CN115035779B - 一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统与方法 - Google Patents
一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统与方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115035779B CN115035779B CN202210528916.9A CN202210528916A CN115035779B CN 115035779 B CN115035779 B CN 115035779B CN 202210528916 A CN202210528916 A CN 202210528916A CN 115035779 B CN115035779 B CN 115035779B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- acoustic
- transducer
- receiving
- excitation
- subsystem
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 139
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 110
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 27
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 24
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 9
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000013500 data storage Methods 0.000 claims description 7
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 6
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 6
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 4
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 claims description 4
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 4
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 4
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 claims description 4
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 235000004443 Ricinus communis Nutrition 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
- G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
- G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
- G09B23/40—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for geology
-
- G—PHYSICS
- G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
- G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
- G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
- G09B23/06—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics
- G09B23/14—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for acoustics
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Abstract
本发明公开了一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统与方法。该系统包括试验水槽、试验模型、定位子系统、导航子系统、声激发子系统和声接收子系统。本发明通过4X‑2Y‑2Z八轴定位系统实现声激发换能器和声接收换能器在三维空间内的独立、稳定和高精度移动；利用配比溶液和特制水泵模拟热液羽状流，可以同时完成海底热液系统固体结构与羽状流结构探测的物理模拟试验；通过水面和水下换能器组合实现宽方位角声信号激发和接收，实现多震源、多阵列地震探测物理模拟，并提高物理模拟效率。本发明对于通过物理模拟发展深海热液系统结构宽频带近底声学精准探测技术具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及海洋声学探测领域，具体是一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统与方法。
