Гидрохимическая донная станция для геологического мониторинга акваторий

Гидрохимическая донная станция для геологического мониторинга акваторий

Реферат

Изобретение относится к области исследования физических явлений, происходящих в земной коре, на ее поверхности, расположенной на дне морей и океанов, и может быть использовано для оценки возможности наступления неблагоприятных, и в том числе катастрофических, природных и техногенных явлений.

Известны донные сейсмические станции (свидетельство на полезную модель RU №24890 [1], Глубоководная донная самовсплывающая сейсмическая станция АДС-8 / Соловьев С.Л., Контарь Е.А., Дозоров Т.А., Ковачев С.А. // Известия АН СССР Физика Земли, 1988, №9, с. 459-460 [2], Ocean Bottom Seismometer (OBS) Systems. Company Profile/Project Companies Kieler Umwelt und Meerestechnik GmbH (K.U.M.), Signal-Elektronik und Nets Dienste GmbH (SEND), April 2002, 11 p. [3], состоящие из подводного модуля и бортового модуля. Подводный модуль представляет собой герметичный корпус, снабженный устройством постановки на дно, внутри которого размещена аппаратура регистрации гидроакустических сигналов с соответствующими фильтрами, формирователями, преобразователями, накопителями информации, схема синхронизации, источник питания и устройство определения ориентации подводного модуля.

Основным недостатком известных станций является невозможность полной и адекватной передачи колебаний грунта на датчики измерения сигналов, установленные на опорной трубчатой раме, снабженных металлическими механизмами откидывания и прижимания к грунту, что в сочетании с наличием границы грунт-металл вызывает дополнительные погрешности при прохождении акустических сигналов и в конечном итоге приводит к искажению результатов измерений.

Кроме того, использование механизмов откидывания и прижимания к грунту недостаточно эффективно вследствие их сложности, отсутствия контроля за их установкой, что приводит к попаданию блока измерительных датчиков в рыхлый грунт дна и, как следствие, к нарушению работоспособности.

Известна также морская автономная донная сейсмическая станция (свидетельство на полезную модель RU №28778 [4]), в которой якорь-балласт выполнен в виде бетонного диска или прямоугольного параллелепипеда с полусферическим углублением для размещения корпуса станции с закреплением его посредством размыкателей, что позволяет обеспечить более плотное распределение по плоскости контакта балласта с грунтом, а также увеличить площадь контакта балласта с корпусом станции, что позволяет обеспечить более высокий коэффициент передачи сейсмических колебаний на границах грунт-балласт и балласт - измерительные датчики.

Недостатком данного устройства является го, что при выполнении балласта в виде бетонного диска или прямоугольного параллелепипеда, при наличии придонных течений, при постановке станции на неровный грунт сцепление станции с грунтом является неплотным, что приводит к раскачиванию станции и генерации акустических помех в воде за счет завихрений вокруг станции, а также к нарушению работоспособности сейсмических приемников, которые являются векторными приборами и для обеспечения нормальной работы которых необходимо знать их ориентацию в пространстве.

Аналогичными недостатками обладают также известные подводные станции (Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения / Научное приборостроение, 2008. Т. 18. №2. С. 86-95 [5], патент RU №2276388 C1, 10.05.2006 [6], патент RU №2377606 C2, 27.12.2009 [7], Зубко Ю.Н. и др. Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Научное приборостроение, 2003, т. 13, №4, с. 70-82 [8], Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с. 70-82 [9]).

Известны также гидрохимические донные станции или обсерватории (Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий / Лобковский Л.И. и др. М.: Наука, 2005, с. 97-100 [10] - прототип), предназначенные для регистрации возможных краткосрочных предвестников землетрясений и для геологического мониторинга акваторий. В состав одной станции входят датчики для измерения гидрохимических и гидрофизических параметров среды, спектроанализатор, микро-ЭВМ для управления работой станции, сбора, обработки и хранения данных, модемы для приема и передачи информации по кабельным линиям связи или радиоканалу, а также вспомогательные устройства для постановки, поиска и подъема станции на борт судна.

В соответствии с программой и командами с берега микро-ЭВМ определяет частоту опроса датчиков, записывает в память информацию, производит обработку и сжатие данных по заданным алгоритмам, затем накопленная информация передается через модем в линию связи.

