Способ геохимической разведки для геоэкологического мониторинга морских нефтегазоносных акваторий

Способ геохимической разведки для геоэкологического мониторинга морских нефтегазоносных акваторий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области геоэкологического мониторинга морских нефтегазоносных акваторий и может быть также использовано при геохимической разведке полезных ископаемых и для обнаружения утечек природного газа из морских магистральных трубопроводов.

Известен способ геохимической разведки (авторское свидетельство SU №1786460 [1]), включающий отбор проб горных пород и растительности вдоль водотоков, разделение проб горных пород на фракции и их анализ на содержание химических элементов, в котором пробы пород разделяют на две фракции - более 0,1 мм и менее 0,1 мм, первую анализируют на Si, Al, Ti, Y, а вторую на Hg, а пробы растительности анализируют на Ва, Cu, Pb, Zn, Ag, результаты анализа анализов фракции более 0,1 мм и проб растительности пересчитывают на соответствующие аддитивные показатели нормированных концентраций, строят карты распределения указанных аддитивных показателей и Hg и отождествляют объекты, характеризующиеся распределением аномальных значений аддитивных показателей и Hg в ряду Si, Al, Ti, Y - Ва, Cu, Pb, Zn, Ag - Hg - Ва, Cu, Pb, Zn, Ag - Si, Al, Ti, Y, с нефтегазоперспективными участками.

Разделение проб пород на две фракции с последующим химическим анализом в данном способе позволяет повысить надежность выявления нефтегазоперспективных участков.

Однако данный способ при использование его в морских условиях является трудоемким и связан с существенными материальными затратами так, что его реализация требует привлечения сложного оборудования для взятия проб и средств обеспечения поисковых работ.

Известен также способ обнаружения утечек природного газа из трубопроводов (патент RU №2017138[2]), заключающийся в облучении участка земной поверхности вблизи трубопровода лазерным излучением на двух длинах волн, одна из которых λ₁ попадает в полосу поглощения газа, а другая λ₂ лежит вне ее, регистрации интенсивности рассеянного поверхностью излучения на длине волны λ₁-P₁ и λ₂-Р₂, формировании видеосигнала, пропорционального отношению Р₂/Р_1, и сравнении видеосигнала с априорно заданным порогом, в котором с целью повышения точности определения места утечки и точности оценки концентрации газа в облаке утечки, дополнительно регистрируют температурный контраст обследуемого участка, по которому определяют координаты вероятного места утечки и его размеры L на поверхности, а лазерным излучением облучают непосредственно вероятное место утечки, причем среднюю концентрацию природного газа в облаке утечки определяют по формуле:

, ,

где σ₁ - сечение поглощения газа на длине волны λ₁;

σ₂ - сечение поглощения газа на длине волны λ₂;

θ - угол зондирования вероятного места утечки, отсчитываемый от вертикали;

Н - высота, с которой производится обследование.

При этом выполняют многократное облучение с разных направлений по отношению к облаку утечки, по которым устанавливают истинное место утечки.

Использование данного способа также ограничено только береговыми условиями и требует выполнения вычислительных операций.

Известен также способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода (патент RU №2040783 [3]), находящего в грунте, заключающийся в обзоре трубопровода трассоискателем, с одновременным сканированием трубопровода телевизионным датчиком, с помощью которого определяют место утечки, в котором обзор трубопровода осуществляют облетом на маловысотном летательном аппарате с использованием в качестве трассоискателя метрового локатора, а для определения места утечки дополнительно используют тепловизионный датчик, сьюстированный с тепловизионным датчиком, и осуществляют совместную цифровую фильтрацию сигналов локатора, телевизионного и тепловизионного датчика.

Данный способ также имеет ограниченное применение, так как его использование возможно только для определения утечки в трубопроводах, уложенных на поверхности суши или уложенных в грунте, и при благоприятных погодных условиях для выполнения полетов на малой высоте и отсутствии навигационных опасностей.

