При океанологических исследованиях для взятия пробы грунта со дна океана
Для поисков и разведки месторождений конкреций применяется комплекс методов и различных технических средств. Необходимое оборудование размещают на корабле, имеющем неограниченный район плавания. Обычно это крупное океанское судно водоизмещением не менее 1 тыс. т. Местоположение судна в зоне разновидности с берега определяют по береговым ориентирам. В открытом море координаты судна устанавливают при помощи навигационных приборов и уточняют методами спутниковой навигации. В заданном районе привязка может осуществляться также по буям или размещенным на дне излучателям, координаты которых вычислены заранее. Точное знание координат судна необходимо для нанесения на планы и карты мест отбора проб грунта, геофизических профилей, гидрологических наблюдений и т. п.
Сложность выполнения поисково-разведочных работ в океане связана со значительной удаленностью от береговых ориентиров, от баз экспедиционного обеспечения, с необходимостью дистанционного изучения дна с плавсредств и последующей интерпретацией результатов исследований по косвенным признакам. Чрезвычайно велики обследуемые территории и частота необходимых замеров, а следовательно, и расходы. Много сложностей возникает при создании приборов и оборудования для исследований глубин и дна океана в связи с большими давлениями, глубинами, непрозрачностью среды, наличием волнения и подводных течений.
Разнообразные данные об океане получены за всю вековую историю человечества моряками, исследователями, учеными методами визуальных наблюдений, замеров, специальных экспериментов и т. п. Но исследования дна океана начались сравнительно недавно, а изучение донных отложений, и особенно месторождений полезных ископаемых, ведется всего несколько десятилетий. Фундаментальные работы в этой области выполнены океанологами и морскими геологами многих стран мира.
Ученые, инженеры, техники, моряки разработали и успешно применяют многочисленные сложные приборы, оборудование и аппараты для изучения месторождений конкреций и окружающей среды, т. е. океана и подстилающих пород. Наряду с традиционными методами исследований и приборами при океанологических и геологических исследованиях донных отложений в последние годы используются: локаторы бокового обзора, автономные грунтовые приборы для бестросового отбора проб со дна океана, фототелевизионные установки, буксируемые придонные зонды для дистанционного изучения конкреций методами гамма-спектроскопического анализа и др.
Исследования, основанные на применении комплекса указанных технических средств, позволили конкретизировать и уточнить полученные ранее сведения, а также масштабы распространения полей конкреций, оконтурить наиболее перспективные участки, пригодные для проведения работ по опытной добыче конкреций. Были отобраны крупнообъемные пробы конкреций для технологических исследований и изыскания эффективных методов их металлургической переработки с целью извлечения ценных компонентов: никеля, кобальта и меди.
Подводные наблюдения, съемки, замеры, опробование производятся комплексом технических средств и аппаратурой, разрабатываемыми как за рубежом, так и в нашей стране специально для целей геологоразведки. Так, для батиметрической съемки американскими электронными фирмами созданы сканирующие сонары с боковым обзором. Такая система, буксируемая за судном на определенном расстоянии от дна (10—12 м), за счет использования стабилизатора глубины позволяет выявлять детальную картину рельефа полосой до 300 м.
Для взятия проб грунта (опробования) применяются различные грунтовые приборы: для точечного опробования — трубки и дночерпатели, для валового опробования — металлические сетчатые тралы (драги-волокуши). Трубки предназначаются для получения колонки грунта, дночерпатели — для отбора поверхностной пробы с определенной площади дна, а тралы — для сбора крупнообъемной пробы со значительной площади дна при его буксировке за судном на длинном стальном тросе.
Грунтовые трубки стали наиболее распространенным устройством при океанологических исследованиях. Они позволяли получить стратифицированную колонку ненарушенной пробы грунта, удобную для последующих детальных изучений. Эти приборы пригодны для исследований верхнего слоя осадочных отложений. Колонка грунта дает представление о характере грунта, напластованиях, распределении полезных компонентов по мощности пласта.
Простейшая прямоточная трубка — отрезок стальной трубы с наконечником из твердосплавного материала, снабженного пружинящим корончатым клапаном, препятствующим выпадению пробы при подъеме трубки на поверхность моря. На верхнем конце устройства закреплен груз весом 100—200 кг для внедрения трубки в грунт при ее сбрасывании с судна. Диаметр стандартных трубок равен 50—60 мм, длина достигает нескольких метров. Более совершенные трубки снабжают внутренними поршнями, способствующими втягиванию осадочного материала во внутрь трубки по мере ее проникновения в грунт. Максимальная длина колонок грунта в пробах, отобранных в океане, равна 12 м, колонок, полученных в рейсах э/с «Витязь» в Охотском и Беринговом морях, — более 30 м.
