Океанология, 2022, T. 62, № 1, стр. 151-157

ВВЕДЕНИЕ

Изучение процессов эмиссии природного газа со дна на шельфе арктических морей приобрело особое значение в течение нескольких последних десятилетий. Так, по некоторым оценкам, выделение большого количества метана в атмосферу в районах арктического шельфа может являться одной из причин климатических изменений со значительными экологическими последствиями [4, 12]. Помимо этого, выделяющиеся со дна газовые потоки в целом ослабляют структуру и природную устойчивость донных осадков и служат потенциальным источником природных рисков при строительстве и эксплуатации подводных сооружений, таких как трубопроводы, нефтедобывающие и разведочные платформы и т.п.

Принимая во внимание значительно более высокую удельную производительность дистанционных геофизических исследований по сравнению с любыми контактными методами, гидроакустика является одним из основных инструментов изучения процессов подводной разгрузки газов и флюидов в океане. В данной работе рассматриваются различные аспекты комплексного использования гидро- и сейсмоакустической аппаратуры с целью выявления и мониторинга выходов природного газа со дна моря, а также картирования газовыводящих путей в осадках на примере шельфовой зоны морей Северного Ледовитого океана.

МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ИССЛЕДОВАНИЙ

Основные результаты, изложенные в настоящей статье, получены в ходе экспедиций 2011–2021 гг. на научно-исследовательских судах РАН “Академик Николай Страхов”, “Академик Мстислав Келдыш”, “Академик М.А. Лаврентьев” в шельфовой зоне Баренцева, Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского морей [1–3].

Судном, в наибольшей степени отвечающим всем требованиям акустического мониторинга процессов подводной разгрузки газов, является НИС “Академик Николай Страхов”. Оно оборудовано стационарно установленными в его днище в специальной гондоле многолучевым эхолотом Reson SeaBat 8111 (рабочая частота 100 кГц) и сейсмопрофилографом Edgetech 3300 (рабочие частоты 2–16 кГц), что позволяет вести непрерывные измерения по ходу судна при любых скоростях его движения. Кроме того, на специальной опускаемой в воду штанге у борта судна были установлены приемо-передающие антенны параметрического эхолота-профилографа SES-2000 Standard (с рабочими частотами 4–15 кГц в параметрическом режиме) и многолучевого эхолота WASSP WMB-3250.

На судах “Академик Мстислав Келдыш” и “Академик М.А. Лаврентьев” антенны акустических приборов устанавливались на опускаемых штангах, аналогичных описанной выше. При этом, в зависимости от поставленных задач в различных комбинациях использовались: эхолот-профилограф SES-2000, многолучевой эхолот WASSP WMB-3250, гидролокатор бокового обзора Гидра-500 и однолучевой научный эхолот Simrad EK15. Механическая конструкция и способ крепления опускаемой штанги позволяла вести измерения при скоростях судна до 5–6 узлов. Внешний вид установленных на штангу приборов приведен на рис. 1.

Рис. 1.

Штанга с антеннами эхолотов и профилографа в походном положении. 1 – Антенна SES-2000, 2 – WASSP WMB-3250, 3 – антенна Simrad EK-15.

Помимо этого, нами использовался комплект оборудования “Геонт-Шельф” с излучателем типа спаркер для работ методом непрерывного сейсмоакустического профилирования (НСАП) с частотой спектра излучаемого сигнала 300–400 Гц.

Указанный набор акустической аппаратуры позволил решать большинство поисковых и идентификационных задач, используя в отдельных случаях преимущества каждого из имеющихся устройств. Методика работы с комплексом предусматривала движение судна вдоль запланированных галсов с одновременной записью информации акустического оборудования и выводом текущего изображения на экраны соответствующих мониторов.

Для устранения взаимных помех от приемо-передающих антенн, установленных рядом друг с другом, параметры излучения приборов были синхронизированы. Приборы были соединены между собой кабелями, синхроимпульс подавался с многолучевого эхолота.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Газовые “факелы”, связанные с выходящими из донных отложений всплывающими пузырьками, регистрировались во многих районах Мирового океана, в том числе на арктическом шельфе [11–13]. Для их обнаружения и картирования использовались различные типы гидроакустических устройств, в том числе однолучевые и многолучевые эхолоты, эхолоты с расщепленным лучом, гидролокаторы бокового обзора и другие сонары, в том числе пассивные [7–10, 13].