背景技术
深海热液系统(尤其是洋中脊热液系统)的探测研究是揭示海底洋壳演化、物质循环和极端生境等重大科学问题以及热液硫化物精准勘探的前提和基础。热液循环系统广义上包括热液喷口流体进入水体后与海水混合形成的热液羽状流以及发育于海底浅层的裂隙构造、热液通道以及硫化物堆积体构成，深海热液系统的探测需要在1500～4000m的深海开展横向500m、纵向300m范围内的小尺度复杂构造进行高分辨率探测，特别是热液硫化物堆积体，空间范围局限于200～300m的范围内。受极端压力环境、复杂地质条件的影响，热液系统结构探测难度很大，一般需要宽频带、高分辨率声学探测才能解决。
基于物理模拟试验装置开展物理模拟试验是发展海底探测技术的基础，当前已有声学物理模拟系统大多是针对油气地质勘探设计的，只需要考虑海面地震或者井中地震等情况，需要模拟的震源频率较低(如实际气枪震源激发主频为30Hz左右的雷克子波)，且尺度一般较大。而热液系统具有目标尺度较小、结构复杂的特点，高分辨率探测一般常使用气枪震源与换能器组合起来的宽频带声源，频带较宽(如5～1000Hz)，这就需要对热液羽状流和固体地质结构同时模拟的宽频带地震模拟装置与方法。虽然当前已有一些海底热液羽状流声学探测模拟装置与方法(如201710736518.5、202111376290.6)，但这种类型的模拟装置主要是基于图像声呐分析羽状流声散射机制，只能定点或在局部范围内进行模拟试验，与实际多炮多道地震探测差异较大，更无法兼顾固体结构探测。
可以看出，当前并没有一种针对或适合深海热液系统地震物理模拟试验装置和方法。因此，开发一种针对热液系统的宽频带地震物理模拟系统与方法对深海热液系统结构精准探测具有重要意义。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统与方法。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统，其包括试验水槽、试验模型、定位子系统、导航子系统、声激发子系统和声接收子系统；
所述试验水槽内部安装所述试验模型，所述试验模型上方充满水；所述试验水槽侧壁安装进水装置和排水装置，形成稳定流场，为模拟热液羽状流提供条件；
所述试验模型包括固体结构模型和热液羽状流模型，固体结构模型由环氧树脂按照热液系统结构制作，热液羽状流模型包括流体喷头、储液仓、流体导管、小水泵；通过小水泵抽取储液仓内一定颗粒物配比的溶液从固体模型中安装的流体喷头中喷出以模拟热液羽状流喷发；
所述定位子系统安装于所述试验水槽的上方，具有安装换能器的承重结构；所述导航子系统和GPS连接，为所述声激发子系统和声接收子系统提供电平触发信号；所述声激发子系统由激发控制台、信号源、功率放大器、水下声激发换能器和水面声激发换能器构成，激发控制台、信号源、功率放大器顺次连接，与功率放大器分别连接的水下声激发换能器和水面声激发换能器安装于定位子系统的一条承重机构上；
所述声接收子系统由接收控制台、采集卡、数据存储服务器和声接收换能器构成，声接收换能器与采集卡相连，接收控制台用于控制采集卡和声接收换能器的工作，采集卡将采集的数据存储在数据存储服务器内，所述声接收换能器安装于定位子系统的另一条承重机构上；所述声激发子系统和所述声接收子系统接收导航子系统的触发电平信号而工作。
作为本发明的优选方案，所述的试验水槽底部安装有刹车脚轮和支撑调平装置，确保水槽稳定和装置水平。
作为本发明的优选方案，所述的定位子系统是4X-2Y-2Z八轴定位系统，每个轴是螺纹轴，上面安装滑块，通过步进电机带动转轴转动实现滑块精确定位和移动；定位子系统采用双轴同步传动方案提高X轴长距离移动情况下的定位精度，定位系统整体的重复定位精度为10μm。
作为本发明的优选方案，所述的定位子系统Z轴上具有承重机构用于安装水下声激发换能器、水面声激发换能器声接收换能器，通过调节声激发子系统和声接收子系统的换能器的深度，能够实现深海拖曳激发、水平与垂直接收阵列数据采集模拟。
作为本发明的优选方案，所述的声激发子系统包括频带不同的多个水下声激发换能器和水面声激发换能器，用于模拟海面气枪震源和深海拖曳震源同时激发；水下声激发换能器和水面声激发换能器均为球型声学换能器，所述球型声学换能器100KHz范围内无指向性，400KHz范围内具有40°开角范围内的无指向性声波激发能力。
作为本发明的优选方案，所述声接收子系统上安装有多个声接收换能器，实现多道同时接收，提高模拟效率。
另一方面，本发明提供一种基于上述系统的深海热液系统宽频带近底声学探测物理模拟方法，其包括以下步骤：
步骤1：确定物理模拟相似比；
根据实际热液系统的规模和尺度，按照ML＝Mλ确定相似比；其中Mλ为波长相似比，Mt为时间相似比，Mv为速度相似比，ML为空间相似比；
步骤2：物理模型构建；
固体结构模型(21)由拆离断层、硫化物堆积体、小断层、裂隙以及高渗透区组成，利用环氧树脂、硅橡胶或聚氨酯材料，设计合适的配比调整材料的声速，使用浇筑、雕刻或反模方法，按照步骤1比例因子ML制作缩小的固体结构模型(21)；
通过流体喷头(23)喷出流体形成热液羽状流模型(22)，过程如下：水槽(1)上的进水装置(11)和排水装置(12)打开，水槽内形成水中的稳定流场；通过小水泵(233)抽取储液仓(231)中一定温度和颗粒物浓度的流体，并由安装于固体结构模型(21)中的喷头(23)喷出，形成一定规模和形态的热液羽状流模型(22)；
步骤3：观测参数确定；
