Адрес e-mail:

Экспедиция АМК-82

В период с 24.09.2020 по 05.11.2020 сотрудники лаборатории принимали участие в экспедиции 82 рейса научно-исследовательского судна “Академик Мстислав Келдыш” в морях Восточной Арктики (Лаптевых и Восточно-Сибирском). Задачи экспедиции связаны с получением количественных характеристик и выявлением пространственно-временных изменений потоков метана из донных отложений в водную толщу и атмосферу в зонах мегасипов пузырькового метана; изучением геологического строения верхней части осадочной толщи и сейсмического режима шельфа моря Лаптевых в районах массированного газопроявления и развития подводной мерзлоты. C применением приобретенной в 2020 г. за счет средств программы 5-100 гидрологической аппаратуры (датчики мутности и флюорисценции). проведены наблюдения гидрологических параметров, ассоциированных с процессами выделения пузырькового метана. Была извлечена ранее установленная (в 2018 и 2019 гг.) сейсмологическая донная аппаратура; считаны записи сейсмичности, выполненные с помощью сейсмографов, приобретенных лабораторией в 2018 г. Полученные в ходе экспедиции материалы будут использованы при подготовке публикаций в 2021 г., а также при подготовке выпускных квалификационных работ студентов в рамках образовательной программы “Природные системы и безопасное освоение Арктики”.

Научная цель программы сейсмологических работ - определение сейсмических и сейсмотектонических характеристик Лаптевоморского региона в контексте взаимосвязи тектонических процессов с разгрузкой пузырькового метана со дна с помощью регистрации микроземлетрясений на шельфе и материковом склоне моря Лаптевых. Для этого в ходе экспедиции на шельфе и материковом склоне моря Лаптевых устанавливаются временные локальные сети донных сейсмостанций (техническая цель программы сейсмологических работ).

Задачи:

- подъем установленных в 2019 году донных сейсмографов (сезон 2019-2020 гг.);

- считывание полученных записей;

- установка донных станций еще на год (сезон 2020-2021 гг.);

- предварительная обработка считанных данных;

Оборудование

Для регистрации землетрясений на шельфе использовалось три разновидности донных сейсмографов: МПССР, Тайфун и ГЕОНОД. При постановке и подъеме донных сейсмостанций МПССР и Тайфун также использовались гидроакустические размыкатели АГАР-МП и соответствующие судовые блоки электроники (СБЭ). Вместе с донными сейсмостанциями ежегодно устанавливаются автономные регистраторы волнения. Они предназначены для периодической регистрации абсолютного давления и температуры морской воды.

Перечень оборудования и краткое описание:

1) Морская придонная станция сейсмоакустической разведки (МПССР). МПССР (рис. X.1) укомплектованы блоком горизонтальных молекулярно-электронных широкополосных сейсмических датчиков СМЕ-4311 с диапазоном частот 0.016–50 Гц, трехкомпонентным блоком сейсмических датчиков с собственной частотой 10 Гц (два горизонтальных СГ-10 и один вертикальный СВ-10, работающих в диапазоне частот 10–200 Гц, 8-канальным сейсмическим регистратором с возможностью синхронизации внутренних часов по GPS и блоком батарей.


 Рис. 1. Фото станции МПССР на борту  НИС «Академик Мстислав Келдыш».

2) Донная сейсмостанция Тайфун (рис. 2) по своим характеристикам схожа с сейсмостанцией МПССР с той лишь разницей, что в ней используется один трехкомпонентный комплект из  короткопериодных молекулярно-электронных сейсмодатчиков с собственной частотой 1 Гц и гидрофон.


Рис. 2. Фото станции «Тайфун» на борту  НИС «Академик Мстислав Келдыш».

3) Сейсмологическая широкополосная самовсплывающая донная станция длительной автономности (ГЕОНОД). ГЕОНОД (рис. 3) yкомплектована 3-х компонентным длинно-периодным сейсмическим датчиком СМЕ-4111 с полосой частот от 60 сек до 50 Гц. Предназначена для многократного погружения/всплытия без вскрытия контейнера.