Сечение трубок составляет всего 0,003 м2 при диаметре 60 мм и вполне отвечает целям грунтовых исследований. Но оно не удовлетворяет требованиям разведки россыпных месторождений редких, рассеянных, радиоактивных элементов в связи с их чрезвычайно малыми содержаниями в единице объема. Мало пригодны грунтовые трубки при разведочных работах на месторождениях конкреций. Как установлено, конкреции залегают преимущественно монослоем на поверхности дна океана. Механическое увеличение диаметра трубок влечет за собой соответствующее увеличение веса устройства и дополнительные трудности в эксплуатации. Следовательно, для изучения месторождений конкреций нужны приборы, берущие грунт с поверхности дна океана.
Источник
ОКЕАНОЛОГИ́ЧЕСКИЕ ПРИБО́РЫ
В книжной версии
Том 24. Москва, 2014, стр. 13
Скопировать библиографическую ссылку:
ОКЕАНОЛОГИ́ЧЕСКИЕ ПРИБО́РЫ, технические устройства, применяемые при натурных исследованиях в океанах и морях для определения физич., химич., оптич. и др. параметров морской воды . Делятся на приборы, измеряющие разл. характеристики непосредственно в мор. среде, и разного рода приспособления или пробоотборники, с помощью которых добывают образцы мор. воды, донных осадков, взвешенного в воде вещества и живых организмов для последующего их анализа в лабораторных условиях. Прямые измерения в мор. среде в осн. проводятся для фиксирования физич. параметров воды (темп-ры, солёности, электропроводности, плотности, скорости звука, оптич. характеристик) и динамич. процессов (изменений уровня моря, волновых колебаний и течений), а также её химич. характеристик, таких как растворённый в воде кислород, минер. соединения азота, фосфора и кремния, показатель pH. Отбор разл. проб – гл. метод в биологич. и геологич. исследованиях морей и океанов.
Источник
Инструменты морских геологов
На эмблеме Международного геологического конгресса выгравированы перекрещенные геологические молотки и под ними подпись «Mente et malleo», что по латыни значит: «Умом и молотком». Действительно, молоток — один из главных инструментов сухопутных геологов. А из органов чувств геолог при полевых работах больше всего пользуется зрением. В самом деле, почти вся информация о геологических образованиях на суше получается нами через зрительные впечатления. Рассматривать можно и то, что, как говорится, находится под носом и то, что в отдалении. Авиация, а теперь и космические корабли дают возможность обозревать Землю сверху, издали, охватывая взглядом сразу огромные пространства, чуть ли не целые континенты. Так что, дополняя девиз геологического конгресса, можно было бы добавить: «и взглядом». Но это — на поверхности суши.
Под водой взгляд не может проникнуть далеко. Даже на прибрежном мелководье и при отсутствии мути в воде наш глаз не гложет видеть дальше нескольких десятков метров: свет рассеивается в воде, очертания предметов расплываются и сливаются с общим фоном. С глубиной свет быстро слабеет, поглощаются лучи части спектра, изменяется видимая окраска, а на глубине 100—150 метров вообще исчезают видимые лучи света. В глубинах океана (абиссали) царит вечный мрак; никогда на океаническое дно не падал луч солнца. Конечно, в глубоководной области океана зрение мало чем поможет геологу, даже если опуститься в специальном аппарате и осветить дно прожектором. Луч света далеко не проникает, рассеиваясь в вечном мраке. Поэтому в океане невозможно получить, например, перспективные фотографии дна или подобие аэрофотоснимков со сколько-нибудь значительного расстояния от дна- Оптические средства в океане годятся только для ближнего обзора.
Зато оказалось, что в толще воды свободно распространяется звук, точнее — ультразвук, беспрепятственно достигающий дна в самых глубоких впадинах. В горизонтальном направлении ультразвук распространяется на огромные расстояния, а в определенном слое воды звуковой импульс может обогнуть весь земной шар. Как и всякий звук, ультразвук отражается от препятствий, порождая эхо; ловя эхо, отраженное от дна, и зная скорость распространения ультразвука в воде, можно вычислить глубину океана. Так возник эхолот, создание которого произвело настоящий переворот в технике измерения глубин. Ведь до недавнего времени простое измерение глубины океана представляло трудоемкую задачу и не отличалось точностью.
На первой советской дрейфующей полярной станции СП—1, на которой И. Д. Папанин, П. П. Ширшов, Е. К. Федоров и Э. Т. Кренкель в 1937— 1938 годах продрейфовали от Северного полюса до Гренландского моря, измерения глубины производились опусканием тяжелого лота на рояльной струне с ручной лебедки, каждое измерение занимало целый рабочий день. При этом точность промеров была невелика: лот отклонялся от вертикального положения вследствие дрейфа льдины и под влиянием течений, струна проскальзывала по блоку счетчика глубины. Сейчас такие промеры на любых глубинах океана выполняются в считанные секунды и с гораздо большей точностью с помощью прецизионных (высокоточных) эхолотов, показания которых записываются на ленту. Эхолот работает непрерывно на ходу судна, записывая профиль дна по курсу корабля.