确定激发炮数、接收道数、炮间距、道间距、记录长度和时间采样间距；由于声源是使用水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)同步激发，设以水下声激发换能器(54)的位置S水下为Si，水面声激发换能器(55)的位置S水面＝Si+ΔS，其中ΔS为两者的距离偏移量，并将Si作为水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)的基准位置；声接收换能器(64)的位置设为Ri；
步骤4：构建采集坐标系；
建立数据采集工作的三维直角坐标系，作为确定激发和接收位置的基准；
步骤5：水平接收阵列数据采集；
步骤5.1)：在导航子系统(4)的指导下和定位子系统(3)的控制下，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)处于第一个激发点坐标位置S1；
步骤5.2)：控制声接收换能器(64)处于水平接收阵列第一个接收点位置R1，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)同步激发第1炮声波，声接收换能器(64)接收
步骤5.3)：移动声接收换能器(64)到下一个接收位置R2，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)激发声波，声接收换能器(64)接收重复操作，采集获取单炮数据/>(i＝1～Ngh)，其中Ngh为水平接收阵列的道数；
步骤5.4)：控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)沿着后续每个激发点坐标位置Sj(j＝1～Ns，Ns为激发炮数)移动，并重复上述重复步骤5.2)和5.3)，采集获取多炮数据(j＝1～Ns,i＝1～Ngh)；
步骤6：垂直接收阵列数据采集；
步骤6.1)：在导航子系统(4)的指导下和定位子系统(3)的控制下，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)处于第一个激发点坐标位置S1；
步骤6.2)：控制声接收换能器(64)处于垂直接收阵列第一个接收点位置R1，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)激发第1炮声波，声接收换能器(64)接收
步骤6.3)：移动声接收换能器(64)到下一个接收位置R2，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)激发声波，声接收换能器(64)接收重复操作，采集获取单炮数据/>(i＝1～Ngv)，其中Ngv为垂直接收阵列的道数；
步骤6.4)：控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)沿着后续每个激发点坐标位置Sj(j＝1～Ns，Ns为激发炮数)移动，并重复上述步骤6.2)和6.3)，采集获取多炮数据(j＝1～Ns,i＝1～Ngv)；
步骤7：完成物理模拟数据采集作业，并存储和备份数据。
本发明的有益效果为：本发明通过双龙门架4X-2Y-2Z八轴定位系统实现了声激发换能器和声接收换能器的在三维空间内的独立稳定移动，为近底多震源、多阵列接收物理模拟提供支撑。通过多频带换能器组合设计实现了海面气枪震源和深海换能器震源的同步激发模拟，实现宽方位角声信号激发和多阵列接收地震探测物理模拟。针对实际热液系统的热液羽状流和海底固体结构设计试验模型，实现了海底热液羽状流和固体地质结构同时探测的物理模拟试验。本发明对宽频带和高分辨率声学探测物理模拟具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统结构示意图；
图2是本发明的定位子系统水平方向滑轨设计图；
图3是本发明的水平接收阵列记录数据的展示图；
图4是本发明的垂直接收阵列记录数据的展示图。
图中：1试验水槽(其中，11进水装置，12排水装置，13刹车脚轮，14支撑调平装置)，2试验模型(其中，21固体结构模型，22热液羽状流模型，23流体喷头，231储液仓，232导管，233小水泵，234导管)，3定位子系统(其中，31为X轴滑轨，32和34为Y轴滑轨，33和35为Z轴滑轨，36定位控制单元)，4导航子系统，5声信号激发子系统(其中，51激发控制台，52信号源，53功率放大器，54水下声激发换能器，55水面声激发换能器)，6声接收子系统(其中，61接收控制台，62数据存储服务器，63采集卡，64声接收换能器)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统，由试验水槽1、试验模型2、定位子系统3、导航子系统4、声激发子系统5和声接收子系统6组成。
所述试验水槽1长宽高分别为2.0*1.5m*1.5m，内部安装所述试验模型2。所述试验水槽1侧壁安装进水装置11和排水装置12，进水装置11和排水装置12用于形成水槽内稳定流场。所述试验水槽1底部安装4个可以刹车的脚轮13以便于整体移动和稳停，4个支撑调平装置14一方面用于工作时的系统支撑，另一方面通过调节其高度控制水槽整体水平。
所述试验模型2安装于所述试验水槽1的内部，是将热液系统的主要结构简单化和抽象化，在实验室按照一定的比例因子制作的缩小版模型。固体结构模型21是利用环氧树脂、硅橡胶和聚氨酯等材料，设计合适的配比，使用浇筑、雕刻和反模等方法制作，包含了拆离断层、硫化物堆积体、小断层和裂隙以及高渗透区等热液系统的重要要素；热液羽状流模型22是流体喷头23通过喷射一定温度和颗粒物配比的溶液形成的，并在试验水槽1的进水装置11和排水装置12制造的稳定流场作用下扩散并具有稳定形态。