Известен также способ контроля магистрального трубопровода посредством обнаружения с вертолета облака метана над трубопроводом с использованием лазерного локатора, сканирующего атмосферу вдоль газопровода тремя разностными лучами (патент RU №2108597[4]).

Достоинством известного способа является то, что обработке подвергается облако метана, который является профилирующим при оценке обнаружения нефтегазовых месторождений, что обеспечивает необходимую достоверность получения исходных данных для последующего анализа.

Данный способ также имеет ограничения по использованию, обусловленные благоприятными погодными условиями для выполнения полетов.

Известен также способ геохимической разведки (патент RU №2374667 [5]), техническим результатом которого является повышение точности оценки концентрации газа в газовом образовании, преимущественно в водной среде.

В известном способе геохимической разведки, включающем анализ на содержание метана путем определения концентрации газа в газовом образовании, определение координат газового образования - в водной среде размещают буйковые станции, снабженные датчиками обнаружения метана, посредством которых измеряют концентрацию метана в водной толще по изменению сопротивления активного слоя датчика, которое преобразуют в выходное (измеренное) напряжение, координаты (географические) газового образования определяют по положению газового образования в подвижной системе координат буйковой станции, которое определяется в соответствии с выражением:

R(V_го, V_бс )=R_го+(V_го+V_бс)t,

где R(V_го, V_бс) - текущее положение газового образования относительно буйковой станции;

V_го, V_бс - векторы скорости буйковой станции и газового образования;

R_го - начальное положение газового образования;

R - радиус-вектор, определяющий положение буйковой станции в спутниковой системе координат;

t - текущее значение времени после определения положения газового образования, что существенно отличает данный способ от известных аналогов [1-4].

Однако в большинстве случаев, например, для экологической оценки загрязнения является важным и определение площади загрязнения водной поверхности и донных осадков при утечке нефти, что известными способами (аналогами) не решаются.

Известны также способы и технические средства проведения геоэкологического мониторинга морских акваторий (Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий /Л.И.Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Абросимов. М.: Наука, 2005, с.53-100 [5]). Для осуществления мониторинга морских акваторий в районах развертывания нефтегазовых комплексов в настоящее время используются преимущественно судовые методы наблюдения и контроля (с.53-58, [5]). При этом суда оснащаются спутниковыми навигационными средствами, гидроакустической и радиолокационной аппаратурой. Кроме того, судно также оснащается многолучевым эхолотом, служащим для съемки рельефа дна с широкой полосой захвата и быстрого обнаружения различных подводных объектов; двухчастотным параметрическим эхолотом, позволяющим осуществлять точную съемку рельефа дна и определять его структуру на несколько метров в глубину, обнаруживать объекты под слоем осадков (подводные трубопроводы и др.); гидрологическим зондом, служащим для определения ряда гидрофизических характеристик водной среды: температуры, скорости и направления течений, электромагнитных полей и др., такой зонд оснащается также батометрами для взятия проб воды на различных горизонтах; многоканальным СТД зонд-профилографом, служащим для определения основных водных характеристик (солености, температуры, давления на различных глубинах); гидрооптическим зондом для определения прозрачности и цвета водного массива; акустическим измерительным комплексом для определения скорости звука на различных глубинах, что необходимо для уточнения условий распространения гидроакустических сигналов в водной среде; биоокеанологическим комплексом, предназначенным для взятия проб в водной среде и на дне акватории, который включает сетки, тралы, драги, батометры и др.

Однако использование только судовых методов исследований не позволяет достигнуть необходимой оперативности измерений и непрерывности временных рядов, зависящих от погодных условий. Кроме того, морские экспедиционные работы в настоящее время стоят очень дорого, например, по сравнению с эксплуатацией стационарных станций. Спутниковые оптические наблюдения (с.58-62, [5]) используются для определения концентраций взвеси, растворенного органического вещества, пигментов фитопланктона, нефтяных загрязнений и исследования их пространственной и временной изменчивости по значениям коэффициента обратного рассеяния света взвесью. Способ отягощен сложными математическими вычислениями, а также его использование затруднено на акваториях с высокими фоновыми значениями взвесей.

