Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 2, стр. 252-256

ВВЕДЕНИЕ

Исследования подводных газовыделений (сипов) имеют большое значение с точки зрения оценки объемов поступления углеродосодержащих газов, в частности метана, в водную среду и атмосферу [1–3]. Для оценки газовых потоков используются различные дополняющие друг друга методы: визуальное наблюдение и видеосъемка [2], сбор пузырькового газа и флюидных потоков при помощи ловушек [4, 5], активная и пассивная акустика [6–9]. Поскольку интенсивность природных газовых потоков может изменяться во времени достаточно существенно, необходимы методы, которые способны обеспечивать длительное наблюдение за источником. Для продолжительного мониторинга пузырьковых газовыделений наиболее простым в реализации представляется пассивный акустический метод [6, 7]. Размещенное вблизи источника звукозаписывающее оборудование позволяет получить длительные аудиограммы, на которых возможно различить аудиосигналы от отдельных пузырьков газа, отрывающихся от морского дна [7, 8, 10]. Как известно, частота акустического сигнала, производимого при отрыве пузырька, связана с объемом пузырька [7]. Однако на сегодняшний день остаются вопросы, касающиеся точности расчетов пузырькового газового потока с использованием данного метода, в частности влияния на генерируемый пузырьком аудиосигнал подстилающей поверхности в месте выхода метана.

Целью данной работы было экспериментальное определение влияния подстилающей поверхности на регистрируемый вблизи сипа акустический сигнал, сравнение расчетного и наблюдаемого размера пузырьков, а также оценка суточного объема газа, выделяющегося на площадке постоянно действующих пузырьковых газовыделений с помощью пассивного акустического метода.

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА СБОРА ДАННЫХ

Лабораторная установка представляла собой стеклянный бассейн с соленой водой (18‰), на дне которого размещался грунт различного вида. С помощью мембранного компрессора и воздухопровода с насадкой, помещенной в грунт на глубину 5 см, в бассейне моделировались пузырьковые выделения из донных подложек различного типа. Интенсивность выхода пузырьков могла изменяться при помощи регулятора скорости воздушного потока и устанавливалась таким образом, чтобы наблюдаемый поток соответствовал пузырьковому потоку, наблюдаемому в природных условиях в бухте Ласпи (от 10 до 240 пузырьков в минуту) [5]. В зоне выхода пузырьков была установлена измерительная линейка с ценой деления 1 мм, позволявшая визуально определять размер пузырьков. Видеозапись процесса выхода пузырьков из грунта велась с помощью портативной камеры с разрешением 19 Мп со стандартной частотой кадров и возможностью кратковременной активации режима замедленной съемки с частотой кадров 960 FPS. Для записи акустических сигналов использовался широкополосный гидроизолированный микрофон с чувствительностью 60 мВ/Па, установленный в непосредственной близости от источника пузырьков.

На дне бассейна последовательно размещалось несколько типов грунта, моделирующих природную подстилающую поверхность: колотые кирпичи, искусственная гладкая галька с приблизительно одинаковым размером гранул (около 2 мм), природная галька с различающимся размером гранул (диапазон размеров от 0.5 до 3 мм), песок.

Для расчета размеров пузырьков газа с использованием частотных характеристик акустических сигналов, производимых пузырьками при выходе из грунта обычно используется формула Миннарта, связывающая собственную частоту колебаний пузырька с его радиусом [7]:

где r – радиус пузырька, f – частота акустического сигнала, γ – показатель адиабаты газа, содержащегося в пузырьке, p – давление на пузырек со стороны жидкости, ρ – плотность жидкости.

Обработка акустических записей выполнялась в свободно распространяемом редакторе звуковых файлов Audacity. При помощи данного редактора анализировался частотный спектр аудиозаписи, на котором определялась основная частота сигнала, генерируемого пузырьками. На рис. 1 представлен пример частотного спектра акустического сигнала, возникающего при выходе пузырька из искусственной гальки. Наибольшая интенсивность сигнала приходится на частоту 830 Гц, что соответствует расчетному диаметру пузырька около 8 мм и совпадает с наблюдаемым размером.

Рис. 1.

Пример частотного спектра акустического сигнала, создаваемого при выходе пузырька из искусственной гальки.

Эксперимент показал, что различные виды грунта оказывают влияние на характер газовыделений, в том числе на форму и размер образующихся пузырьков при одинаковом потоке воздуха из компрессора в толщу грунта. Замедленная съемка момента выхода пузырьков из донной подложки демонстрирует, что наиболее сильно форма образующегося пузырька отличается от сферической при выходе из искусственной и природной гальки. Обычно, при формировании пузырька из газового канала с твердыми стенками, растущий пузырек имеет форму перевернутой капли. По мере роста пузырька “ножка”, связывающая пузырек с каналом, утончается и разрывается, сообщая колебательный импульс поверхности пузырька. В случае, когда размеры гранул грунта сопоставимы с размерами пузырька, форма пузырька может принимать более сложную форму, а количество “ножек” увеличиваться.