Рис. 3. Фото станции «ГЕОНОД» на борту  НИС «Академик Мстислав Келдыш».

4) Гидроакустический размыкатель АГАР-МП. АГАР-МП предназначен для дистанционного отделения якоря-груза по команде, поступившей по гидроакустическому каналу или от таймера.

5)  Судовой блок электроники (СБЭ). Судовой блок электроники (СБЭ) и гидроакустическая антенна предназначены для генерации команд управления АГАР-МП и его тестирования.

6) Набортный акустический комплекс (НАК). НАК представляет собой автономный терминал гидроакустической связи. Предназначен для связи с донными сейсмостанциями ГЕОНОД.

7) Мареограф RBR virtuoso3 D (single channel logger). Прибор (рис. X.4) оснащен датчиком давления фирмы Keller, основанном также на использовании кварцевого пьезоэлемента, в качестве барочувствительного элемента. Он показывает как изменения атмосферного давления пока прибор работает в воздухе, так и давления столба воды, когда прибор погружен. 

Методы исследования

Ввиду наличия льдов в море Лаптевых большую часть года донные сейсмостанции МПССР и Тайфун устанавливаются по схеме с притопленным буем (рис. X.5). Диапазон глубин постановки, примерно 35-70 метров, с одной стороны, позволяет с большой вероятностью избежать затирания станций стамухами, с другой стороны, при подъеме позволяет найти станции тралением кошками, если не сработают гидроакустические размыкатели. Штатное всплытие притопленного буя выполняется с помощью акустической команды, подаваемой на размыкатель с помощью судового блока электроники и гидроакустической антенны. На отрезок веревки между станцией и системой буй-балласт привязывается также мареограф для получения дополнительной информации о морском волнении в районе постановки донных сейсмостанций. Кроме того, на буйковую систему устанавливаются пластины для донных обрастателей и термодатчики для выполнения попутных биологических и гидрологических измерений. Сейсмостанция ГЕОНОД обладает положительной плавучестью и всплывает самостоятельно после сброса балласта по гидроакустической команде с судна. 


Рис. 4. Схема постановки станций МПССР и Тайфун.

Рутинная обработка записей проводится полуавтоматическими методами, разделяя задачи обнаружения сейсмического события и точного выделения моментов вступления различных сейсмических волн. Суть алгоритма детектирования описана статье (Krylov et. al., 2019). На первом этапе записи сейсмографов обрабатываются с помощью цифровых полосовых фильтров для улучшения отношения «сигнал-шум». На втором этапе применяется алгоритм STA/LTA (Earle, Shearer, 1994) отдельно к записям всех сейсмостанций. На третьем этапе проверяется наличие корреляции между моментами срабатывания блока STA/LTA на разных сейсмостанциях. Блок проверки корреляции позволяет отсеять часть шумовых микротолчков, сигналов от транспорта и других антропогенных сигналов. В качестве примитивного классификационного признака при автоматизации используется длительность сигнала. Анализ длительности сигнала представляется эффективным средством для отделения полезных сигналов от микротолчков-помех. Определение длительности сигнала производится с помощью вычисления кумулятивной огибающей сигнала (Baranov, 2007). Последующая проверка и классификация обнаруженных сигналов проводится как визуально оператором, так и автоматически. 

Выделение моментов вступления P- и S- волн и магнитуда проводится сначала автоматически. Моменты вступления P- и S-волн на первом этапе определяются с помощью поляризационного анализа трехкомпонентной записи сейсмографа (Ross, Ben-Zion, 2014). Полученные автоматически моменты вступления P- и S-волн проверяются визуально и корректируются для их соответствия графику Вадати. Для визуализации волновых форм и ручного выделения фаз используется сейсмологический программный пакет SEISAN(Havskov and Ottemoller, 1999). 