Известные стационарные системы наблюдений с помощью донных и буйковых станций (с.63-82, [5]) представляют собой кабельные донные геофизические станции, оснащенные измерительной аппаратурой с использованием подводных кабелей для питания станций, управления ими и передачи информации на берег. Стоимость прокладки морских глубоководных кабелей чрезвычайно высока и может составлять много миллионов долларов при больших расстояниях. Также существенные трудности связаны с выводом кабелей на берег, так как волны прибоя размывают берега и обрывают кабели. Одним из существенных элементов автономных морских станций являются буйковые носители аппаратуры и якорно-буйрепные устройства, к недостаткам которых следует отнести вращение вокруг оси и значительные горизонтальные перемещения, невозможность подвешивать приборы на значительном расстоянии под буем из-за опасности запутывания приборного троса и буйрепа. Кроме того, стоимость буйковых носителей в настоящее время сопоставима со стоимостью используемой электронной аппаратуры, а зачастую и больше.

Известны способы наблюдения с размещением гидрохимических донных станций на морском дне (с.82-100, [5]).

При этом станция оснащена датчиками для измерения гидрохимических и гидрофизических параметров среды, спектроанализатором, микроЭВМ для управления работой станции, сбора, обработки и хранения зарегистрированных данных, модемы для приема и передачи информации по кабельным линиям связи или по радиоканалу, а также вспомогательные устройства для постановки и подъема, а также поиска станции на поверхности моря после ее всплытия.

Выявленных недостатков известных аналогов [1-5] лишен известный способ геохимической разведки (патент RU №2456644, 20.07.2012 [6]).

Известный способ геохимической разведки [6] заключается в том, что производят отбор проб горных пород и растительности вдоль водотоков, пробы горных пород разделяют на две фракции - более 0,1 мм и менее 0,1 мм, фракцию более 0,1 мм анализируют на содержание химических элементов Si, Al, Ti, Y, фракцию менее 0,1 мм - на содержание химического элемента Hg, пробы растительности анализируют на содержание химических элементов Ва, Cu, Pb, Zn, Ag, результаты анализа фракции более 0,1 мм и проб растительности пересчитывают на соответствующие аддитивные показатели нормированных концентраций, строят карты распределения указанных аддитивных показателей и химического элемента Hg и отождествляют объекты, характеризующиеся распределением аномальных значений аддитивных показателей и химического элемента Hg в ряду химических элементов Si, Al, Ti, Y-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Hg-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Si, Al, Ti, Y, с нефтегазовыми перспективными участками, производят анализ на содержание метана, определяют координаты газового образования по его положению в подвижной системе координат буйковых станций, размещаемых в водной среде и снабженных датчиками обнаружения метана, посредством которых измеряют концентрацию метана в водной толще по изменению сопротивления активного слоя датчика, которое преобразуют в выходное (измеренное) напряжение, в котором, в отличие от аналогов, предварительно выполняют съемку рельефа водной акватории, по результатам съемки выявляют затопленные речные долины, пересекающие континентальный шельф, выполняют зондирование донных осадков акустическими импульсами и измерение временного интервала между раздельными сигналами, выполняют восстановление рельефа местности, определяют длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины донного отложения осадков до подошвы и от подошвы донного отложения осадков на глубину залегания грунта до 2-4 км, выполняют анализ структурно-денудационных форм на рельефе с выделением терригенных отложений, при выявлении предпосылок существования нефтегазовых участков выполняют зондирование грунта путем воздействия когерентным импульсным протонным спиновым эхом, при этом выполняют томографическое восстановление изображения исследуемого геологического разреза грунта на уровне призматических кристаллов, дополнительно измеряют коэффициенты сопротивления и трения грунта дна, по которым определяют прочностные характеристики, коэффициенты сопротивления и трения измеряют посредством пенетрометра, установленного на донной сейсмической станции, причем устанавливают, по крайней мере, две донные сейсмические станции, посредством которых регистрируют микросейсмические волны, при анализе микросейсмических волн выделяют продольные микросейсмические волны и исключают из анализа поперечные микросейсмические волны посредством фазового амплитудного фильтра, при этом при анализе продольных микросейсмических волн выбирают все гармонические колебания, зарегистрированные двумя сейсмическими станциями одновременно и имеющие практически равные амплитуды, при этом угол между направлениями прихода микросейсмических сигналов одновременно от двух сейсмических станций, одна из которых расположена по нормали, составляет от 1 до 10°, при выявлении разливов транспортируемого жидкого продукта с образованием нефтяного пятна процессы растекания и переноса нефти рассчитывают с учетом гидродинамических параметров водной среды.

