с 1840 по 1970 гг. от первого промера глубин выполненных Дж. Россом до становления новой глобальной тектоники произошло четыре смены "аппаратуры": в 1870 - г. веревочный линь сменился металлическим тросом, в 1922 - г. появился эхолот, в 1935 - эхолот-самописец, в конце 70-х - многолучевой эхолот. Последний знаменует качественно новый этап измерения глубин. В настоящее время мы находимся в стадии накопления детальной информации о глубинах океана, которая может быть обобщена в первой половине XXI века, что, возможно, приведет к новому геодинамическому пониманию строения океана.
Сейсмические методы в океане представляют собой важнейшие способы изучения строения осадочного чехла акваторий или более глубоких горизонтов (структуры, скоростных характеристик). В зависимости от частоты излучения (см. Приложение 6) меняется глубина проникновения энергии в осадочный чехол или более глубокие горизонты. По частоте излучения выделяются высокочастотные, одноканальные (непрерывное сейсмическое профилирование - НСП), многоканальные (МОВ ОГТ) методы, а также глубинное сейсмическое зондирование (ГСЗ), которые должны были быть рассмотрены в соответствующем курсе кафедры геофизики.
Принцип методов основан на проникновении энергии (выброс сжатого воздуха, электрический разряд), создаваемой источниками (рис. 4.4) в водную толщу, а затем и в породу. После отражения сигнала от тех или иных горизонтов, отраженный сигнал принимается на антенну (сейсмическая коса) (рис. 4.5). Данные накапливаются в цифровом виде на сейсмической станции. Дальнейшая их обработка производится на компьютерах при помощи разнообразных программ, позволяющих отфильтровывать помехи (шумы), оставлять полезную информацию о строении земной коры. Имеется множество модификаций оборудования (донные станции, радиобуи и пр.).
 |
 |
| рис.4.4. Источник акустической энергии для непрерывного сейсмического профилирования (<пушка>). Объем камеры 1 л Фото - Соколова С.Ю. . |
рис.4.5. Приемная антенна для непрерывного сейсмического профилирования (<сейсмическая коса>) Фото - Соколова С.Ю. |
Подводные исследовательские комплексы (роботы) и сонары бокового обзора представляют собой широко применяемые буксируемые над дном устройства (например, TOBI, Великобритания) (рис. 4.6). Первые представляют собой комплекс аппаратуры, предназначенной для изучения гравиметрического, магнитного полей, в сочетании с сонаром бокового обзора, профилографом и иным геолого-геофизическим оборудованием. Специальный погружаемый робот перемещается над дном океана на высоте 300-400 м. Сонары бокового обзора (например, Gloria II) предназначены для изучения морфологии дна, определения неисправностей нефтепроводов, поиска затонувших объектов практически любого размера с высокой степенью разрешения. Принцип их действия основан на облучении поверхности дна с частотой порядка 6,5 кГц. |
|
Опробование пород дна: трубки, драги и т.д. Для извлечения пород со дна океана применяются трубки, тралы, черпаки и драги. Опробование трубками (рис. 4.7) предназначено, прежде всего, для изучения верхних (до 50 м) слоев осадочного чехла. Трубка, под действием собственного веса, с большой скоростью проникает в дно, и забирает в полую часть инструмента колонку осадков. Известны случаи, когда поднимались и коренные породы.
Драгирование представляет собой один из основных методов, который позволяет получать образцы коренных пород дна с любых глубин. Комплект оборудования включает: глубоководную лебедку, трос, систему крепежа драги и собственно драгу. Драга (рис. 4.8) представляет собой металлический пробоотборник c треугольным, прямоугольным или круглым сечением, который оснащен специальными устройствами (сетки, решетки) для удержания породы. Драгировочные операции включают: определение объекта опробования, выведение судна на точку, спуск драги, собственно драгирование (отрыв породы от субстрата) и подъем пробы на борт. Общее время драгирования зависит от глубины дна, погодных условий и может резко увеличиваться при аварийных или нештатных ситуациях (например - сложные зацепы). Под зацепом понимается зажим (заклинивание) драги на дне океана, которая начинает работать как якорь. При глубинах порядка 5000 м время на одну драгировку составляет около 5 часов. Вес поднятых пород может достигать сотен килограмм.
Одним из важнейших механизмов предназначенного для наматывания (разматывания) троса служит глубоководная лебедка (рис. 4.9). На современных научно-исследовательских судах для драгировочных работ применяются 10-20-тонные гидравлические (иногда - электрические) лебедки. Барабан этих механизмов может забирать до 10 и более километров троса. Во время проведения французских экспедиций употребляется трос с диаметром порядка 20 мм по всей длине. В российских экспедициях применяется трос, который составляется из отдельных кусков с шагом уменьшения диаметра примерно в 2 мм (напоминает антенну в радиоприемнике). Такой трос обеспечивает хорошую амортизацию и сохранность во время зацепов.