所述定位子系统3安装于所述试验水槽1的上方，所述的定位子系统是4X-2Y-2Z八轴定位系统，用于实现水下声激发换能器54、水面声激发换能器55和声接收换能器64自由移动控制，重复定位精度为10μm。如图2所示，X方向滑轨31是4条轨道构建的，通过步进电机带动内部转轴转动，其中滑轨311和313完全同步，用于控制滑轨32在X方向上的滑动；滑轨312和314完全同步，用于控制滑轨34在X方向上的滑动，双轴同步控制方法可以实现长距离移动情况下的高精度定位。滑轨32和34上安装轨道33和35，通过步进电机带动转轴转动实现轨道33和35在Y方向的高精度移动。同时，轨道33和35通过步进电机带动转轴转动，实现承重机构的上下高精度移动。通过4X-2Y-2Z八轴定位系统最终实现了水下声激发换能器54、水面声激发换能器55和声接收换能器64在三维空间内的高精度定位和移动，进而实现深海拖曳激发、水平与垂直接收阵列数据采集的模拟。定位控制模块36接收导航子系统4的导航信号并控制各滑轨移动。
所述导航子系统4和GPS连接，为所述声激发子系统4、声激发子系统5和声接收子系统6提供电平触发信号。
所述声激发子系统5由激发控制台51，信号源52、功率放大器53、水下声激发换能器54和水面声激发换能器55构成。用户通过激发控制台51接收导航子系统4的触发指令开始工作，通过信号源52发出子波，经过功率放大器53放大后传输给声激发换能器54和55发出。水下声激发换能器54安装于定位子系统滑轨33最下方的承重机构上，可以发出最高200～450KHz的声波。水面声激发换能器55安装于定位子系统滑轨33中间的承重机构上，但可以调节水平X方向的位置，用于激发30～100KHz范围的声波，与水下声激发换能器54共同组成宽频带信号发射装置。
所述声接收子系统6由接收控制台61、数据存储服务器62、采集卡63、声接收换能器64构成。接收控制台61接收导航子系统4的触发指令开始工作，通过采集卡63采集声接收换能器64接收的声信号，并将数据按照指定的格式存储于数据存储服务器62上。声接收换能器64安装于定位子系统滑轨35最下方的承重机构上。
利用本发明系统的深海热液系统宽频带近底声学探测物理模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：确定物理模拟相似比；
根据实际热液系统的规模和尺度，按照ML＝Mλ确定相似比。其中ML为空间相似比，Mλ为波长相似比，Mv为速度相似比，Mt为时间相似比。
这里设ML＝Mλ＝1:1000，Mv＝1:2，Mt＝1:500。
长*宽*高为2.0m*1.5m*1.0m的模型代表实际海底2.0km*1.5km*1.0km。实际主频30Hz的对应30KHz的模拟雷克子波，实际300Hz的雷克子波对应300KHz的雷克子波。
步骤2：物理模型构建；
将热液系统的拆离断层、硫化物堆积体、小断层和裂隙以及高渗透区等重要要素简单化和抽象化，在实验室利用环氧树脂、硅橡胶和聚氨酯等材料，设计合适的配比调整材料的速度，使用浇筑、雕刻和反模等方法，按照步骤1比例因子P制作缩小的固体结构模型21。其中，裂缝、裂隙、断层和高渗透性区采用不同孔隙度的材料制作，硫化物堆积体结构为两层模型，上层速度为5000m/s，下层速度为4000m/s在Mv＝1:2的情况下，模型上下层速度分别为2500m/s和2000m/s。
如图3所示，通过图示装置模拟热液羽状流模型。通过水槽1上的进水装置11和排水装置12形成水中的稳定流场。所述流体喷头23安装于固体结构模型21中，导管234通过所述水槽1的侧壁通向流体喷头23。储液仓231装有特定温度和颗粒物配比的溶液，并具有温度控制和搅拌功能。储液仓231通过导管232与小水泵233连接，小水泵233抽取储液仓231中的流体，并经由导管234通过流体喷头23喷出，形成模拟热液羽状流，并在流场作用下具有一定的形态。小水泵233可以控制喷水速度，控制热液羽状流的规模。
步骤3：观测参数确定；
确定激发炮数、接收道数、炮间距、道间距、记录长度和时间采样间距等数据采集参数。由于声源是使用水下声激发换能器54和水面声激发换能器55同步激发，设以水下声激发换能器54的位置S水下为Si，水面声激发换能器55的位置S水面＝Si+ΔS(ΔS为两者的距离偏移量)，并将Si作为换能器组54和55的基准位置。声接收换能器64的位置设为Ri；
步骤4：构建采集坐标系；
建立数据采集工作的三维直角坐标系，作为确定激发和接收位置的基准；
步骤5：水平接收阵列数据采集；
步骤5.1)：在导航子系统4的指导下和定位子系统3的控制下，控制声激发换能器组54和55处于第一个激发点坐标位置S1；
步骤5.2)：控制声接收换能器64处于水平接收阵列第一个接收点位置R1，控制声激发换能器组54和55同步激发第1炮声波，声接收换能器64接收
步骤5.3)：移动声接收换能器64到下一个接收位置R2，控制声激发换能器54和55激发声波，声接收换能器64接收重复操作，采集获取单炮数据/>(i＝1～Ngh)，其中Ngh为水平接收阵列的道数；
步骤5.4)：控制激发换能器54和55沿着后续每个激发点坐标位置Sj(j＝1～Ns，Ns为激发炮数)移动，并重复上述重复步骤5.2和5.3，采集获取多炮数据(j＝1～Ns,i＝1～Ngh)。
步骤6：垂直接收阵列数据采集；
步骤6.1)：在导航子系统4的指导下和定位子系统3的控制下，控制声激发换能器组54和55处于第一个激发点坐标位置S1；
步骤6.2)：控制声接收换能器64处于垂直接收阵列第一个接收点位置R1，控制声激发换能器组54和55激发第1炮声波，声接收换能器64接收
步骤6.3)：移动声接收换能器64到下一个接收位置R2，控制声激发换能器组54和55激发声波，声接收换能器64接收重复操作，采集获取单炮数据/>(i＝1～Ngv)，其中Ngv为垂直接收阵列的道数；
步骤6.4)：控制声激发换能器组54和55沿着后续每个激发点坐标位置Sj(j＝1～Ns，Ns为激发炮数)移动，并重复上述步骤6.2和6.3，采集获取多炮数据(j＝1～Ns,i＝1～Ngv)。
