Глава 5
ПОМЕХИ В МОРСКОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ
Шумы, регистрируемые приемными устройствами, являются основным фактором, определяющим глубинность морских сейсмических исследований, а также качество получаемых сейсмических материалов.
Для повышения помехоустойчивости в морской сейсморазведке разработаны различные технико-методические приемы. Они осуществляются как на этапе полевого получения сейсмических материалов, так и на этапе обработки полученных данных. Выбор технических средств на этапе полевого получения сейсмических материалов в первую очередь зависит от характеристик шумов, регистрируемых буксируемыми приемными устройствами.
В настоящее время известно очень небольшое количество пуб ликаций, посвященных классификации и описание помех в морской сейсморазведке, например, монография С.М.Зверева [ ] . Однако в этой работе основное внимание обращено на волны-помехи сейсми ческой природы (реверберация, многократные водны, придонные и боковые отражения) и значительно меньше - на помехи, связанные непосредственно с методикой буксировки приемного устройства (например, вибрационные помехи).
В общем случае шум, регистрируемый буксируемым приемным устройством, является суперпозицией помех различной природы и обусловлен сложными процессами (рис. 15). Преобладающие виды помех можно классифицировать по нескольким основным кате гориям: I) электрические шумы, 2) шумы моря, 3) шумы буксирующего судна, 4) гидродинамические шумы обтекания приемного устройства, 5) вибрационные шумы.
Рис. 15. Сводный график шумов моря: I - верхний и нижний предел превалирующих шумов моря; 2 - шумы,вызываемые движением судов; 3 - ветро вые шумы в инфразвуковом диапазоне частот; 4 - шумы пузырьков и брызг в зависимости от силы ветра (в баллах).
Электрические шумы
К электрическим шумам приемного тракта в морской сейсморазведке можно отнести следующие: I) шумы предварительного усилителя или любого другого электронного согласующего устройства, 2) температурные шумы сопротивления линии передачи приемного устройства, 3) взаимные влияния между каналами приемного устройства, 4) шумы, вызванные колебаниями проводов в магнитном поле Земля, изменением емкости линии передачи при колебаниях прово дов, изменением 'переходного сопротивления контактов при вибрации контактных разъемов, 5) электрические наводки от сети переменного тока частотой 50 гц и т.д.
Приведенные ко входу шумы современных усилителей составляют обычно ~ 0,1 мкв в полосе частот 5-200 гц. Среднеквадратическое значение температур ного шума для сопротивления 2 ком в указанной полосе частот при температуре 28°С составляет также ~ 0,1 мкв. Шумы, вызванные колебаниями проводов приемного устройства в магнитном поле Земли, изменением емкости проводов при их колебании, вибрацией контактов в контактных разъемах и т.д., не превышают среднеквадратических значений 0,5 мкв. В современных приемных устройствах количество разъемов может быть 30-60 штук, в зависимости от длины приемного устройства. Если учитывать случайный характер вибрации приемного устройства, то суммарный вибрационный шум контактов в канале приемного устройства может составить ~ 2 мкв, что значительно меньше уровней шумов, регистрируемых буксируемыми приемными устройствами. Высокое качество герметизации муфтовых разъ емов секций приемного устройства обеспечивает защиту линий передачи от утечек, а следовательно, и взаимных влияний. При производстве морских сейсморазведочных работ практическое соблюдение сопротивления утечки 500 ком и более гарантирует взаимные влияния между каналами, не превышающие 0,5 %.
Наиболее серьезной электрической помехой являются электри ческие наводки от сети переменного тока частотой 50 гц. Если сейсмическая регистрирующая аппаратура обеспечивает достаточную защиту от сетевых наводок, то для обеспечения аналогичной защиты от наводок длинных линий приемного устройства требуется обеспечить сопротивление изоляции проводов между собой и от земли не менее 100 Мом. На практике получить такую величину сопротивления изоляции не удается (в лучшем случае удается достигнуть 1-2 Мом). В связи с этим для исключения влияния сетевых наводок выпускает сейсмическую регистрирую щую аппаратуру, оснащенную специальными фильтрами-пробками. Качественное выполнение конструкция приемных устройств, соблюдение правил эксплуатации их в море, а также применение мер защиты от сетевых наводок обеспечивают уменьшение электри ческих помех до уровней, значительно меньших уровней шумов буксировки приемных устройств.