Драгировки могут проводиться на глубинах от 20 до 6000 м (по опыту проведения экспедиционных работ в Атлантическом океане на НИС "Академик Николай Страхов"). При этом погодные условия могут изменяться от полного штиля экваториальной зоны до штормовых условий (ветер до 25 м/с) приантактической акватории. В Тихом океане известны драгировки, которые осуществлялись на глубинах более 7000 м.
 |
 |
| рис.4.8. Драга на борту НИС <Академик Николай Страхов> Фото - Мазаровича А.О. |
рис.4.9. Глубоководная лебедка (10 т.) на борту НИС <Академик Николай Страхов>. Момент драгирования на глубине порядка 3000 м. Трос - французский Фото - Мороцци П. |
Бурение в акваториях осуществляется как для достижения научных так и практических задач. Буровые механизмы могут быть размещены на судах, платформах различных конструкций, а также на искусственных островах.
В 1968 г. в США началось бурение в Мексиканском заливе первой глубоководной скважины на американском судне "Гломар Челленджер" (рис. 4.10). Это событие стало началом выдающегося проекта XX века - DSDP (от англ. Deep Sea Drilling Project), который можно сопоставить с исследованиями в космосе. С этого времени геологи стали получать прямые указания о составе и возрасте коренных пород Мирового океана. Программа DSDP в 1985 г. продолжилась международным проектом ODP (от англ. Ocean Drilling Project) на более совершенном судне "JOIDES Resolution" (от англ. JOIDES "Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling" - Объединение океанографических институтов по опробованию коренных пород Мирового океана) (рис. 4.11). За 30 лет работ было пробурено почти 1500 скважин (рис. 4.12) на глубинах до 8000 м. Проект завершился в 2003 г. и ему на смену пришел новый - IODP (от англ. Integrated Ocean Drilling Programm).
При разработке буровых судов были решены сложнейшие задачи по их стабилизации в пространстве, возможности возвращения на уже пробуренную скважину и продолжение бурения, создания соответствующих баз данных и хранения керна и многие другие технические и организационные проблемы. В ближайшем будущем ожидается начало работ японского бурового судна и немецкого ледокола с буровой установкой.
Буровые платформы используются на шельфе (рис. 4.13). Они могут устанавливаться на грунт или закрепляться якорями. На них может размещаться одна или более буровых установок, как для вертикального, так и горизонтального бурения. Буровые платформы широко применяются в Карибском, Северном и др. морях. В пределах российской акватории бурение с платформ проводилось в Баренцевом, Карском, Охотском, Каспийском и Черном морях. На многих объектах были открыты месторождения (часто - гиганты) углеводородов (Штокмановское, Ледовое, Русановское, Приразломное и т.д.) В непосредственной близости от экономической зоны России, в условиях сложной ледовой обстановки Чукотского моря, были пробурены пять скважин на территории США (Попкорн, Клондайк и др.). Там же, но близко от берега, широко применяется метод создания искусственных насыпных островов, которые используются как основание для буровых установок.
Пилотируемые подводные аппараты используются как для решения проблем фундаментальной науки, так и чисто практических задач (осмотр подводных частей инженерных сооружений, трубопроводов и т.п.). В океане они используются для опробования пород дна, прямых наблюдений геологического строения, сбора информации о животном мире или свойствах водной среды. Благодаря работе этих аппаратов был составлен разрез океанической коры на поперечном хребте разлома Вима в Атлантическом океане. Они широко используются для изучения активных и неактивных гидротермальных полей. Одно из последних открытий (2000 г.) (поле Лост Сити, разлом Атлантис в Атлантическом океане) было сделано с ППА. Современные глубоководные научные подводные лодки, которые могут исследовать глубины до 6000-6500 м, работают во Франции, США, Японии и России, (рис. 4.14, 4.15, 4.16, 4.17).
Морские магнитные и гравиметрические исследования являются одними из основных геофизических методов, которые дают информацию о строении океанической литосферы. Они могут проводиться как с борта судна, так и с летательных аппаратов.
Магнитные исследования основаны на свойствах минералов (магнетит, титаномагнетит) в породах <запоминать> различные особенности магнитного поля Земли. На судне измерения проводятся при помощи забортных магнитометров, которые буксируются при помощи кабель-тросов на максимальном удалении от других приборов и инструментов.