Дальнейшим развитием эхолотирования стали системы, позволяющие записывать не только профиль дна (глубины) по курсу корабля, но и площадное изображение рельефа в полосе шириной до 1—1,5 километра. Для такой записи аппаратура размещается на погружаемом буксируемом устройстве, с которого ультразвуковые импульсы посылаются не только вниз, но и в стороны. Подобие наземной аэрофотосъемки в океане невозможно, зато использование ультразвука в воде заменяет взгляд. Звуковой импульс в океане, будучи преобразован в объемное изображение, дает возможность получить видимое изображение рельефа и даже отдельных предметов на дне.
Таким образом, ультразвук заменил в океане взгляд для дистанционных (удаленных от предмета изучения) наблюдений. В пределах же прямой видимости в воде наблюдения ведутся из различных погружаемых устройств — подводных лодок, батискафов, «ныряющих блюдец» Кусто, советских подводных аппаратов. Широко применяются подводная фотография и телевидение. Одним из первых дно океана начал фотографироветь советский ученый К Л. Зенкевич, которому удалось получить изображение даже глубоководных рыб и следов неведомых животных на дне под многокилометровой толщей воды. Телевизионные камеры устанавливаются на погруженном буксируемом устройстве («платформе», «модуле»), которое может выдерживать заданное расстояние от дна в пределах хорошей видимости. Совмещение на одной «платформе» телевизионного устройства и фотоаппарата дает возможность выборочно фотографировать наблюдаемые по телевизору объекты. В геологической поисково-разведочной практике телевидение используется для обзора дна на ходу судна. Правда, один из наблюдателей на борту научно-исследовательского судна (НИС) ФРГ «Вальдивия», которое вело поиск рудных конкреций в Тихом океане, пожаловался, что следить за развертывающейся на телеэкране картиной дна скучнее, чем даже смотреть программы немецкого телевидения. Однако не всегда и не везде океаническое дно однообразно.
Итак, изучение рельефа дна океана возможно с помощью ультразвука, а на близких расстояниях — прямыми наблюдениями из подводных аппаратов или с помощью подводного телевидения и фотографии.
Однако геология вообще, и геология океана в частности, требуют изучения строения и состава толщи горных пород, слагающих земную кору. На суше такое изучение ведется путем непосредственных наблюдений в горах, где на склонех могут быть вскрыты геологические напластования, возраст которых насчитывает десятки и сотни миллионов лет; в равнинной местности толща пород может быть вскрыта бурением. В океане непосредственные наблюдения крайне затруднены, бурение, хотя и производится в последние годы, вскрывает только осадочную маломощную толщу. Поэтому для изучения геологии океана важнейшее значение приобрели геофизические методы — косвенные, но сравнительно дешевые и поддающиеся более или менее однозначному истолкованию.
Наиболее применяемым методом оказалось сейсмическое изучение толщи горных пород земной коры — и на суше, и в океане. Сущность метода сводится к тому, что сейсмические волны, возбужденные каким-либо источником колебаний — от землетрясений до искусственных толчков различного рода, распространяются в слоях земной коры с неодинаковой скоростью. Обычно, чем порода плотнее, тем выше в ней скорость сейсмических волн. Можно изучать скорости распространения отраженных (как ахо) волн — это будет метод отраженных волн; можно изучать скорость распространения преломленных волн; в каждом случае получаем характеристику какой-то толщи пород.
При глубинном сейсмическом зондировании изучается строение толщи коры мощностью десятки километров, изучение захватывает и породы верхней мантии. В более обычных случаях изучается часть толщи коры или даже только верхняя часть толщи осадков на дне — для этого применяются менее мощные источники — возбудители сейсмических волн. Вместо больших зарядов взрывчатых веществ сейсмики ограничиваются хлопком воздушного пузыря или разрядом электрической искры, и такие модификации сейсмического метода получили название сейсмопрофилирования и звукогеолокации или эхолокации (сейсмоакустики).