Координаты эпицентров, глубины очагов, время в очаге землетрясения местных землетрясений определяются с помощью целого комплекса программ: HYPO-71 (Lee, Lahr, 1975), HYPOCENTER (Lienert et. al., 1986), HYPOINVERSE (Klein, 2002), HYPOSAT (Schweitzer, 2001), с последующим сравнением и анализом полученных результатов. Для расчета магнитуд землетрясений используются шкалы локальных магнитуд (Bullen and Bolt, 1985; Hutton and Boore, 1987) и шкалы кода-магнитуды (Lee, Lahr, 1975; Kovachev et al., 1991). 

Результаты

Подъем донных сейсмостанций, установленных в рейсе АМК-78 в октябре 2019-го года

Был выполнен подъем двух донных сейсмостанций (в точках 1 и 3) из трех, установленных в рейсе АМК-78 в 2019-м году. В точке 3 также поднят мареограф RBR virtuoso3 D.  Сейсмостанция в точке 2 – утеряна. Гидроакустический контакт с размыкателем был, но буй не всплыл и траление результата не принесло. Во всех поднятых станциях электроника осталась неповрежденной, затеканий не было, сейсмические записи сохранились. Длина записей – 3-4 месяца. Обнаружены практически полностью сгнившие металлические скобы на контакте с размыкателями и цепью. 

Постановка донных сейсмостанций в рейсе АМК-82 на 1 год (сезон 2020-2021 гг.)

В рейсе АМК-82 были установлены 7 донных сейсмостанций: шесть МПССР и одна ГЕОНОД. Были учтены недостатки схемы постановки прошлого года.

Геометрия расположения станций выбрана таким образам, чтобы, во-первых, покрывать зону сочленения хребта Гаккеля с предполагаемым продолжением рифтовых структур на шельфе моря Лаптевых. Сейсмостанции расположены вблизи трех крупнейших площадок с метановыми сипами. Таким образом, конфигурация сети оптимальна для исследования как сейсмотектоники региона в целом, так и возможной взаимосвязи сейсмичности с активными выходами метана со дна. На рис. 5 приведена карта расположения локальной сети донных сейсмостанций, установленной в рейсе АМК-82.


Рис. 5. Положение донных сейсмостанций, установленных в рейсе АМК-82 (зеленые кружки).

Результаты предварительной обработки записей донных сейсмостанций и мареографов

            Для предварительной оценки интенсивности сейсмичности в районе постановки сейсмостанций в сезон 2019-2020 гг. был выполнен поиск полезных сигналов от микроземлетрясений на двухмесячном отрезке записей поднятой в рейсе сейсмостанции «Тайфун-2». За период с 11.10.2019 по 11.12.2019 было зарегистрировано 150 отчетливых сигналов от локальных землетрясений. Это говорит о высоком уровне сейсмичности в районе сочленения хребта Гаккеля с пассивной континентальной окраиной в море Лаптевых. Примеры зарегистрированных сейсмограмм приведены на рис. X.7-9.


Рис. 6. Пример сейсмограммы (компоненты Z, X, Y) сигнала от локального микроземлетрясения, зарегистрированного донной сейсмостанцией «Тайфун-2) 11.12.2019 10:48:22.953 UTC.


Рис. 7. Пример сейсмограммы (компоненты Z, X, Y) сигнала от локального микроземлетрясения, зарегистрированного донной сейсмостанцией «Тайфун-2) 26.11.2019 0:27:48.633 UTC.


Рис. 8. Пример сейсмограммы (компоненты Z, X, Y) сигнала от локального микроземлетрясения, зарегистрированного донной сейсмостанцией «Тайфун-2) 25.10.2019 13:08:29.863 UTC.

В результате подъема мареографа RBR, установленного в рейсе АМК-78 была получена годовая серия (полные 363 сутки) значений абсолютного давления, давления морской воды и глубина в точке. Фрагмент годовой записи с временным ходом измеренных параметров приведен на рис. 9.