СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ДНА ОКЕАНА Советский патент 1968 года по МПК G01V3/16 G01V1/38 G01V11/00 

Изобретение предназначено для исследования рельефа дна океана в условиях дрейфующих льдов.

Обширная, труднодоступная и недостаточно исследованная в гидрографическом отношении акватория Арктического бассейна требует изыскания более эффективных, нежели суш,ествующие, способов изучения рельефа дна. В настояш,ее время гидрографический промер в Арктическом бассейне осуш,ествляется почти исключительно нутем эхолотирования со льда, выполняемого как на дрейфующих исследовательских станциях, так и в отдельных пунктах, где совершают посадки оборудованные эхолотами вертолеты. Эхолотирование со льда не дает большой эффективности в работе: изменчивый характер дрейфа, высокая стоимость эксплуатации и малый радиус действия вертолетов ограничивают возможности этого способа.

Следствием описанного положения являются относительно низкие темпы изучения рельефа дна Арктического бассейна, не соответствующие насущным потребностям нрактики.

В этой ситуации решающую роль должно получить изыскание средств и способов изучения рельефа дна, которые отличались бы прежде всего высокими темпами, экономичностью и высокой надежностью обнаружения навигационных опасностей.

Предложенный способ исследования рельефа дна океана позволяет решить-эти задачи. Он состоит из аэромагнитного прогнозирования крупных форм рельефа дна, которое основано на теоретически предсказанной и экспериментально подтвержденной связи между характером аномального магнитного поля и структурой верхних горизонтов земной коры, непосредственно влияющих на формирование

рельефа дна океана, и в более доскональном изучении этой связи с помощью сейсмических исследований, специально разработанных для этой цели.

Способ представляет комплекс решения

двух задач общего направления - получение данных для научного районирования подробности промерных работ и проведения самого промера. Для получения в первом приближении предетавления о рельефе дна океана (его крупных формах) в способе предусмотрена морская аэромагнитная съемка, которая в отличие от обычной аэромагнитной съемки, применяемой в геологических исследованиях над сушей и

внутренними и окраинными морями, предпринимается для решения принципиально новых, гидрографических задач и проводится но методике, учитывающей епецифические условия работ, что позволяет в итоге произвести райопам рельефа дна с выделением локальных поднятий типа подводных гор (отдельных или образующих группы), которые могут представлять навигационные опасности. Этим самым съемка позволяет в короткие сроки и ценой относительно небольших затрат разделить акваторию Арктического бассейна на участки, требующие батиметрического изучения в различной очередности и детальности и тем самым поставить на научную основу иланированне промера, снимая необходимость подробного изучения рельефа глубоководных.котловин с ровцым дном, гарантируя обнаружение локальных подводных гор, которые могли быть пропущены при недостаточно подробном промере по заранее заданной регулярной сети.

Для более тщательного научного планирования промера, когда необходимо не только получить представление о рельефе дна океана в том или ином районе, но и определить границы участков, подлежащих детальному промеру в способе рекомендуется производить сейсмические исследования региональным сейсмозондированием, разработанным по специальной методике, которое, несмотря на свою большую трудоемкость по отношению к морской аэромагнитной съемке, позволяет наряду с определением границ участков, подлежащих детальному промеру, произвести попутно с этим подробное исследование рельефа дна в окрестности этих участков.

Поэтому в зависимости от обстановки, условий работы и сроков выполнения для научного нланнрования промерных работ в способе приведены как специально разработанная для этой цели морская аэромагнитная съемка. так и региональное сейсмозондирование, которые могут быть использованы как раздельно, так и Б комбинации, в зависимости от удаленности района работ от основной базы и трудоемкости работ в том или ином районе исследований.

Морская аэромагнитная съемка

Методика полевых работ морской а:-)ромагнитной съемкн отличается от применяемой в геологических работах. Масштаб морской аэромагнитной съемки выбирается с учетом характера аномального магнитного поля и степени его сложности, с одной стороны, и с учетом магнитных эффектов, создаваемых отдельными формами рельефа и, в первую очередь, подводными горами, - с другой стороны. Практически было установлено, что целесообразным является проведение съемки в масштабе 1 : 2 000 000 - 1 : 3 500 000 для целей генерального морфологического районирования и в масштабе 1 : 300 000 - 1 : -750 000 - для детального морфологического районирования и обнаружения локальных форм подводного горного рельефа.