Шумы моря
За многие годы в результате большого количества теоретических и экспериментальных исследований шумов моря сложились единые представления о природе шумообразования в океане. Основным процессом, определяющим шумообразование в океане, является мелкомасштабный энергообмен между атмосферой и океаном. Этот энергообмен осуществляется через термоактивный турбулентный пограничный слой на границе вода - воздух и через развитую сеть океанических и морских течений. Образование акустического шумового поля в слое морской воды осложнено специфическим явлением морской реверберации. Перечисленные основные источники шумов моря имеют глобальный характер, а шумы, связанные с ними, определяют величину уровней шумов мо ря в интересующем морскую сейсморазведку диапазоне частот (от первых герц по первых килогерц). Существует также ряд источников морских шумов, влияние ко торых может быть значительным в зависимости от выбора места и времени наблюдения. К таким источникам относятся развитые цикло нические зоны, неотектонические движения земной коры, технологические источники и др. Их влияние не рассматривается из-за ограниченной области действия.
Активный турбулентный слой на границе атмосферы и океана вносит основной вклад в суммарное шумовое поле океана. В этой зоне энергия ветра и тепла трансформируется в акустическое шумовое поле. В настоящее время известно несколько теоретических моделей механизмов такого преобразования энергии, хорошо подтверждаемых экспериментальными наблюдениями. К ним следует отнести нелинейное акустическое излучение волнующейся поверхности
моря, прямое давление турбулентного ветра, приповерхностная кавитация, конвективное шумообразование и некоторые другие источники. Экспериментальным исследованиям зависимости уровней шумов моря от величины волнения моря и силы ветра посвящены многочисленные публикации, в которых предлагается ряд эмпирических соотношений для расчета наблюдаемых уровней шумов в зависимости ох состояния моря. Следует отметить, что некоторые исследователи считают преобладающими источниками шумообразовавия акустическое излучение глубоководных и дрейфовых течений. Также хорошо известны многочисленные данные о шумах моря биологического происхождения, связываемых с акустическим излучением живых морских организмов, однако опубликованные данные позволяют считать, что в сейсмическом диапазоне частот биологические шумы не представляют сколько-нибудь серьезного значения. Можно также добавить, что спектры излучения всех вышеперечисленных источников шумообразования в море всегда сильно преобразованы морской реверберацией, определяемой гидрологическим состоянием водной толщи и распределением в ней морской фауны.
В настоящее время еще не разработана общепринятая модель суммарного шумообразовавия в океане. Можно привести лишь сводные данные об уровнях шумов моря, показывающие верхний предел уровней морских шумов ох основных источников в диапазоне частот до 10 кгц (pиc. 16). Данные, представленные на рис. 16, соответствуют средне-статистическим значениям уровней шумов моря, принимаемых одиночным ненаправленным приемником давления, и поэтому реально наблюдаемые уровни шумов моря могут отличаться от них в пределах ± 10 дб.
Шумы судна
Шумы судна, буксирующего приемное устройство, создастся различными источниками, основными из которых являются вращавшиеся двигательные установки судна, прежде всего винты, и кильватерная струя судна, образующаяся в процессе движения в водной среде. Шум корабельных двигательных установок (главных и вспомогательных двигателей) создается в процессе передачи механических вибраций двигателя на корпус судна, который и является излучающей поверхностью. Основная энергия излучения сосредото чена в узких полосах частот, зависящих от скорости вращения валов двигателей и характера амортизации двигателей, степени разбаланса установок и т.д.
Гидродинамический шум гребных винтов обязан своим происхождением гидродинамическим силам, действующим на лопасти. Эти силы условно разделяют на стационарные и нестационарные. Шум, создаваемый стационарными гидродинамическими силами, называют шумом вращения. Действие нестационарных сил имеет случайный характер, если лопасти работают в условиях турбулентного потока или когда с кромок лопастей срываются нерегулярные вихри. Шум, связанный с этим явлением, называют вихревым.
Теория шумов, возникающих под действием стационарных сил, в достаточной мере разработана благодаря исследованиям Л.Я.Гутина. Согласно его теории, характерной особенностью спектров шума судна в инфразвуковом диапазоне частот является наличие большого числа дискретных составляющих (спектральных линий), в которых сосредоточена значительная часть энергии шума судна. Частоты дискретных составляющих определяются числом оборотов гребных винтов, количеством лопастей. Спектральное представление вихревого звука определяется в основном геометрическими параметрами лопастей винтов и также имеет дискретные составляющие. Поскольку обычно число лопастей сейсмических судов равно трем-четырем, то частота вихревого звука может быть равна или несколько превышать частоту шума вращения, образуя более или менее широкие по частоте области высоких уровней шумов. Если учесть, что при проведении сейсмических работ главные двигатели сейсмических судов работают при числе оборотов 150-220 об/мин, то можно оценить, что первые дискреты шумов винтов попадают в диапазон частот от 5 до 40 гц, т.е. в основной диапазон сейсмических частот. Поэтому довольно часто на первых (ближних) каналах буксируемых приемных устройств можно наблюдать звуковые помехи, связанные с излучением вращающихся винтов буксирующего судна. Эти шумы могут представить серьезную проблему при проведении работ методом преломленных воли (диапазон частот 5-30 гц), являясь преградой для значительного увеличения дальности регистрации преломленных воли.