Однако в известном способе геохимической разведки [6] выполняют зондирование грунта путем воздействия когерентным импульсным протонным спиновым эхом, в то время как методом электронного парамагнитного резонанса можно определять концентрацию и идентифицировать парамагнитные частицы в любом агрегатном состоянии, что незаменимо для исследования кинетики и механизма процессов, происходящих с их участием в толще воды (гидросфере) особенно при катастрофических загрязнениях морских акваторий. Методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) решается широкий круг структурно-динамических задач. Детальное исследование спектров ЭПР парамагнитных ионов d- и f-элементов позволяет определить валентное состояние иона, найти симметрию кристаллического поля, количественно изучать кинетику и термодинамику многоступенчатых процессов комплексообразования ионов. Динамические эффекты в спектрах ЭПР, проявляющиеся в специфическом уширении отдельных компонент сверхтонкой структуры, обусловленном модуляцией величины констант за счет внутри- и межмолекулярной химической реакций, позволяют количественно исследовать эти реакции, например электронный обмен между ион-радикалами и исходными молекулами типа , лигандный обмен типа , внутримолекулярные процессы вращения отдельных фрагментов в радикалах, конформационные вырожденные переходы, внутримолекулярные процессы перемещения атомов или групп атомов в радикалах и т.д.

В двойном электронном ядерном резонансе (ДЭЯР) исследуемое вещество подвергают одновременному воздействию СВЧ-излучения и переменного магнитного поля в области частот ядерного магнитного резонанса (ЯМР). При этом СВЧ-излучение и постоянное магнитное поле поддерживаются в условиях резонанса, а частота ЯМР, то есть переменное магнитное поле, обеспечивающее реализацию ЯМР при данном постоянном магнитном поле, меняется в диапазоне, отвечающем величинам тонкой структуры конкретной спиновой системы. При выполнении условия ядерного резонанса происходит изменение интенсивности сигнала ЭПР. Спектр ДЭЯР, таким образом, представляет собой график изменения интенсивности сигнала ЭПР в зависимости от изменения частоты ЯМР. Метод значительно упрощает спектры исследуемых объектов. Например, если спектр ЭПР радикала (С₆Н₅)₃С* содержит 196 линий сверхтонкой структуры, то в спектре ДЭЯР регистрируется три пары линий, отвечающих трем наборам протонных констант тонкой структуры для этого радикала (орто-, мета-, пара-протоны трех фенильных колец). В двойном электрон-электронном резонансе (ДЭЭР) измеряют уменьшение интенсивности одного сверхтонкого перехода при одновременном насыщении (за счет большой мощности соответствующей СВЧ-частоты) второго сверхтонкого перехода. Обе модификации ЭПР дают очень точные значения констант сверхтонкой структуры. Метод электронного спинового эха (ЭСЭ) заключается в воздействии на спиновую систему коротких и мощных СВЧ-импульсов в условиях ЭПР и наблюдение релаксации возбужденной таким образом системы в исходное состояние. Помимо непосредственного измерения времен релаксации спиновой системы, что реализовано в прототипе, метод также позволяет получать информацию о скорости медленных движений свободных радикалов. Оптически детектируемый ЭПР (ОД ЭПР) дает информацию о свободных радикалах в радикальных парах, возникающих при радиационном или УФ воздействии в кристаллах и жидкой фазе. Спиновое состояние радикальной пары (синглетное или триплетное) можно изменить вынужденным путем, вызывая спиновые переходы партнеров пары под действием резонансного микроволнового поля во внешнем магнитном поле. Спектр ЭПР при этом регистрируется путем изменения выхода продуктов из радикальной пары любым аналитическим методом. Наибольшая чувствительность получается при использовании оптических методов, особенно по измерению люминесценции. При изменении напряженности магнитного поля записываемый спектр люминесценции в точности повторяет спектр ЭПР радикалов, возникающих в радикальных парах. Чувствительность метода составляет 10-10² частиц в образце, что позволяет получать сведения о спектрах ЭПР, строении и превращениях короткоживущих радикалов, время жизни которых составляет порядка 10^-8 с. (Энциклопедия физики и техники.webmaster @femto.. Вертц Дж., Болтон Дж., Теория п практические приложения метода ЭПР, М., 1975; Landolt-Bornstein, Numerical data and functional relationships in science and technology. New series, В., v. II/1, 1965-66, II/2, 1966, II/8, 1976-80, II/10, 1979, II/11, 1981, II/12, 1984, II/17, 1987-89).