водятся серийным относительным аэромагнитометром АММ-13 и абсолютным магнитометром-приставкой, в качестве которой может быть использован любой ядерно-резонансный маг5 нитометр, пригодный для эксплуатации на самолете. Для достижения высокой точности в способе предложена и опробована оригинальная методика комплексирования относительных и абсолютных воздушных измерений. 10 В связи с дрейфом ледового покрова учет геомагнитных вариаций проводится с помошью рациональной сети опорных маршрутов, параметры которой рассчитываются, исходя из состояния переменного геомагнитного поля в 5 районе работ и требований к точности съемки. Плановое и высотное обеспечение морской аэромагнитной съемки производится любым способом, обеспечивающим требуемую . точность измерений, причем сами требования к

0 точности определения координат самолета выводятся из требований к точности измерений магнитного поля с учетом степени сложности аномального поля в районе работ.

Проведя аэромагнитную съемку и обработав ее материалы, производят построение карт аномального магнитного поля и карт распределения его источников. Эти документы кладутся в основу районирования изученной акватории по магнитному полю.

0 Ло характеру магнитного поля изученная акватория делится на несколько участков, в границы которых включаются площади, характеризующиеся однотипным аномальным полем, т. е. одинаковым уровнем поля, амплитудой, частотой и градиентом аномалий и другими признаками, в совокупности образующими представления о структуре аномального магнитного ноля. При районировании по магнитному полю принимается во внимание

0 также распределение источников Л1агнитных аномалий, отыскиваемое путем количественной интерпретации аэромагнитных данных.

В условиях океана источниками магнитных аномалий являются геологические тела, отличающиеся повышенной намагниченностью и залегающие на различной глубине под дном океана, причем в отдельных случаях источниками магнитных аномалий могут быть тела, непосредственно формирующие рельеф; например, подводные горы (вулканы). Распределение намагниченных тел в пространстве является одним из существенных элементов геологического строения, которое непосредственно связано с рельефом дпа океана.

5 Районирование по магнитному полю и распределению его источников является необходимым, но все же недостаточным условием для полного решения задачи морфологического районирования дна акватории. Для морфологической интерпретации аэромагнитных данных в этом случае необходим некоторый объем независимых данных о рельефе дна в районе работ, минимум которых в большинстве случаев имеется на Арктический бассейн.

работ чрезвычайно мала, а структура магнитного поля может оказаться весьма сложной, то в таких случаях необходимо провести дополнительные сейсмические или промерные работы в самом небольшом объеме (примерно одна точка на 10000 кв. км).

Имеющиеся сведения о глубинах дна используются также для контроля расчетных глубин, отыскиваемых при количественной интерпретации магнитных аномалий. Переход к морфологическому районированию состоит в придании морфологического содержания участкам с различной структурой магнитного поля путем сопоставления расчетных глубин намагниченных тел и структуры поля с известными глубинами дна. Расчеты глубин намагниченных тел проводятся одним или несколькими способами из чнсла существующих в магниторазведке, при таких допущениях о форме намагниченных тел, которые наиболее точно отвечают имеющимся данным. Если, однако, при проведении расчетов выявятся глубины намагниченных тел, значительно меньщие, нежели известные в районе, то участки малых расчетных глубин выделяются под первоочередную нромерную или сейсмическую проверку. Таким образом, гидрографическое использование предлагаемого способа заверщается прогнозом крупных форм рельефа дна.

В результате аэромагнитного прогнозирования выявляются формы рельефа дна, относящиеся к материковому склону, абиссальные равнины с ровным и холмистым рельефом, срединно-океанические хребты, в пределах которых удается уверенно проследить рифтовую зону, границы провинции гребневых гор и отдельные отроги хребта, а также асейсмичные подводные хребты и их отроги, крутые уступы, Большие подводные горы надежно обнаруживаются в пределах срединного хребта и глубоководных котловин при достаточной детальности съемки. Менее уверенно обнаруживаются отдельные невулканические поднятия в верщинных частях асейсмичных хребтов. Не проявляются в магнитном поле некоторые отрицательные формы рельефа, представляющие собой результат эрозии осадочного покрова на дне океана, т. е. долины и каньоны на материковом склоне и в абиссальных котловинах.

Аэромагнитное прогнозирование позволяет не только произвести районирование дна акватории по типам рельефа, но и указать максимальные возможные средние глубины дна (т. е. глубины намагниченных тел, которые, очевидно, всегда больше или равны глубинам моря). В районах с расчлененным рельефом дна но магнитному полю удается предсказать простирание крупных форм рельефа и направление пересекающих их отрицательных форм рельефа.

Сейсмические исследования

Картирование рельефа дна малоизученных районов, таких как Арктический бассейн, сейсмическими методами основано на новом подходе, базирующемся на выявлении существующих объективных связей между морфологией рельефа дна и глубинно-геологическим строением, позволяющим по незначительному

количеству гочек сейсмозондирований судить иа основании установленного вида связи о состоянии рельефа дна и ожидаемых изменениях на большой площади. В отличие от эхолотного промера сейсмические исследования

позволяют получать сведения не только о глубине моря и точке зондирования с точностью до 01-03% от глубины, но и получать также информацию о величине и азимуте наклона как поверхности дна, так и поддонных горизонтов. Следовательно, сейсмические исследования позволяют получать сведения, которые дают возможность судить не только о поверхности дна, но и о характере нижележащих комплексов пород, условия залегания которых определяют состояние рельефа дна в окрестностях точки сейсмозондирования.