Гравиметрические исследования осуществляются набортными гравиметрами различных классов, которые расположены в наиболее стабильных частях судна на специальных платформах.
Навигация. Обеспечение навигации (определение положения судна в океане) представляется наиважнейшей целью обеспечения безопасности мореплавания и проведения любого вида геолого-геофизических исследований. В настоящее время основным способом определения местоположения судна является глобальная система спутниковой навигации и позиционирования - GPS (от англ. Global Position System) и ее отечественные аналоги. Большое количество спутников позволяет определять местоположение судов, включая подводные аппараты, с точностью до метров, вне зависимости от расположения района работ.
Спутниковая альтиметрия и предсказанная топография (predicted topography). В последние годы было установлено, что изучение океана возможно не только с судов, но и спутников. Систематическое измерение высоты поверхности (альтиметрия) воды Мирового океана спутниковым радаром (ERS altimeter) на высоте порядка 800 км с точностью до нескольких метров, показало, что она зависит от рельефа дна океана и плотности пород. Иными словами положительные формы рельефа притягивают воду, увеличивая высоту ее поверхности и наоборот. Образное понятие <уровень Мирового океана> не является постоянным и отличия в высоте поверхности воды могут составлять более сотни метров. Основы метода изложены в статьях, которые приведены в Приложении 3.
Анализ альтиметрических данных позволил с высокой степенью достоверности создать математическую модель рельефа всего Мирового океана т.н. предсказанная топография (от англ. predicted topography). Спутниковые данные были сопоставлены с реальным эхолотным промером и экстраполированы на неизученные регионы. Точность предсказанной топографии позволяет планировать проведение экспедиционных работ (выбирать районы, закладывать галсы, даже в отдельных случаях проводить драгирование) и делать крупные теоретические обобщения. Однако необходимо подчеркнуть, что она не может полностью заменить эхолотный промер.
Принципы современной съемки океанского дна. Основными особенностями изучения дна в последние годы стали комплексные геолого-геофизические съемки и детальность работ (см. рис. 4.2). В течение десятилетий изучение строения дна океана велось по ходу судна методом маршрутного промера. Большие расстояния между галсами не позволяли коррелировать данные с высокой степенью надежности. Вместе с тем, в результате этих работ были установлены все типы океанических морфоструктур. Были открыты как крупные формы подводного рельефа (срединно-океанические хребты, поднятия, плато, желоба, разломные зоны и т.д.), так и более мелкие - отдельные горы, подводные каналы и пр. Детальность изучения существенно улучшилась после организации работ на полигонах - ограниченных по площади участках, в пределах которых параллельные галсы стали располагаться на расстояниях 2-5 миль. Применение многолучевых эхолотов привело к полному (или почти полному) покрытию съемкой изучаемой территории. Исследование дна на современном уровне должно включать комплекс такого оборудования как многолучевой эхолот, профилограф 3.5 кГц, магнитометр, гравиметр, сонар бокового обзора, непрерывное сейсмическое профилирование. Навигационная привязка осуществляется системой GPS. Исследования на полигонах, как правило, сопровождаются станционными работами (сбором различных геофизических данных или опробованием дна на ключевых точках).
Геолого-геофизический мониторинг океана. Судя по доступным данным, важнейшим направлением морских работ в океане становится создание долговременных мониторинговых систем - долгоживущих подводных комплексов оборудования различного назначения, соединенных едиными кабельными коммуникациями, со спутниковым контролем навигации и наземными системами базирования. Схемы этих систем могут быть гибкими - акустическое оборудование, высокочастотные радары, сонары бокового обзора, сейсмологическая аппаратура, приборы для измерения высоты волн, измерение профилей солености морской воды и т.д. В США подобные комплексы уже развернуты в районе хребта Хуан-де-Фука, где проводится непрерывное изучение крупного вулкана.
Контрольные вопросы:
1. Мировой научный флот - характеристика
2. Эхолотный промер: история, типы эхолотов. Принцип работы эхолотов
3. Принципиальная разница между однолучевым и многолучевым эхолотом
4. Генеральная батиметрическая карта Мирового океана - ГЕБКО (GEBCO)
5. Сейсмические методы в океане
6. Подводные роботы
7. Опробование пород дна: трубки, драги, тралы и т.д.
8. Бурение в акваториях (шельф, открытый океан). Основные проекты
9. Пилотируемые подводные аппараты (ППА)
10. Навигация. GPS
1. Спутниковая альтиметрия. Предсказанная топография
12. Принципы современной съемки океанского дна и мониторинга
|
