WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 17 |

Первые советские сейсмические работы в Атлантическом океане были начаты в 1963 году и проводились в районе островов Мадейра на парусном океанографическом судне “Седов”. Впоследствии аналогичные исследования, но в значительно большем объеме, были проведены в Северо-Западной Атлантике в 1964-65 гг. на судне “Полюс”. Проведенные измерения позволили выяснить особенности строения и мощности осадочных отложений в указанных районах океана. Начиная с 1967 г., эти исследования продолжаются Институтом океанологии АН СССР, гидрографией флота и др.

В 1969-1971 гг. на нем были осуществлены комплексные (магнитные, гравиметрические и сейсмические) исследования структуры земной коры и осадочной толщи в Северной и Экваториальной Атлантике.

За тридцать лет, прошедших со времени первых работ Мориса Юинга, методика и техника морских сейсмических измерений претерпела весьма существенные изменения. Весь период становления и развития этих исследований можно приблизительно разделить на этапа.

Первый из них (1936-1946 гг.) можно охарактеризовать, как экспериментальный. Основной задачей исследований на этом этапе являлось доказательство принципиальной возможности и целесообразности расширения сейсмических работ на область океана.

Методика первых измерений была чрезвычайно сложна, аппаратура громоздка и неудобна. Это объясняется в первую очередь тем, что на первом этапе применялась в основном обычная сухопутная аппаратура, приспособленная к проведению морских работ. Необходимость укладки предварительно герметизированных сейсмографов на дно (впрочем, как и заряды) затрудняло продвижение измерений на большие глубины и существенно снижало производительность.

Второй - послевоенный этап, охватывающий период с 1946 по 1950 гг., характеризуется большим оживлением прерванных войной сейсмических исследований в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. Эти годы явились началом интенсивного освоения методики глубоководных измерений. Последнее стало возможным благодаря созданию пьезоэлектрического приемника давления, применению подвешенных гидрофонов и поверхностных взрывов, позволивших значительно упростить методику исследований МОВ и МПВ в океане. Немалую роль в развитии океанской сейсмики этого периода сыграло использование военных кораблей США и Англии, освободившихся от военных действий после окончания Второй мировой войны.

Третий этап охватывает период с 1950 по 1960 годы. Он отмечен коренным изменением методики глубинного сейсмозондирования благодаря применению сейсмоакустических радиобуев. Первая конструкция радиобуя была разработана в Кембриджском университете (Англия) под руководством М. Хилла в 1949 году. Одновременное использование нескольких буев позволяло вести работы МПВ с одного корабля, тогда как раньше эти работы требовали постоянного присутствия на профиле двух кораблей. Новая методика сразу же получила признание, ибо значительно удешевляла исследования и давала возможность увеличить число экспедиций.

Впервые радиобуи были широко использованы при проведении сейсмических измерений в кругосветной экспедиции на “Челленджере” в 1950-1953 годах. Впоследствии они нашли широкое применение при исследованиях структуры земной коры подводной окраины материка и глубоководных бассейнов мирового океана.

Современный - четвертый этап сейсмических исследований Мирового океана начался с 1960 года после создания Скриппсовским океанографическим институтом и Электронной лабораторией ВМФ США аппаратуры непрерывного сейсмического профилирования (НСП), позволяющей получать непрерывный разрез верхних слоев земной коры (главным образом осадочной толщи) по пути следования корабля. В качестве источника возбуждения был применен электроискровой разрядник (спаркер), который вместе с приемным гидрофоном буксировался за кораблем. Вслед за спаркером были созданы и другие типы излучателей, позволившие заменить дорогостоящие и опасные взрывчатые вещества и одновременно резко увеличить производительность морских сейсмических работ. За короткий период с помощью аппаратуры профилирования была проведена съемка огромных океанских площадей и изучена структура осадочного покрова и рельеф подстилающего фундамента во всех провинциях дна. Одновременно резкое удешевление работ позволило целому ряду стран включиться в производство сейсмических исследований в океане.

Так например, если на первых трех этапах эти измерения проводились преимущественно двумя странами - США и Англией, то, начиная с 1960 года в работы последовательно включается целый ряд стран Западной Европы, а также Канада, ЮАР, Япония и др. Конечно, немалую роль при этом сыграло открытие крупных месторождений нефти и газа на шельфах Северной Америки и Европы, а также развитие взглядов на природу и тектонику дна океана.