Станция состоит из основного приборного корпуса, размещаемого на дне на подставке-треноге, притопленного буя с источником питания, соединенного посредством буйрепа с балластом, размещенным на дне, ретрансляционного буя, соединенного кабель-тросом с вьюшкой-поплавком, которая посредством кабель-троса соединена с притопленным буем, который кабель-тросом соединен с основным приборным корпусом, снабженный страховочным тросом с грузом, расположенным на дне.

Основными элементами станции являются акустооптический спектрометр видимого диапазона волн 350-850 нм, датчики температуры и электропроводности морской воды, скорости звука в воде, скорости течений, давления, концентрации ионов водорода рН, управляющий компьютер Octagon-5 (PC-486), блок питания с преобразователем питания, находящихся в притопленном буе. Управление станцией и передача данных на берег производится с помощью канала полудуплексной радиосвязи (400 МГц, 2000 Бод). Блок-схема станции включает береговой пост, состоящий из приемопередатчика, радиомодема, пульта управления, модема береговой линии, принтера, блока питания и пульта питания, радиобуй, состоящий из приемопередатчика, радиомодема, источника питания и блока фильтрации, судно, оснащенное приемопередатчиком, радиомодемом, источником питания и блоком фильтрации, и непосредственно станцию, на которой установлены микро-ЭВМ с интерфейсом RS232, модем кабельной линии, блок питания, коммутатор каналов, блок аккумуляторов, датчик фильтрации, блок фильтрации, спектроанализатор, выполненный в виде спектрофотометра, датчики проводимости, температуры, давления, скорости течения, рН, скорости звука и блок электроники.

Все элементы станции находятся в прочном цилиндрическом корпусе со сферическими крышками. Датчики и тубус спектрометра укреплены снаружи. Прочный корпус поднят над мягким дном на высоту 3 м на опоре-треноге. Притопленный буй установлен на глубине 15 м с помощью груза и троса. Радиотрансляционный буй находится на поверхности воды и соединен с притопленным буем и донной частью через кабель. Другая известная донная станция (обсерватория) [10] содержит трехкомпонентный цифровой сейсмограф с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр видимого диапазона волн 415-800 нм, измерители скорости и направления течений, температуры и электропроводности морской воды, скорости звука в воде, давления, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, гидроакустический модуль для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне.

Конструктивно станция состоит из общей рамы с откидной консолью. К раме крепятся модули измерительных приборов и устройство сбора и передачи информации. На консоли закреплен блок сейсмических приемников. Модули соединены с датчиками и устройством сбора информации с помощью кабелей. Магнитометрический датчик вынесен на несколько метров над обсерваторией для исключения ее влияния.

Основными недостатками известных станций являются следующие.

Невозможность полной и адекватной передачи колебаний грунта на датчики измерения сигналов, установленные на опорной трубчатой раме, снабженных металлическими механизмами откидывания и прижимания к грунту, что в сочетании с наличием границы грунт-металл вызывает дополнительные погрешности при прохождении акустических сигналов и в конечном итоге приводит к искажению результатов измерений. Использование механизмов откидывания и прижимания к грунту недостаточно эффективно вследствие их сложности, отсутствия контроля за их установкой, что приводит к попаданию блока измерительных датчиков в рыхлый грунт дна и, как следствие, к нарушению работоспособности.

При наличии придонных течений при постановке станции на неровный грунт сцепление станции с грунтом является неплотным, что приводит к раскачиванию станции и генерации акустических помех в воде за счет завихрений вокруг станции, а также к нарушению работоспособности сейсмических приемников, которые являются векторными приборами и для обеспечения нормальной работы которых необходимо знать их ориентацию в пространстве.

Также недостатком известных донной станции является малый разнос блока сейсмических приемников и основного корпуса станции (от 0,5 до 50 м), а также плохая обтекаемость рамы придонными течениями, что может привести к существенным вибрационным помехам.

Также к недостаткам может быть отнесен ограниченный состав измерительных средств, что в первую очередь относится к гидрохимическим станциям, не позволяющий проводить многопрофильный мониторинг как на акваториях с морскими объектами хозяйственной деятельности, так и на акваториях, примыкающих к зонам подводной добычи углеводородов.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей гидрохимических донных станций и повышение достоверности при регистрации сейсмических сигналов на дне морей и океанов путем устранения влияния негативных явлений.