Задачей настоящего технического предложения является расширение функциональных возможностей известных способов геохимической разведки.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе геохимической разведки для геоэкологического мониторинга морских нефтегазоносных акваторий, заключающемся в том, что производят отбор проб горных пород и растительности вдоль водотоков, пробы горных пород разделяют на две фракции - более 0,1 мм и менее 0,1 мм, фракцию более 0,1 мм анализируют на содержание химических элементов Si, Al, Ti, Y, фракцию менее 0,1 мм - на содержание химического элемента Hg, пробы растительности анализируют на содержание химических элементов Ва, Cu, Pb, Zn, Ag, результаты анализа фракции более 0,1 мм и проб растительности пересчитывают на соответствующие аддитивные показатели нормированных концентраций, строят карты распределения указанных аддитивных показателей и химического элемента Hg и отождествляют объекты, характеризующиеся распределением аномальных значений аддитивных показателей и химического элемента Hg в ряду химических элементов Si, Al, Ti, Y-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Hg-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Si, Al, Ti, Y, с нефтегазовыми перспективными участками, производят анализ на содержание метана, определяют координаты газового образования по его положению в подвижной системе координат буйковых станций, размещаемых в водной среде и снабженных датчиками обнаружения метана, посредством которых измеряют концентрацию метана в водной толще по изменению сопротивления активного слоя датчика, которое преобразуют в выходное (измеренное) напряжение, в котором предварительно выполняют съемку рельефа водной акватории, по результатам съемки выявляют затопленные речные долины, пересекающие континентальный шельф, выполняют зондирование донных осадков акустическими импульсами и измерение временного интервала между раздельными сигналами, выполняют восстановление рельефа местности, определяют длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины донного отложения осадков до подошвы и от подошвы донного отложения осадков на глубину залегания грунта до 2-4 км, выполняют анализ структурно-денудационных форм на рельефе с выделением терригенных отложений, при выявлении предпосылок существования нефтегазовых участков выполняют зондирование грунта путем воздействия когерентным импульсным протонным спиновым эхом, при этом выполняют томографическое восстановление изображения исследуемого геологического разреза грунта на уровне призматических кристаллов, дополнительно измеряют коэффициенты сопротивления и трения грунта дна, по которым определяют прочностные характеристики, коэффициенты сопротивления и трения измеряют посредством пенетрометра, установленного на донной сейсмической станции, причем устанавливают, по крайней мере, две донные сейсмические станции, посредством которых регистрируют микросейсмические волны, при анализе микросейсмических волн выделяют продольные микросейсмические волны и исключают из анализа поперечные микросейсмические волны посредством фазового амплитудного фильтра, при этом при анализе продольных микросейсмических волн выбирают все гармонические колебания, зарегистрированные двумя сейсмическими станциями одновременно и имеющие практически равные амплитуды, при этом угол между направлениями прихода микросейсмических сигналов одновременно от двух сейсмических станций, одна из которых расположена по нормали, составляет от 1 до 10°, при выявлении разливов транспортируемого жидкого продукта с образованием нефтяного пятна процессы растекания и переноса нефти рассчитывают с учетом гидродинамических параметров водной среды, отличающийся тем, что при зондировании грунта путем воздействия когерентным импульсным протонным спиновым эхом дополнительно зондируют гидросферу, исследуемую среду подвергают одновременному воздействию СВЧ-излучения и переменного магнитного поля в области частот ядерно-магнитного резонанса, при этом СВЧ-излучение и постоянное магнитное поле поддерживаются в условиях резонанса, при этом измеряют уменьшение интенсивности одного сверхтонкого перехода при одновременном насыщении, за счет большой мощности соответствующей СВЧ-частоты второго сверхтонкого перехода, дополнительно электронный парамагнитный резонанс подвергают оптическому детектированию, при этом спиновое состояние радикальной пары (синглетное или триплетное) изменяют вынужденным путем, вызывая спиновые переходы партнеров пары под действием резонансного микроволнового поля во внешнем магнитом поле, спектр электронного магнитного резонанса при этом регистрируется путем изменения выхода продуктов из радикальной пары аналитическим методом.