§2. Скорость звука в морской воде Знание характера изменения скорости распространения звуковых волн в океане весьма важно для решения целого ряда научных и прикладных задач. В частности, точные измерения глубин, обнаружение подводных объектов, изучение структуры поддонных слоев, поиски скоплений рыб и др., были бы невозможны без предварительного изучения акустической характеристики толщи воды.

В настоящее время определение скорости звука в океане осуществляется двумя методами: косвенным - по определениям температуры, солености и давления морской воды и прямыми измерениями скорости звука с помощью специальных приборов - скоростомеров.

Первый способ основан на эмпирически установленной зависимости скорости звука от температуры t, солености S и давления P морской воды, т.е. в общем виде эта зависимость определится выражением:

C=f (t, s, p) (I.I) Гидростатическое давление для каждой данной глубины является величиной постоянной. Температура и соленость меняются как в пространстве, так и во времени.

Гидростатическое давление увеличивается с глубиной в соответствии с выражением P=0,103887h+0,31, что однако, не сопровождается сколько-нибудь существенным увеличением плотности воды 0.

Увеличение скорости звука, при увеличении давления обусловлено уменьшением коэффициента сжимаемости К, характеризующим относительное изменение объема воды dV/V на единицу измерения давления:, т.е.

1 dV k =- ; (I.2) V dP C = (I.3) k Знак минус в выражении (I.2) означает уменьшение объема воды под действием давления. Приближенно увеличение скорости за счет увеличения гидростатического давления можно оценить по формуле:

ср = C0 0,00012p (I.4) где С0 - скорость звука при атмосферном давлении (у поверхности воды), p - гидростатическое давление в атмосфере. Как видно из формулы, изменение гидростатического давления на 1 атм., что соответствует увеличению глубины на 10 м, приводит к увеличению скорости на 1,75 м/с.

С физической стороны увеличение скорости звука с возрастанием давления обусловлено тем, что при этом происходит уменьшение количества и объема газовых и воздушных пузырьков с постепенным переходом их в растворенное состояние.

Наибольшее влияние на скорость звука оказывает изменение температуры воды. Увеличение температуры приводит к увеличению скорости звука, т.к. при этом происходит уменьшение коэффициента сжимаемости К и плотности (I.3). Например, увеличение t от 0 до +10С сопровождается увеличением скорости на 4,7 м/с. С повышением начальной температуры градиент скорости уменьшается.

Так увеличение t от 30 0 до 310 дает увеличение скорости на 2,2 м/с.

Соленость также оказывает влияние на скорость звука, т.к. увеличение содержания растворенных минеральных элементов приводит к увеличению плотности воды. Одновременно с этим происходит уменьшение коэффициента сжимаемости К. Однако с увеличением солености плотность растет примерно в 3 раза медленнее, чем уменьшается коэффициент сжимаемости К. В итоге увеличение солености воды приводит к увеличению скорости звука, в соответствии с приближенной формулой cs = c0 0,0008s, (I.5) где c0 - скорость звука в пресной воде;

s - соленость воды в 0/00.

Как видно из формулы, изменение солености на 1% приводит к увеличению скорости звука примерно на 1,2 м/с и в зависимости от температуры может меняться от 1,0 до 1,4 м/с. Градиент cs больше при низких температурах и меньше при высоких.

Плотность воды уменьшается при увеличении температуры и увеличивается при увеличении солености и давления. В частности, увеличение плотности в зависимости от гидростатического давления в интервале 100—10000 м составляет всего 0,04902 г/см3.

В настоящее время в России и за рубежом для расчета скорости звука по температуре, солености и гидростатическому давлению принята формула Вильсона. Формула имеет следующий вид:

c = c0 + ct + cs + cp + cpst, (I.6) где c0=1449,14 м/с - скорость звука при t=00; s=35%; =1,033 г/см3;

ct - поправка на температуру воды; cs- поправка на соленость; cp - поправка на гидростатическое давление; cpst - поправка на взаимодействие p, s и t. По формуле (I.6) рассчитаны таблицы, позволяющие по известным p, s и t определить скорость звука в морской воде.

Средняя квадратичная ошибка определения скорости звука по формуле Вильсона составляет 0,22 м/с.