Не менее важное значение имеют шумы, связанные с гидродинамическим обтеканием буксирующего судна и кильватерной струей, образующейся в результате движения судна в водной толще. Звуковое излучение турбулентного пограничного слоя судна и кильватерной струи очевидно не имеет существенного значения в суммарном регистрируемом шуме. В то же время влияние кильватерной струи при обтекании приемного устройства может быть весьма значительным. Более детально это рассмотрено ниже.
Гидродинамические шумы обтекания
Под гидродинамическими шумами обтекания приемных устройств следует понимать шумы, связанные с флуктуациями давления обтекающего приемное устройство потока. Эти флуктуации давления могут быть связаны с турбулентным пограничным слоем жидкости на поверхности шланга приемного устройства, с турбулентным кильватерным следом судна, буксирующего приемное устройство, а также с различного рода поверхностными неровностями приемного устройства, вызывающими дополнительное турбулентное перемешивание погранич ного слоя воды. Теоретическим и экспериментальным исследованиям гидродинамических шумов обтекания посвящены многочисленные публикации как в отечественной, так и в зарубежной ли тературе [ ].
Гидродинамические шумы обтекания часто называют псевдозвуковыми шумами или «псевдозвуком». Под псевдозвуковыми шумами понимают сигнал на выходе приемника давления, возникающий при прохождении приемника вблизи или сквозь турбулентную вихревую среду (или вихри). В этом случае приемник регистрирует флуктуации давления турбулентной вихревой среды, вызываемые флуктуациями скорости турбулентного потока.
Известно, что важнейшей характеристикой течения является число Рейнольдса. Буксируемые приемные устройства, обычно применяемые в морской сейсморазведке, имеют диаметр от 30 до 60 мм и минимальное расстояние между крупными поверхностными неровностями, могущими привести к срыву пограничного слоя, около нескольких метров. При таких соотношениях длин и диаметров кабелей (R/d более 50-100) можно предполагать, что характеристики имеют вид, представленный на рис.17.
Рис. 17. Оценка уровней шумов, определяемых обтеканием турбулентным потоком: а - уровни шумов при скоростях буксировки 2(1) и 10(2) узлов; б - уровни шумов при скорости буксировки 4 узла вне (1) и в кильватерной струе (2)
Запись шумов
Непосредственно перед началом и сразу после завершения каждого профиля, а также по требованию представителя ЗАКАЗЧИКА на борту не во время работ, должен измеряться и записываться на производственных лентах шум косы. Должна применяться та же длина записи и те же установки фильтров, что и при работе на профиле. Где это возможно, записи должны производиться при нормальных рабочих условиях. В особенности это касается заглубления косы, скорости и направления движения судна.
Если не согласовано другое, все записи шумов должны выводиться:
вместе с синусоидальным калибровочным сигналом (если он имеется);
на подходящем фиксированном усилении;
с и без низкочастотного фильтра 8 Гц, 18 дБ/окт до вывода;
полностью аннотированные параметры условий записи, включая::
дата;
номер профиля и погода при заходе/сходе с профиля;
заглубление косы и расположение датчиков глубины;
вынос от судна до средины ближайшего канала;
номер ленты и файла;
установочные значения фильтров;
состояние моря;
высота и направление волн и зыби;
скорость судна относительно дна и расчетная скорость по воде;
усиление на выводе;
установочные значения усиления на аппаратуре;
среднеквадратическая амплитуда калибровочного сигнала;
комментарии.
Редактирование трасс
Отдельная трасса считается шумной, если нефильтрованный среднеквадратический уровень шума, осредненный по одной последовательности, превышает больше чем на 6 дБ осредненный шум по нормальным трассам, за исключением:
центр группы в 50-ти метрах от стабилизатора глубины;
центр группы в 75-ти метрах от концевого буя;
центр группы в 440-х метрах от судна.
Шумные трассы должны быть отмечены и их следует считать плохими трассами.
Если для любой косы среднеквадратический уровень шума одной последовательности выше на 3 дБ, чем на других косах, то вся последовательность должна быть выброшена по всем косам.
|