Сейсмические методы позволяют изучать строение толщи пород в резных масштабах. При детальном изучении небольшого участка на глубину десятки — первые сотни метров (например, при поисках подводных продолжений речных долин с присущими им россыпями золота или касситерита) применяются методы сейсмопрофилирования и звукогеолокации. Для изучения толщи мощностью первые тысячи метров необходимо уже применение более мощных источников сейсмических колебаний и проведение комплексе сейсмических наблюдений. На сейсмограмме получают картину изменений скоростей распространения сейсмических волн, на основании чего можно построить профиль, как бы глубинный разрез земной коры. При этом вещественный состав пород остается неизвестным. Интерпретатор сейсмической записи в зависимости от своего опыта и интуиции может предположить, с какими породами он имеет дело, однако точное определение может дать только бурение. Как выразился один из опытнейших геофизиков нашей страны, они, геофизики, при геологическом истолковании своих материалов еще не могут обойтись без «лопаты».
Сейсмические исследования в океане показали, что океаническая земная кора гораздо тоньше, чем континентальная, всего 6—10 километров и имеет при этом трехслойное строение (см. ниже). Однако такая схема строения «типичной» океанической коры часто нарушается, в коре появляются усложнения различного характера. Выяснить, какие это усложнения, помогают другие геофизические методы.
В изучении внутренней структуры коры и отдельных ее участков большое значение имеет гравиметрия — изучение распределения силы тяжести. Гравиметрия выявляет в земной коре породы, отличающиеся большей или меньшей плотностью, залежи полезных ископаемых крупных масштабов, некоторые структуры. Для работы в море созданы образцы гравиметров, которые дают надежные показания, находясь на судне, в неустойчивой обстановке качки и движения. При стационарных наблюдениях на полигонах используются также гравиметры, опускаемые на дно. Гравиметрические материалы, так же как и сейсмические, неоднозначны в смысле установления вещественного состава тел, вызывающих аномалии силы тяжести. Выражаются они не в виде скорости распространения сейсмических волн (как в сейсмометрии), а в единицах ускорения силы тяжести — галлах (1 смс2) или обычно — миллигаллах, тысячных долях галла.
Изучение намагниченности пород океанической коры — магнитометрия — показало, что эпохи «прямой» (соответствующей современному положению северного и южного магнитных полюсов) и «обратной» ориентировки магнитного поля чередовались, что породило в океанической коре так называемые полосовые магнитные аномалии. По положению таких аномалий, в частности, удается определить время их возникновения, то есть возраст этих участков океанической коры.
Изучение теплового потока через земную кору позволяет установить точки и швы, по которым происходит усиленный вынос внутренней тепловой энергии земных недр, что нередко сопровождается рудопроявлениями. Прохождение электрического тока через толщи пород океанической коры также позволяет изучать геологию дна электрометрическими методами.
К сожалению, все геофизические методы для геологии — это косвенные методы; они не позволяют определить вещество земной коры. Частично этот недостаток восполняется бурением, но бурение в океане дает материалы только о верхних сотнях метров, реже — первых километрах и обходится чрезвычайно дорого.
Частично некоторые способы определения вещества в образцах и пробах осадков и пород возможны с помощью наведенной радиоактивности в лабораторных условиях. Проводятся опыты подобных анализов образцов руды на дне океана без подъема пробы на поверхность. Однако не только электронные приборы, осциллографы и тончайшие кварцевые пружинки гравиметров входят в инструментарий морских геологов. Для геологических целей (получения образцов осадков, пород, руд, рассолов и т. д.) служат довольно простые устройства. Шутка о воздушном шаре, с которого на веревке спускается корзинка, не так уж далека от действительности в морской геологии. Для сбора материалов в море до сих пор широко используется лебедка, трос и прицепленный к концу троса захватывающий прибор. Такие приспособления верно служат морским геологам уже более ста лет, со времен зарождения морской геологии в конце прошлого века. Применялись и применяются до сих пор захватывающие устройства в виде трубок, 6), вонзающихся в осадок под влиянием своей тяжести или с помощью вибрации и другим путем; дночерпателей, соскребывающих с поверхности слой осадков или обломков; драг в виде проволочной или веревочной корзины с передним стальным краем, отрывающим при волочении по дну куски пород.
Все эти довольно примитивные орудия с успехом продолжают применяться и сейчас и даже совершенствуются: например, появились автономные пробоотборники — дночерпатели, самостоятельно погружающиеся и всплывающие после отбора пробы, не будучи соединены с кораблем тросом. Такие дночерпатели могут быть дополнительно оборудованы маленькой грунтовой трубкой для взятия неразрушенной колонки осадков и фотоаппаратом с лампой-вспышкой для получения фотографии дна, с которого поднята проба грунта или образец пород.
Но все эти приборы и устройства могут доставить материал только с поверхности дна или при подъеме колонки осадков грунтовыми трубками с глубины несколько метров; в редких случаях удавалось получить колонку грунта до 30 метров длиной. Для изучения же всей осадочной толщи и подстилающих пород необходимо бурение, так же как и на суше.
Теперь, ознакомившись с инструментарием геологов-моряков, вспомним, как зарождалась и развивалась морская геология.
Источник