Заявляемый способ геохимической разведки для геоэкологического мониторинга морских нефтегазоносных акваторий основан на ряде выполненных исследований, которые базируются на анализе результатов процессов морского осадкообразования (О.К.Леонтьев. Морская геология. М.: Высшая школа. 1982, с.118), на ход и интенсивность химических процессов, которых оказывает большое влияние их удельная поверхность, которая находится в прямой зависимости от механического и вещественного состава осадков (О.К.Леонтьев. Морская геология. М.: Высшая школа. 1982, с.136).

Известно, что «нефть присутствует в водной среде в виде нескольких агрегатных состояний: поверхностных пленок (сликов); растворенных форм; эмульсий (типа «нефть в воде» и «вода в нефти»); взвешенных форм (плавающие на поверхности и в толще воды мазутно-нефтяные образования, сорбированные на взвесях нефтяные фракции); осажденных на дне твердых и вязких компонентов; аккумулированных в гидробионтах соединений, и также, в конечном итоге, отлагающихся на морском дне (Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий / Лобковский Л.И., Левченко Д.Г., Леонов А.В., Амбросимов А.К. // М.: Наука, 2005, с.194). При этом предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих нефтяных веществ могут достигать 10-20 ПДК (Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий/ Лобковский Л.И, Левченко Д.Г., Леонов А.В., Амбросимов А.К. // М., Наука, 2005, с.293).

Исследования по выявлению опасных компонент загрязнения вод Каспийского моря (Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий/ Лобковский Л.И., Левченко Д.Г., Леонов А.В., Амбросимов А.К.// М.: Наука, 2005, с.292) показали, что высокая концентрация нефтяных продуктов отмечается во всей ее толще. При этом следы нефти установлены на площади более 800 квадратных километров вокруг морских буровых платформ.

Предлагаемый способ геохимической разведки для геоэкологического мониторинга морских нефтегазоносных акваторий реализован на методе когерентного импульсного протонного спинового эха, который является одним из современных и перспективных методов квантовой радиофизики. В его основе лежит наблюдение эффектов, вызванных взаимодействием ядер протонов водорода (¹Н), обладающих магнитным моментом и совпадающих с направлением спина ядра, с окружающими их микрочастицами при воздействии на всю систему постоянного магнитного и переменного электромагнитного полей.

