СПОСОБ ОЦЕНКИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВЕРХНИХ СЛОЕВ ДНА Российский патент 2013 года по МПК G01V1/38 G01S15/89 

Для создания различного рода морских сооружений (добывающих платформ, трубопроводов, причалов) необходимо знать структуру и параметры донных осадков в местах их предполагаемого размещения. Как правило, структуру донных осадков получают путем пробного бурения на глубину донных осадков до нескольких десятков метров. Само бурение достаточно трудоемко и требует материальных и временных затрат.

Характеристики геологической структуры верхних слоев дна, такие как плотность и жесткость грунта, можно получить акустическими методами путем измерения уровня отражения звуковой энергии от донных осадков путем направленного излучения и приема импульсных сигналов.

Для увеличения глубины проникновения звуковой энергии в грунт необходимо использовать, как можно более низкие частоты от единиц до десятков Герц. Создать направленный излучатель для такого диапазона частот достаточно сложно, так как он должен иметь размеры больше, чем длина волны, а это несколько десятков метров.

В тоже время характеристики звукового поля в воде по пространству на этих частотах даже при непрерывном точечном излучении определяются характеристиками донных осадков, так что путем измерения интерференционной структуры звукового поля в водном пространстве можно оценить характеристики слоистой структуры дна (количество слоев, размеры, плотность и жесткость каждого слоя). Сама же интерференционная структура поля в водном слое для низких частот определяется суммой так называемых нормальных волн (А.П. Сташкевич «Акустика моря», издательство «Судостроение», Ленинград, 1966 г.).

Параметры нормальных волн (скорость распространения, амплитуда и затухание) можно определить, расположив излучатель и приемник на некотором расстоянии друг от друга в водной среде и последующем равномерном изменении между ними расстояния путем буксировки излучателя или приемника по горизонтали.

Приемник постоянно регистрирует изменяющуюся интерференционную структуру волнового поля в среде, по которой с помощью известных алгоритмов выделяют параметры нормальных волн акустического поля, такие как скорость распространения, амплитуда и затухание.

Затем решают волновое уравнение с граничными условиями, задавая в виде границы параметры нескольких лежащих друг на друге слоев дна, таких как толщина слоя, его плотность, скорость распространения и затухания в них звука. В результате решения волнового уравнения получают параметры нормальных волн. Эти параметры сравнивают с параметрами, полученными в эксперименте. Параметры геологической структуры дна получают при наилучшем совпадении экспериментальных данных с данными расчетов при вариации в них параметров дна.

Изменение расстояния Δr между излучателем и приемником должно быть таким, чтобы на нем укладывался один период интерференционной структуры звукового поля для заданной частоты излучения. Это условие должно удовлетворять следующему соотношению

$$\Delta r>\frac{1}{f}\cdot \frac{C_{г}\cdot C_{в}}{C_{г}-C_{в}}$$ ,

где f - частота излучения, C_г - наименьшая предполагаемая скорость распространения звука в грунте дна, C_в - скорость распространения сигнала в воде.

Источники информации:

1. Патент РФ №2392643.

2. Патент РФ №2072535.

3. Патент РФ №2072534.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для получения геологических данных морских донных осадков по измерению характеристик низкочастотных акустических полей в морской среде, не осуществляя предварительного бурения скважин. Параметры донных осадков получают на основе экспериментальных измерений пространственной интерференционной структуры акустического поля в заданном районе и последующем их сравнении с результатами решения волнового уравнения с заданными границами, параметры которых меняют в заданных пределах при математических оценках. Параметры дна получают, как результат наилучшего совпадения экспериментальных данных с данными решения волнового уравнения. Технический результат: повышение точности данных зондирования. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ оценки геологической структуры верхних слоев дна по измерению параметров распространения низкочастотных акустических сигналов в морской среде, связанный с излучением и приемом акустических гармонических колебаний в водной среде, отличающийся тем, что, с целью получения данных о геологической структуре донных осадков и их параметрах, производят излучение в водную среду акустического сигнала и его прием на некотором расстоянии от источника по горизонтали, которое постоянно равномерно меняется во времени по линии, соединяющей по горизонтали источник и приемник так, что приемник постоянно регистрирует изменяющуюся интерференционную структуру волнового поля в среде, по которой с помощью известных алгоритмов выделяют параметры нормальных волн акустического поля, такие как фазовая скорость распространения, амплитуда и затухание, а затем решают волновое уравнение с граничными условиями, задавая в виде границы параметры нескольких лежащих друг на друге слоев, таких как толщина слоя, его плотность, скорость распространения и затухания звука, результаты расчетов в виде параметров нормальных волн сравнивают с данными экспериментальных результатов, постоянно меняя значения параметров слоев при расчетах, параметры геологической структуры верхних осадков дна получают при наилучшем совпадении данных расчетов с экспериментальными результатами.

2. Способ оценки геологической структуры верхних слоев дна по п.1, отличающийся тем, что изменение расстояния между излучателем и приемником происходит либо при буксировке излучателя с равномерной скоростью с неподвижным приемником, либо буксировке приемника с неподвижным излучателем, при этом величина изменения расстояния Δr между ними должна удовлетворять неравенству
$$\Delta r>\frac{1}{f}\cdot \frac{C_{г}\cdot C_{в}}{C_{г}-C_{в}}$$ ,
где f - частота излучения, C_г - наименьшая предполагаемая скорость распространения звука в грунте дна, C_в - скорость распространения сигнала в воде.