Наши исследования подтвердили, что наиболее информативным с точки зрения прямой регистрации выходящих в воду газовых потоков является высокочастотное эхолотирование, позволяющее идентифицировать практически все формы газовыделения – от одиночных мелких источников до сплошных газовых “факелов”, протяженностью в сотни метров и более. Газовые выходы хорошо регистрируются визуально на экранах таких приборов благодаря существенной разнице в акустическом импедансе между газонаполненным пузырьком и водой. Наличие обнаруженных при помощи эхолотов газовых выходов было в дальнейшем подтверждено при помощи прямой видеосъемки [11].

Под термином “высокочастотные” подразумеваются эхолоты, длина акустической волны излучения λ которых соизмерима или меньше размеров пузырьков высачивающегося из дна газа. Характерные радиусы газовых пузырьков в зонах естественной разгрузки находятся в пределах от 1 до 15 мм [10], что позволяет отнести к категории “высокочастотных” эхолоты с длинами волн излучения около 30 мм и менее. Чем больше частота и соответственно меньше длина волны, тем более мелкие пузырьки будут доступны для регистрации.

Для обнаружения газовых “факелов” в качестве однолучевого высокочастотного эхолота нами использовались научный эхолот Simrad EK15 с частотой 200 кГц (λ = 7.5 мм) и высокочастотный канал эхолота-профилографа SES-2000 (частота около 100 кГц, λ = 15.0 мм). Акустическое изображение одиночной струи или “факела” на однолучевом эхолоте имеет вид вертикально ориентированной зоны сплошной засветки с горизонтальным размером близким к реальному горизонтальному размеру струи газа на дне (рис. 2). При этом качество визуального воспроизведения пузырьков на эхограммах существенным образом зависит от целого ряда причин: скорости судна, наличия акустических помех, направления подводных течений, влияющих на траекторию движения поднимающихся вверх пузырьков, а также направления, с которого поток газа облучается гидролокационным прибором.

Рис. 2.

Пример регистрации газовых выходов в море Лаптевых высокочастотным эхолотом Simrad EK15.

Важным преимуществом однолучевых эхолотных систем является возможность использования получаемых с их помощью данных для количественной оценки газового потока в областях его пузырьковой разгрузки. Традиционные методики дистанционного определения потока основаны на оценке объема пузырькового газа по уровню обратного рассеяния звука с использованием дополнительных данных других методов (например, оптических) о размерах, форме и скорости подъема всплывающих пузырьков [6, 13]. В последнее время находит применение метод с использованием калибровочных измерений зависимости вертикального объемного потока от акустического сечения обратного рассеяния всплывающих пузырьков, позволяющий выполнять количественную оценку и по акустическим данным многолучевых эхолотов [9].

Использование однолучевых эхолотов для пространственного картирования положения газовых “факелов”, хотя и позволяет обнаружить признаки эмиссии газа, ограничивается тем фактом, что система является одноканальной, и для обеспечения точного площадного картирования газовых выходов требуется частая сетка галсов. Вместе с тем, одновременное использование высокочастотных однолучевых и многолучевых систем позволяет уверенно выделять области повышенного рассеяния звука, связанные именно с подводной разгрузкой природного газа.

Для оперативного получения картины пространственного распределения газовых факелов авторами успешно использовался многолучевой эхолот WASSP WMB-3250 (рабочая частота 160 кГц). С учетом того, что данный эхолот имеет функцию записи акустического изображения разреза водной толщи и профиля поверхности дна, с его помощью удавалось получать пространственно-привязанную площадную картину эмиссии газа со дна моря (рис. 3). Помимо этого, батиметрическая площадная съемка позволяла обнаруживать покмарки – формы рельефа, непосредственно связанные с зонами подводной разгрузки природного газа, а также некоторые другие сопутствующие осложнения рельефа морского дна.

Рис. 3.

Пространственная трехмерная картина эмиссии газа из дна, полученная с помощью многолучевого эхолота.

В некоторых случаях для поиска участков подводной эмиссии природного газа возможно использовать гидролокационные данные многолучевого эхолота [5]. Их использование, также как и использование данных гидролокатора бокового обзора, целесообразно при рекогносцировочной съемке, так как точное определение местоположения газовых выходов этим методом практически невозможно.

Необходимо отметить, что регистрация параметров водной толщи при использовании высокочастотных многолучевых эхолотов требует весьма значительного объема компьютерной памяти, а их обработка занимает большое количество времени. Поэтому полная запись таких акустических данных целесообразна в местах с подтвержденными или ожидаемыми газовыми выходами, в том числе по данным однолучевого эхолота.