Главное преимущество метода заключается в четкой физической концепции квантово-механических представлений о структуре вещества. Вся информация о структуре среды и явлениях, происходящих в ней, отображена в динамике прецессии спинов резонирующих поляризованных атомных ядер (1H) и детектируется методом протонного спинового эха. Данный метод относится к методам неразрушающего контроля, без изменения агрегатного состояния, физико-химического состава и свойств среды, что является важнейшим фактором в исследовании природных сред.

Данным методом можно исследовать большое число ядер. Однако выбор элемента, как объекта исследований при решении прикладных задач, определяется двумя факторами - наличием магнитного момента и содержанием в естественной среде. Наиболее эффективным, с данной точки зрения исследований, является водород ¹H, как наиболее распространенный элемент в природе и самая стабильная и универсальная микрочастица, участвующая во всех видах взаимодействий (электрических, магнитных, гравитационных, слабых, сильных и т.д.). Исследование структуры молекулы воды, динамики ее изменения в результате взаимодействия воды с природными и антропогенными объектами и явлениями дает возможность для изучения физической сути различных природных и антропогенных процессов (микроструктуры морской воды, динамики океанских течений, взаимодействия океана и атмосферы).

В последнее время выполнено много работ по изучению специальных физических, химических и биологических свойств водных сред, в частности морской среды, в связи с процессами их релаксации после внешних воздействий.

Согласно существующим теоретическим представлениям в морской среде в квазистационарных условиях образуется динамическая сетка направленных водородных связей между молекулами воды с вкрапленными в эту сетку ионами неорганических соединений (диамагнитных, парамагнитных), растворенных в воде примесями органических соединений, растворенными в морской воде газами и их микропузырьками, частицами морской взвеси. Динамическая сетка сильных и слабых водородных связей в водной среде подвергается спонтанной перестройке в результате теплового движения молекул, однако в микроскопических масштабах она характеризует состояние водной среды с соответствующими константами микроскопических взаимодействий. В результате образуется как бы кристаллическая структура морской среды с соответствующими величинами эффективных внутренних полей и особенностями спин-решеточных взаимодействий. При появлении в этой среде нефтяных фракций возникают микроструктурные нарушения на молекулярном уровне, которые могут быть зафиксированы методом импульсного когерентного протонного спинового эха по измерениям времен спиновой релаксации (спин-спинового-Т₂, спин-решеточного-Т₁).

В этом методе переменное магнитное поле, возбуждающее переходы между различными квантовыми состояниями, прикладывается к исследуемому объему морской среды (≈0,3 см³) в виде коротких радиоимпульсов, а сигналы от возбуждаемых ядер наблюдаются после воздействия импульсов. При этом к исследуемому объему прикладывается постоянное магнитное поле и переменное высокочастотное (ВЧ) поле , которое наиболее сильно воздействует на ядерные магнитные моменты при совпадении его частоты с собственной частотой перехода. Под действием поля в поле происходит нутация вектора магнитного момента ядер . При воздействии полем в течение определенного времени вектор может быть повернут на определенный угол относительно поля , например π/2 или π (соответствующие радиоимпульсы называются 90° или 180°; θ=γH₁t_p, где θ - угол поворота , γ - гиромагнитное отношение; - значение напряженности ВЧ-поля; t_p - время воздействия).

В отсутствии внешних воздействий магнитные моменты ядер стремятся установиться вдоль поля . Соответствующее равновесное значение ядерной намагниченности исследуемого объема морской среды отвечает больцмановскому распределению ядер по энергетическим состояниям. Измерение величины или ориентации намагниченности означает перераспределение ядер между энергетическими состояниями, т.е. изменение микроструктуры исследуемого объема на молекулярном уровне. Если в какой-либо момент времени ядерная намагниченность имеет случайное значение, то ряд процессов будет приводить ее в равновесное состояние, что и определяет время релаксации системы. Поскольку изменение намагниченности исследуемого объема среды связано с увеличением или уменьшением энергии системы магнитных моментов (системы спинов), а любое взаимодействие внутри системы не может привести к изменению ее полной энергии, то, очевидно, существует обмен энергией между системой спинов и соответствующими внутренними резервуарами энергии. При ядерной магнитной релаксации таким резервуаром служит «решетка», в данном случае сама морская среда, причем важно наличие спиновых взаимодействий независимо от агрегатного состояния рассматриваемой среды.