Сейсмические методы исследования применяются в настоящее время на суще или на мелководье только для изучения глубинногеологического строения с целью установления размещения и оконтуривания залежей полезных ископаемых. Пз результатов сейсмических работ и полученных сведений о глубинно-геологическом строении не выводятся закономерности, наблюдаемые и происходящие Б изменениях рельефа сущи. Паоборот, в результате изучения морфологии поверхности суши предпринимались попытки определить особенности глубинно-геологического строения, что являлось крайне неоднозначным.

В ином положении находится производство сейсмических работ в условиях океанов и глубоких морей. Здесь поверхность наблюдения и поверхность рельефа дна отделены друг от

друга большим слоем водной толщи, причем поверхность наблюдения все время остается постоянной и является как бы опо-рной, относительно которой изменяются как новерхность рельефа дна, так и различные глубинно-геологические границы.

Следовательно, производя сейсмические работы в условиях океанов и глубоких морей и получая одновременно на одной и той же сейсмограмме отражения от всех границ рязделов, находящихся ниже поверхности наблюдения, включая поверхность дна и поверхности более глубоких горизонтов, можно установить, в каких соотносительных изменениях находятся изменения рельефа дна и изменения в глубинно-геологическом строенйи. Если на суше связь между условиями залегания пород, слагающих поверхность дневного рельефа, и особенностями глубинно-геологического строения крайне сложна, в силу того, что рельеф яввующих факторов: внешних - экзогенных процессов и внутренних - эндогенных, и неизвестно в каждом конкретном случае, какой из факторов преобладал над другим, то в условиях океанов и глубоких морей рельеф поверхности дна выступает в «чистом виде, он зависит главным образом от изменений, ироисходящих в глубинно-геологическом строении. Для районов открытого моря, где глубины больше 200 м, роль экзогенных ироцессов мала, поэтому основным формирующим фактором рельефа дна являются глубинно-геологические процессы, приводяш,ие к перестройке одних форм рельефа дна в другие. Такая перестройка вначале происходит в нижних слоях земной коры, иосле чего, как следствие, ироявляется в изменении рельефа дна. Поэтому можно считать, что наиболее чувствительным индикатором изменения морфологии дна является характер изменения гговерхпости нижележаш,их комплексов пород Устанавливая определенные зависимости между морфологией рельефа дна и глубинно-геологическим строением, можно подойти к вопросу картирования рельефа дна не только с чисто , метрических позиций и судить о его природе лишь на основании большого набора промерных глубин, но и с позиций научно-теоретических, опирающихся на выявление особенностей глубинно-геологического строения. Такой подход является особенно перспективным в условиях акватории Арктического бассейна, покрытого льдом, так как позволяет определить в плане по незначительному количеству сейсмозондирований изменения рельефа дна прежде, чем они .будут выражены в изменениях абсолютных отметок глубин. Эго возможно в силу того, что практически лРобая морфометрически выраженная структура в площадном отношении меньще структуры тектонической, т. е. площадь, вовлеченная в общий этап поднятий или опуеканий, или в какую-либо другую перестройку, больще площади проявления в виде изменения (поверхности) рельефа дна. Изучение и картирование рельефа дна Арктического бассейна сейсмическими методами осуществляется в два этапа: региональное изучение основных форм рельефа дна общирных акваторий океана путем постановки каркасной сейсмической съемки для установления условий сочленения и характера взаимоперехода одних крупных форм рельефа дна в другие и определения генетического типа выявленных форм, что позволяет определить первоочередные участки съемки и выбрать в пределах этих съемок необходимый масщтаб для последующего детального промера, в зависимости от установленного генетического типа подледного рельефа и степени его расчлененности; второй этап - детальная площадная съемка наиболее важных и сложно построенных участков подледного рельефа дна путем производства площадных сейсмозондирований (сейсмолотирование), либо в виде комбинированной съемки (эхолотный дискретный промер со льда, сопровождаемый одиночнытии сейсмозондированиями) с целью составления на эти участки коидиционных батиметрических карт. Региональное изучение основных форм рельефа дна (каркасное сейсмозондирование) Региональное изучение основных форм рельефа дна Арктического бассейна выполняется методом отраженных волн по методике пространственного сейсмозондирования с иомощью облегченных сейсмических станций, установленных на специально оборудованных самолетах типа ЛИ-2 или АН-2, которые способны совершать посадку на лед в заданных районах. В качестве источника излучения применяется взрыв тротиловой шашки весом от 0,075 кг до 0,4 кг. Сейсмозондирования производятся при угловой или трех-, четырехлучевой расстановке еейсмичееких кос с базой наблюдения 275-550 м, что позволяет, как было показано, кроме глубины моря, определить угол и азимут наклона поверхности дна, а также изучить условия залегания, степень дислоцированности и характер изменения мощности осадочных пород. Масщтаб каркасных сейсмозондирований не зависит от степени елол ности или простоты строения рельефа, а также от удаленности меет базирования самолетов и еоставляет от 1 : 5 000 000 до 1 : 10000000. В результате работ первого этапа на район иеследуемой площади составляется морфотектоническая карта, на которой выделяются участки с резко различным геологическим и формометрическим строениями, определяется зависимость между характером изменения рельеефа дна и изменениями, происходящими в нижележащих комплексах пород. Морфотектоническая карта, сейсмограммы и вычисленные зависимости поведения рельефа дна от изменения глубинно-геологического строения являются исходным материалом для научного планирования последовательности выполнения съемки и определения масщтаба промерных работ. Площадное детальное картирование подледного рельефа дна Как и при региональном рекогноецировочном сейсмозондировании (каркасная съемка), детальный сейсмический промер выполняется методом отраженных волн по методике пространственных сейсмозондирований. Съемка ведется в виде угловых зондирований с базой приема 275X275 м. По своему назначению и особенностям производства работ площадные сейсмические исследования подразделяются на сейсмический промер (сейсмолотирование), который ставится ири изучении иодледного