步骤7：完成物理模拟数据采集作业，并存储和备份数据。
图3展示了水平接收阵列接收到的来自主频400KHz水下声源54和主频60KHz水面声源55组合激发的某炮声学记录数据，图4展示了垂直接收阵列接收到的来自主频400KHz水下声源54和主频60KHz低频水面声源55组合激发的某炮声学记录数据。可以看出水平接收阵列和垂直接收阵列接收数据中均包含了来自不同位置声源激发的不同频带的信号，这种宽频带记录有效模拟了实际热液系统近底声学探测数据。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统，其特征在于包括试验水槽(1)、试验模型(2)、定位子系统(3)、导航子系统(4)、声激发子系统(5)和声接收子系统(6)；
所述试验水槽(1)内部安装所述试验模型(2)，所述试验模型(2)上方充满水；所述试验水槽侧壁安装进水装置(11)和排水装置(12)，形成稳定流场，为模拟热液羽状流提供条件；
所述试验模型包括固体结构模型(21)和热液羽状流模型(22)，固体结构模型(21)由环氧树脂按照热液系统结构制作，热液羽状流模型(22)包括流体喷头(23)、储液仓(231)、流体导管(232、234)、小水泵(233)；通过小水泵(233)抽取储液仓内一定颗粒物配比的溶液从固体模型中安装的流体喷头(23)中喷出以模拟热液羽状流喷发；
所述定位子系统(3)安装于所述试验水槽(1)的上方，具有安装换能器的承重结构；所述导航子系统(4)和GPS连接，为所述声激发子系统(5)和声接收子系统(6)提供电平触发信号；所述声激发子系统(5)由激发控制台(51)、信号源(52)、功率放大器(53)、水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)构成，激发控制台(51)、信号源(52)、功率放大器(53)顺次连接，与功率放大器(53)分别连接的水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)安装于定位子系统(3)的一条承重机构上；
所述声接收子系统(6)由接收控制台(61)、采集卡(63)、数据存储服务器(62)和声接收换能器(64)构成，声接收换能器(64)与采集卡(63)相连，接收控制台(61)用于控制采集卡(63)和声接收换能器(64)的工作，采集卡(63)将采集的数据存储在数据存储服务器(62)内，所述声接收换能器(64)安装于定位子系统(4)的另一条承重机构上；所述声激发子系统(5)和所述声接收子系统(6)接收导航子系统(4)的触发电平信号而工作。
2.根据权利要求1所述的一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统，其特征在于，所述的试验水槽(1)底部安装有刹车脚轮(13)和支撑调平装置(14)，确保水槽稳定和装置水平。
3.根据权利要求1所述的一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统，其特征在于，所述的定位子系统(3)是4X-2Y-2Z八轴定位系统，每个轴是螺纹轴，上面安装滑块，通过步进电机带动转轴转动实现滑块精确定位和移动；定位子系统(3)采用双轴同步传动方案提高X轴长距离移动情况下的定位精度，定位系统整体的重复定位精度为10μm。
4.根据权利要求3所述的一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统，其特征在于，所述的定位子系统(3)Z轴上具有承重机构用于安装水下声激发换能器(54)、水面声激发换能器(55)声接收换能器(64)，通过调节声激发子系统(5)和声接收子系统(6)的换能器的深度，能够实现深海拖曳激发、水平与垂直接收阵列数据采集模拟。
5.根据权利要求1所述的一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统，其特征在于，所述的声激发子系统(5)包括频带不同的多个水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)，用于模拟海面气枪震源和深海拖曳震源同时激发；水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)均为球型声学换能器，所述球型声学换能器100KHz范围内无指向性，400KHz范围内具有40°开角范围内的无指向性声波激发能力。
6.根据权利要求1所述的一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统，其特征在于，所述声接收子系统(6)上安装有多个声接收换能器(64)，实现多道同时接收，提高模拟效率。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述系统的深海热液系统宽频带近底声学探测物理模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定物理模拟相似比；
根据实际热液系统的规模和尺度，按照ML＝Mλ确定相似比；其中Mλ为波长相似比，Mt为时间相似比，Mv为速度相似比，ML为空间相似比；
步骤2：物理模型构建；
固体结构模型(21)由拆离断层、硫化物堆积体、小断层、裂隙以及高渗透区组成，利用环氧树脂、硅橡胶或聚氨酯材料，设计合适的配比调整材料的声速，使用浇筑、雕刻或反模方法，按照步骤1空间比例因子ML制作缩小的固体结构模型(21)；