Общей чертой релаксационных процессов является обмен энергией между макроскопическими объектами с упорядоченной определенным образом системой спинов и тепловым движением в веществе (конкретный механизм передачи энергии может быть различным). В общем случае скорость установления равновесного состояния значения продольной (относительно ) компоненты намагниченности характеризуется постоянной T₁ (время спин-решеточной релаксации). Для поперечной компоненты вводится постоянная T₂ (время спин-спиновой релаксации). Равновесное значение поперечной компоненты равно нулю и постоянная времени установления Т₂≤T₁. Для измерения времени спин-спиновой и спин-решеточной релаксации используются разнообразные последовательности 90° и 180° импульсов.

Основные принципы, положенные в основу измерений T_1, заключаются в следующем. Параметр Т₁ характеризует изменение во времени проекции на ось z, совпадающую с направлением . Для его определения в ходе установления термодинамического равновесия между спиновой системой и решеткой необходимо измерить M_z в зависимости от времени. С этой целью используется целый ряд импульсных последовательностей. В наблюдаемых экспериментальных методах измерения Т₁ в качестве первых импульсов, возбуждающих спиновую систему, используется 180° импульс: 180-t-90° или 180-t-90°-τ₁-180°, где t - соответствующий момент времени; τ₁ - постоянный интервал времени между вторым и третьим импульсами (τ₁ выбирается из условия t «τ₁). Третий «проявляющий» импульс используется при больших величинах T₁ и большой неоднородности , когда сигнал свободной индукции после 90° импульса трудно наблюдать из-за малой его длительности. Частота посылок или запуска импульсных последовательностей равна T_o, где T_o=6T₁, чтобы спиновая система успела возвратиться в состояние термодинамического равновесия перед каждой новой посылкой.

Для морской воды никогда не наблюдается простой экспоненциальной зависимости спада ядерной намагниченности после импульсов возбуждения спиновой системы частотой ω_t=ω_n (ω_t - частота ВЧ-поля; ω_n - частота прецессии спиновой системы). При этом намагниченность в направлении поля представляется в виде сумм различных экспоненциальных вкладов

,

где p_o относительная доля вклада n-й компоненты ;

T_1n - время спин-решеточной релаксации.

Скорость спин-решеточной релаксации 1/Т₁ для морской среды в первом приближении может быть оценена в виде:

1/Т₁=1/Т₁₀+1/T_1n+1/Т₁₀₂+1/T_1k+1/T_1g,

где Т₁₀ - время спин-решеточной релаксации чистой воды;

T_1n, T _1k, T _1g - времена релаксации растворенных примесей с различными магнитными свойствами (парамагнитные, диамагнитные) и частиц конденсированной фазы (взвесь);

T ₁₀₂ вклад растворенного в морской воде кислорода, приведенного к равновесной концентрации, что дает возможность учитывать постоянства вклада Т₁₀₂, в определяемую экспериментально скорость спин-решеточной релаксации 1/T₁. Аналогичные процедуры могут быть проведены и для вкладов T_1n, T _1k, T _1g в скорость спин-решеточной релаксации. Таким образом, по экспоненциальным значениям скорости спин-решеточной релаксации могут быть получены вклады микроструктурных нарушений в морской среде после появления нефтяных фракций.

Следует отметить, что наиболее корректными для регистрации микроструктурных нарушений на молекулярном уровне представляются низкоэнергетические методы исследований, использование которых не ведет к изменениям микроструктурных состояний морской среды. К ним относятся импульсные методы когерентного протонного спинового эха. Действительно, при измерении скоростей спин-решеточной релаксации в невозмущенной морской среде будут известны вклады времен T_1n, T _1k, Т _1g, Т_{1 02}, что позволит оценить в определенной