ностью рельефа (континентальный склон, глубоководные котловины - районы абиссальных равнин, нологие склоны хребтов, крупные впадины, желоба), и на комбинированный метод промера, когда сейсмические зондирования выполняются совместно с дискретным эхолотным промером для изучения районов с сильно пересеченным рельефом дна. К таким районам относятся хребты, районы отдельных горновулканпческих иоднятнй, крупных порогов, каньонов. При комбинированном методе промера сочетается использование сейсмического зондирования с эхолотированием.

Масштаб детального сейсмического картирования определяется степенью пересеченности рельефа и изменяется от 1 : 500 000 до 1:2000000, В процессе съемки масштаб детального сейсмического картирования может быть изменен в сторону еще большего укруннения и могут быть намечены дополнительные участки для егуш:ения. Точки дополнительного сгуш,ення определяются нутем анализа нанесенных на рабочий планшет векторов наклона дна. Для этого все векторы углов наклона дна, значение которых больше 3-5°, продолжаются до пересечения с другими смежными и встречными векторами. При этом учитывается и наклон нижележащих нанлаетований горных нород. В случае однотипности наклона дна и нижележащих горизонтов достоверность изменения рельефа дна в данном направлении не вызывает сомнения. Места точек пересечения продолженных векторов анализируются с привлечением всех данных окружающих глубин и выявленных изменений глубинно-геологического строения. Процесс анализа н взятия дополнительных точек производится до тех пор, пока рельеф изучаемого района не будет освещен с требуемой подробностью и точностью. В зависимости от вида пересечения сосчитанных векторов углов наклона поверхности дна, могут быть встречены в районе работ, в интервале между двумя

зондированиями, простые формы поверхности рельефа дна (моноклинальные формы поверхности дна, антиклинальные и синклинальные), когда вектора имеют «общую точку и сложно построенные изоклинальные формы поверхности рельефа (когда нет «общей точки пересечения).

Если ошибки вычисления отсутствуют и, несмотря на это, существует значительное расхождение векторов, а также наблюдается дислоцированный характер нижележащих толщ горных пород в точках зондирования, то все это указывает на то, что в интервале между двумя зондированиями имеет меето изоклинальная поверхность рельефа дна и, следовательно, в промежутке между нпми должна быть взята дополнительная промерная точка.

Полученные векторы наклонов дают возможность определить не только состояние рельефа дна, его степень пересеченности и осложненностн в промежутках между зондированиями и в связи с этим наметить и выполнить дополнительное сгущение, но также подойти по-новому к построению батиметрических карт и в первую очередь к вычерчиванию изобат. При наличии векторов наклонов дна вычерчивание изобат производится с обязательным учетом величины угла наклона дна, определением градиента и оценкой локального и регионального его значения.

Интерполяция изобат производится не как линейная, принятая при обычном дискретном способе промера, а как векторно-линейная, что значительно объективнее отражает изображение рельефа дна.

Предмет изобретения

Способ исследования рельефа дна океана, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности иромера, его ускорения и снижения стоимости работ, прпменяют комплекс аэромагнитной съемки и сейсмозондирования.