Спектрограммы акустических записей для различных видов подстилающей поверхности представлены на рис. 2. В эксперименте с колотыми кирпичами было обнаружено, что на записи не различается акустический сигнал в момент выхода пузырька в водную толщу, но при этом отчетливо различим периодический сигнал, возникающий при выходе пузырьков в толщу грунта из воздуховода компрессора. Это, вероятно, связано с тем, что пузырьки относительно свободно проходят через полости между отдельными осколками кирпичей и значительной деформации их поверхности не происходит.

Рис. 2.

Спектрограммы акустических сигналов, полученные в экспериментах с различными видами подстилающих поверхностей: колотые кирпичи (а); искусственная одноразмерная галька (2 мм) (б); природная галька с размером фракций от 0.5 до 3 мм (в); песок (г).

В случае искусственной гальки, природной гальки и песка, выход пузырьков в водную толщу утрачивает свою периодичность, выделяющиеся пузырьки начинают отличаться по своим размерам. Одновременно с этим, по мере уменьшения размеров гранул подложки, интенсивность периодического сигнала, возникающего при выходе пузырьков из воздуховода, уменьшается и становится вовсе неразличима в случае песка.

Для всех экспериментов была оценена погрешность путем сравнения наблюдаемых размеров пузырьков и их расчетных размеров с использованием формулы Миннарта. Наибольшая погрешность наблюдалась в случае песка. В 90% случаев погрешность находилась в пределах 6%, в то время как для гальки как природной, так и искусственной, в пределах 4.5%.

В дальнейшем оценки погрешности были использованы при расчетах потока метана по данным натурных измерений на мелководной площадке постоянно действующих сипов в Бухте Ласпи (44.42099° с.ш., 33.70766° в.д.), полученных в августе 2020 г. Выход метана в точке, расположенной на глубине около 2.5 м происходил из песчаного дна как периодическими пузырьковыми кластерами, так и отдельными пузырями, при этом визуально наблюдаемый размер пузырьков составлял от 2 до 20 см (рис. 3). На рис. 4 представлены количественные показатели, связанные с временной изменчивостью интенсивности потока пузырьковых газовыделений для двух записей по 45 мин, выполненных с интервалом около 20 мин. По горизонтальной оси отложено местное время.

Рис. 3.

Подводная фотография гидрофона, установленного рядом с точкой пузырьковых газовыделений в бухте Ласпи.

Рис. 4.

Диаграммы, иллюстрирующие временное распределение количества пузырьков в кластерах (а, в) и объема пузырькового газа, выделяющегося за одну минуту из сипа (б, г).

На рис. 4а и 4в в соответствии с временной шкалой точками отмечены моменты выхода кластеров либо одиночных метановых пузырьков, при этом по вертикальной оси отложено количество пузырьков в выделившемся кластере. На рис. 4б и 4г представлены гистограммы временного распределения суммарного объема пузырькового газа с шагом по горизонтальной оси в одну минуту. Следует отметить неравномерность метановых высачиваний, а также изменчивость самого характера газовыделений при схожих внешних условиях. Так во время записи 1 преобладали одиночные пузырьки, а во время записи 2 более мелкие пузырьки, выделяющиеся кластерами. Суммарный объем газа, выделившегося за время первой записи, составил 0.29 ± 0.02 л, а за время второй – 1.97 ± 0.12 л. Такую изменчивость интенсивности потока газовыделений необходимо учитывать при оценке объемов газа, проводимых на основе краткосрочных измерений.

Площадка метановых сипов в бухте Ласпи насчитывает около 20 схожих по характеру газовыделений точек пузырьковых высачиваний. С использованием среднего значения объема выделившегося газа за время двух записей, можно оценить средний поток со всей площадки как 720 ± 90 л/сут. Если же рассматривать значения только первой или только второй записи, то такая оценка может изменяться от 186 ± 13 до 1260 ± 80 л/сут, т.е. почти в 7 раз.

Полученный в работе средний объем суточных газовыделений совпал по порядку величины с величиной газового потока, наблюдаемого в бухте Ласпи в предыдущие годы [11].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Были проведены лабораторные эксперименты для оценки влияния различных типов грунта на акустический сигнал, производимый проходящими через грунт пузырьками газа, а также выполнен расчет газового потока по данным акустической записи сигнала, производимого действующим сипом, полученной в августе 2020 г. в бухте Ласпи (Черное море).

Эксперименты показали различия в погрешности при определении размеров пузырьков, выделяющихся из различных подложек, с использованием формулы Миннарта. Природа погрешности, возникающей при расчете радиуса пузырька, при различных типах подстилающих поверхностей различна.

В зависимости от состава подстилающей поверхности впервые определены погрешности расчета природных потоков метана из действующих мелководных сипов с использованием пассивного акустического метода.

Показаны существенные вариации пузырькового потока на масштабе времени, не превышающем несколько часов. Изменяются как размеры выделяющихся пузырей, так и их количество. Рассчитанный средний поток метана по данным двух 45-минутных записей акустических сигналов, полученных в непосредственной близости от постоянно действующего метанового сипа в бухте Ласпи, по порядку совпадает с потоком, измеренным на той же площадке в предыдущие годы, но при этом может значительно варьироваться от 186 ± ± 13 до 1260 ± 80 л/сут.

Вариации интенсивности метанового потока требуют дальнейшего изучения с целью выявления причин, влияющих на процесс газовыделения.