Поставленная задача решается за счет того, что в гидрохимической донной станции или обсерватории для регистрации возможных краткосрочных предвестников землетрясений и для геологического мониторинга акваторий, состоящей из основного приборного корпуса, размещаемого на дне, ретрансляционного буя, соединенного с основным приборным корпусом, и снабженной микро-ЭВМ с интерфейсом RS232 для управления работой станции, сбора, обработки и хранения данных, модемами для приема и передачи информации по кабельным линиям связи или радиоканалу, блоком питания, коммутатором каналов, блоком аккумуляторов, датчиком фильтрации, блоком фильтрации, спектроанализатором, выполненным в виде спектрофотометра, датчиками проводимости, температуры, давления, скорости течения, водородного показателя рН, скорости звука, блоком электроники, включающим широкополосные регистраторы сейсмических сигналов, соединенных с трехкомпонентным цифровым сейсмографом, магнитометром постоянного магнитного поля, гамма-спектрометром, гидроакустическим модулем для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, основной приборный корпус выполнен эллипсовидной формы, который в нижней своей части снабжен резиновым чехлом и размещен в железобетонном балласте, сочлененным с корпусом посредством строп и электрохимического размыкателя, дополнительно в состав станции введены датчики регистрации углекислого газа, кислорода, азота, метана, измеритель мутности, микробный датчик, при этом трехкомпонентный цифровой сейсмограф выполнен с регистрацией сейсмических сигналов в диапазоне 0,1-500 Гц, а железобетонный балласт в нижней своей части выполнен в виде свай, расположенных по периметру и диагоналям балласта.

На чертеже приведена блок-схема гидрохимической донной станции.

Гидрохимическая донная станция или обсерватории для регистрации возможных краткосрочных предвестников землетрясений и для геологического мониторинга акваторий, состоит из основного приборного корпуса 1, размещаемого на дне 2, ретрансляционного буя 3, соединенного с основным приборным корпусом 1, посредством кабель-троса 4.

Основной приборный корпус 1 выполнен эллипсовидной формы, который в нижней своей части снабжен резиновым чехлом 5 и размещен в железобетонном балласте 6, сочлененным с корпусом 1 посредством строп 7 и электрохимического размыкателя 8. Внутри основного приборного корпуса 1 установлены микро-ЭВМ 9 с интерфейсом RS232 для управления работой станции, сбора, обработки и хранения данных, модемами 10 и 11 для приема и передачи информации по кабельным линиям связи или радиоканалу, блок питания 12, коммутатор 13 каналов, блок 14 аккумуляторов, датчик 15 фильтрации, блок 16 фильтрации, спектроанализатор 17, выполненный в виде спектрофотометра, датчики проводимости 18, температуры 19, давления 20, скорости течения 21, водородного показателя рН 22, скорости звука 23, блок электроники 24, включающий широкополосные регистраторы сейсмических сигналов, соединенные с трехкомпонентным цифровым сейсмографом 25, магнитометр 26 постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр 27, гидроакустический модуль 28 для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, датчики регистрации углекислого газа 29, кислорода 30, азота 31, метана 32, измеритель 33 мутности, микробный датчик 34, модем 35 гидроакустического канала связи, соединенный с гидроакустической антенной 36. Вспомогательные элементы и узлы включают механизмы, обеспечивающие спуск станции на дно и подъем ее на борт судна, а также светоотражательные элементы для ее поиска на поверхности, после всплытия (на чертеже не показаны).

Чувствительные элементы датчиков установлены в верхней части основного приборного корпуса 1.

Основной приборный корпус 1 может быть изготовлен со съемной крышкой в верхней части корпуса или состоят из двух разъемных полусфер для установки средств измерения и средств внутренних коммуникаций или для замены аккумуляторов.

Трехкомпонентный цифровой сейсмограф 25 выполнен с полосой регистрации сейсмических сигналов в диапазоне 0,01-500 Гц, что позволяет регистрировать сигналы, как обусловленные деформацией (проседанием) дна в диапазоне от 0,01 Гц («ползущие» землетрясения), так и образованием микротрещин в твердых породах дна до 500 Гц, что имеет место при интенсивной добыче подводных углеводородов.

Железобетонный балласт 6 в верхней своей части имеет нишу 37, в которой размещают корпус 1 станции, который сопрягается с балластом 6 посредством резинового чехла 5, выполняющего функции прокладки и амортизатора, при внешних воздействиях на корпус 1 станции.

В нижней части железобетонный балласт 6 выполнен в виде свай 38, размещенных по периметру и диагоналям основания, для надежного сцепления с илистыми и песчаными грунтами.