Наряду с косвенными методами, основанными на эмпирической зависимости скорости звука от t, p и s, существуют методы непосредственного измерения скорости звука с помощью специальных приборов - скоростомеров. Один из наиболее простых и распространенных методов основан на измерении времени пробега t импульса между излучателем и приемником. При известном расстоянии d скорость определится как d c =, (I.7) t Импульсный скоростомер можно погружать на различные глубины и, таким образом, производить измерение скорости звука по вертикали. Точность метода в значительной степени зависит от точности измерения расстояния d. Существуют также лабораторные методы измерения скорости звука, которые более точны, но и более сложны. В основе большинства лабораторных методов лежит использование эффекта стоячих волн. Колебания создаются кварцевым генератором или поршнем, расположенным на известном расстоянии d от перегородки. Волны, отраженные от двух стенок (перегородок), образую стоячие волны.

Расстояние между двумя пучностями волн соответствует половине длины ультразвуковой волны:

d = 2, (I.8) n где n-число полуволн. При известной частоте колебаний скорость звука определяется по формуле:

2d c = f или c = f (I.9) n Лабораторные методы имеют ограниченное применение в океанологии, т.к. не позволяют вести измерения непосредственно в океане и на разных глубинах. В целом скорость звука в морской воде меняется от 1440 до 1540 м/с.

Распределение скорости звука в океане Скорость звука в океане слабо меняется в горизонтальном направлении. Основные изменения скорости звука происходят по вертикали с глубиной бассейна.

Как уже говорилось выше, в глубоком океане гидростатическое давление есть постоянная функция глубины и не меняется в пространстве, т.е.

p=p(z) (I.10) Температура и соленость меняется не только с глубиной, но и в пространстве и во времени, т.е.

T=T (x, y, z, t) s=s (x, y, z, t) (I.11) Следовательно, скорость звука в общем случае есть функция глубины, давления, температуры, солености и координат места:

c=c (x, y, z, p, T, s, t) (I.12) В мелководных морях и шельфовых районах океана, вследствие постоянного перемешивания всей водной массы, водный слой часто является однородным по температуре и солености. Изменением же давления здесь можно вообще пренебречь. Следовательно, скорость звука на мелководье будет зависеть в основном от температуры и солености воды, а также от широты места и времени года, т.е.

c=c (x, y, T, s, t) (I.13) Рассмотрим теперь наиболее характерные случаи изменения скорости звука с глубиной в глубоководных и мелководных бассейнах. В общем случае по характеру изменения средних значений c (z) в глубоководных районах океана можно выделить три области - высокоширотную, среднеширотную и экваториальную (рис. 1). В высокоширотных районах океана минимум скорости звука располагается вблизи поверхности воды. Так как в течение всего года температура воды здесь существенно не меняется, то изменение скорости звука с глубиной происходит по закону близкому к линейному и определяется в основном гидростатическим давлением.

В средних широтах, где преобладают сезонные изменения температуры воды, вертикальный профиль кривой c (z) меняется в течение года. Летом, когда поверхностные слои воды устойчиво прогреваются, а число штормовых дней резко сокращается, температура воды в верхних 50 метрах увеличивается, а с нею увеличивается и скорость звука. Ниже 50 м происходит понижение температуры и соответственно уменьшение скорости. Начиная где-то с 150—200 м, скорость звука опять увеличивается, но уже за счет гидростатического давления. Этот слой резкого изменения температуры называется слоем скачка. С ним связано существование приповерхностного звукового канала (рис. 2).

Во время зимних месяцев температура воды у поверхности понижается, а частые штормы приводят к перемешиванию водных масс. В результате устанавливается постоянная температура, и звуковой канал (или слой скачка) исчезает (рис. 1).

Изменение скорости с глубиной обусловлено лишь ростом гидростатического давления. Температурные условия на больших глубинах не зависят от сезонных изменений и сохраняются постоянными в течение всех времен года. Изменение скорости звука на больших глубинах определится исключительно ростом гидростатического давления. В результате в экваториальных и умеренных широтах на глубине порядка 900—1200 м устанавливается второй слой минимума скорости звука (рис. 3).

Приповерхностный и глубинные слои воды, характеризующиеся пониженными значениями скорости звука, температуры и гидростатики, называются приповерхностным и глубоководным звуковыми каналами. Эти звуковые каналы играют весьма важную роль в подводной акустике. По ним звук может распространяться (канализироваться) на очень большие расстояния — до 6—10 и более тысяч километров. Одновременно резкий перепад скорости приводит к искривлению акустических лучей и ослаблению интенсивности звука, что существенно ограничивает дальность и эффективность действия гидроакустических приборов вблизи звуковых каналов.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 17 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.