Кроме прямой регистрации исходящего со дна газа большой интерес представляет регистрация мест, где такая эмиссия потенциально возможна и наиболее вероятна. Для этих целей нами использовалось сейсмоакустическое оборудование. С его помощью уверенно выделялись предполагаемые зоны аномального газонасыщения осадков, основными признаками которых на записях сейсмоакустических изображений являлись: резкое возрастание амплитуды отражений, появление большого количества дифрагированных волн, задержка времени регистрации отражений от нижележащих границ, вызывающая их ложное прогибание, а также куполообразные и конусообразные вертикально ориентированные области акустически прозрачной или хаотической записи.

Проведенный в некоторых подобных местах отбор проб и последующий анализ содержания газа в керне подтвердили интерпретацию таких изображений как зон с повышенным содержанием газа. Концентрация метана в керне на глубине проявления акустической аномалии резко возрастала, в некоторых случаях – на два порядка [12].

На рис. 4а показан разрез, сделанный с помощью сейсмопрофилографа Edgetech в Печорском море с признаками аномальной насыщенности осадочной толщи природным газом. Вертикально ориентированные области акустически прозрачной записи (“газовые трубы”) имеют ширину от 10 до 100 м, для их верхней части характерны высокоамплитудные отражения сигнала. Можно отметить, что чем шире “труба”, тем меньше мелких областей прорывов в ее окрестностях. Это указывает на то, что прорывающие флюиды имеют свойство аккумулироваться из мелких в более крупные восходящие колонны. На разрезах сейсмопрофилографа SES-2000 в море Лаптевых хорошо заметны высокоамплитудные аномалии на глубине около 1 м под дном, регистрируемые на записи в виде дифрагированных волн (рис. 4б) и П-образные зоны акустической тени (рис. 4в). Несмотря на относительно низкочастотный (в сравнении с эхолотами) спектр сигналов профилографа, на рис. 4в заметен выход газа в водную толщу, что может указывать на очень мощный и концентрированный поток пузырьков.

Рис. 4.

Фрагменты сейсмоакустических разрезов с признаками аномальной газонасыщенности отложений.

Одной из задач исследований являлось одновременное использование различных акустических методов, позволяющее сразу изучать как водную, так и осадочную толщу, что повышало достоверность определения местоположения сипов – мест подводной разгрузки газов и флюидов. Кроме того, целью такого комплексирования было определение глубинных “корней” газовых выходов. На рис. 5 показан фрагмент профиля с одновременной записью данных высокочастотного эхолота и НСАП в море Лаптевых.

Рис. 5.

Фрагмент регионального профиля с одновременной записью данных высокочастотного эхолота (а) и НСАП (б). Кратные от дна отражения показаны черными стрелками, газонасыщенные слои – красными.

Вследствие высокого содержания газа в придонных осадках, на сейсмоакустических разрезах далеко не всегда удавалось проследить тонкую структуру верхней части разреза. На профиле НСАП хорошо видны вертикальные зоны нарушения корреляции и зоны тени, вызванные повышенным поглощением сейсмоакустической энергии в придонных слоях (рис. 5б). Кроме того, на разрезе отчетливо выделяются отдельные участки резкого возрастания амплитуд отражений на уровнях 25 и 65 м под дном, интерпретируемые как газонасыщенные слои, на рисунке они показаны стрелками. По этим данным мы можем утверждать, что вертикальная миграция газа к поверхности, совпадающая в плане с местами подводной разгрузки газа по данным эхолотирования (рис. 5а), происходит с глубины как минимум 65 м ниже поверхности дна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренный комплекс акустического оборудования позволил решать большинство задач, связанных с обнаружением, картированием и мониторингом процессов подводной разгрузки газов со дна шельфовой зоны морей Северного Ледовитого океана.

Высокое разрешение использовавшейся аппаратуры, а также удачная схема ее совместного расположения и использования позволили успешно определять местоположение газовых выходов в водную толщу, а также выделять аномалии в осадках, связанные c их повышенной газонасыщенностью.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках темы Государственного задания ИО РАН № 0128-2021-0005. Экспедиционные исследования на НИС “Академик Мстислав Келдыш” и “Академик М.А. Лаврентьев” были выполнены в рамках грантов РНФ № 21-77-30001 и Минобрнауки РФ (тема № 121021500057-4), на НИС “Академик Николай Страхов” – при поддержке гранта РФФИ № 18-35-20 060 и темы госзадания ГИН РАН № 0135-2019-0076. Обработка гидроакустических данных выполнена в рамках темы госзадания АААА-А20-120021990003-3.