Спектроанализатор 17, выполненный в виде спектрофотометра, датчики проводимости 18, температуры 19, давления 20, скорости течения 21, водородного показателя рН 22, скорости звука 23, блок электроники 24, включающий широкополосные регистраторы сейсмических сигналов, соединенные с трехкомпонентным цифровым сейсмографом 25, магнитометр 26 постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр 27, гидроакустический модуль 28 для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, датчики регистрации углекислого газа 29, кислорода 30, азота 31, метана 32. измеритель 33 мутности, микробный датчик 34, модем 35 гидроакустического канала связи, соединенный с гидроакустической антенной 36 и вспомогательные элементы и узлы, включающие механизмы, обеспечивающие спуск станции на дно и подъем ее на борт судна, а также светоотражательные элементы для ее поиска на поверхности, после ее всплытия, имеют промышленное применение.

Перед спуском на дно с борта судна корпус 1 станции посредством строп 7 и электрохимического размыкателя 8 сочленяют с железобетонным балластом 6 и спускают за борт. При достижении дна по командам с обеспечивающего судна или заранее установленным программам осуществляется запуск в работу измерительных датчиков, посредством которых производится измерение и регистрация физико-химических параметров в придонной водной среде.

После окончания мониторинга на данной акватории по команде с обеспечивающего судна осуществляется подъем станции на поверхность. При этом сигнал поступает на электрохимический размыкатель 8, который размыкает стропы 7, освобождающие балласт и станция всплывает на поверхность для дальнейшего ее подъема на борт судна. После тестирования и замены элементов питания станция может быть осуществлена последующая постановка станции на дно.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано для оценки возможности наступления неблагоприятных, и в том числе катастрофических, природных и техногенных явлений, включая моря и устья рек арктического бассейна.

Источники информации

1. Свидетельство на полезную модель RU №24890.

2. Глубоководная донная самовсплывающая сейсмическая станция ЛДС-8 / Соловьев С.Л., Контарь Е.А., Дозоров Т.А., Ковачев С.А. // Известия АН СССР Физика Земли, 1988, №9, с. 459-460.

3. Ocean Bottom Seismometer (OBS) Systems. Company Profile/Project Companies Kieler Umwelt und Meerestechnik GmbH (K.U.M.), Signal-Elektronik und Nets Dienste GmbH (SEND), April 2002, 11 p.

4. Свидетельство на полезную модель RU №28778.

5. Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения / Научное приборостроение, 2008, т. 18, №2, с. 86-95.

6. Патент RU №2276388 С1, 10.05.2006.

7. Патент RU №2377606 С2, 27.12.2009.

8. Зубко Ю.Н. и др. Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Научное приборостроение, 2003, т. 13, №4, с. 70-82.

9. Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А. // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с. 70-82.

10. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий / Лобковский Л.И. и др. М.: Наука, 2005, с. 97-100.

1. Гидрохимическая донная станция для геологического мониторинга акваторий, состоящая из основного приборного корпуса, размещаемого на дне, ретрансляционного буя, соединенного с основным приборным корпусом, и снабженная микро-ЭВМ с интерфейсом RS232 для управления работой станции, сбора, обработки и хранения данных, модемами для приема и передачи информации по кабельным линиям связи или радиоканалу, блоком питания, коммутатором каналов, блоком аккумуляторов, спектроанализатором, выполненным в виде спектрофотометра, датчиками проводимости, температуры, давления, скорости течения, водородного показателя pH, скорости звука, блоком электроники, включающим широкополосные регистраторы сейсмических сигналов, соединенные с трехкомпонентным цифровым сейсмографом, магнитометром постоянного магнитного поля, гамма-спектрометром, гидроакустическим модулем для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, отличающаяся тем, что основной приборный корпус выполнен эллипсовидной формы, в нижней своей части снабжен резиновым чехлом и размещен в железобетонном балласте, сочлененном с корпусом посредством строп и электрохимического размыкателя, дополнительно в состав станции введены датчики регистрации углекислого газа, кислорода, азота, метана, измеритель мутности, микробный датчик.

2. Гидрохимическая донная станция для геологического мониторинга акваторий по п. 1, отличающаяся тем, что трехкомпонентный цифровой сейсмограф выполнен с регистрацией сейсмических сигналов в диапазоне 0,1-500 Гц.

3. Гидрохимическая донная станция для геологического мониторинга акваторий по п. 1, отличающаяся тем, что железобетонный балласт в нижней своей части выполнен в виде свай, расположенных по периметру и диагоналям балласта.