通过流体喷头(23)喷出流体形成热液羽状流模型(22)，过程如下：水槽(1)上的进水装置(11)和排水装置(12)打开，水槽内形成水中的稳定流场；通过小水泵(233)抽取储液仓(231)中一定温度和颗粒物浓度的流体，并由安装于固体结构模型(21)中的喷头(23)喷出，形成一定规模和形态的热液羽状流模型(22)；
步骤3：观测参数确定；
确定激发炮数、接收道数、炮间距、道间距、记录长度和时间采样间距；由于声源是使用水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)同步激发，设以水下声激发换能器(54)的位置S水下为Si，水面声激发换能器(55)的位置S水面＝Si+ΔS，其中ΔS为两者的距离偏移量，并将Si作为水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)的基准位置；声接收换能器(64)的位置设为Ri；
步骤4：构建采集坐标系；
建立数据采集工作的三维直角坐标系，作为确定激发和接收位置的基准；
步骤5：水平接收阵列数据采集；
步骤5.1)：在导航子系统(4)的指导下和定位子系统(3)的控制下，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)处于第一个激发点坐标位置S1；
步骤5.2)：控制声接收换能器(64)处于水平接收阵列第一个接收点位置R1，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)同步激发第1炮声波，声接收换能器(64)接收
步骤5.3)：移动声接收换能器(64)到下一个接收位置R2，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)激发声波，声接收换能器(64)接收重复操作，采集获取单炮数据/>其中Ngh为水平接收阵列的道数；
步骤5.4)：控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)沿着后续每个激发点坐标位置Sj(j＝1～Ns，Ns为激发炮数)移动，并重复上述重复步骤5.2)和5.3)，采集获取多炮数据
步骤6：垂直接收阵列数据采集；
步骤6.1)：在导航子系统(4)的指导下和定位子系统(3)的控制下，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)处于第一个激发点坐标位置S1；
步骤6.2)：控制声接收换能器(64)处于垂直接收阵列第一个接收点位置R1，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)激发第1炮声波，声接收换能器(64)接收
步骤6.3)：移动声接收换能器(64)到下一个接收位置R2，控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)激发声波，声接收换能器(64)接收重复操作，采集获取单炮数据/>其中Ngv为垂直接收阵列的道数；
步骤6.4)：控制水下声激发换能器(54)和水面声激发换能器(55)沿着后续每个激发点坐标位置Sj(j＝1～Ns，Ns为激发炮数)移动，并重复上述步骤6.2)和6.3)，采集获取多炮数据
步骤7：完成物理模拟数据采集作业，并存储和备份数据。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210528916.9A CN115035779B (zh) | 2022-05-16 | 2022-05-16 | 一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统与方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210528916.9A CN115035779B (zh) | 2022-05-16 | 2022-05-16 | 一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统与方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115035779A CN115035779A (zh) | 2022-09-09 |
| CN115035779B true CN115035779B (zh) | 2024-04-05 |
Family
ID=83120701
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210528916.9A Active CN115035779B (zh) | 2022-05-16 | 2022-05-16 | 一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统与方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115035779B (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5451164A (en) * | 1991-06-12 | 1995-09-19 | Atlantic Richfield Company | Method and system for geophysical and geologic modeling |
| CN2904168Y (zh) * | 2006-04-19 | 2007-05-23 | 云南省昆明市第三十中学 | 演示声波在水中传播的教学仪 |
| CN201927263U (zh) * | 2011-01-06 | 2011-08-10 | 北京赛欧必弗科技有限公司 | 地震模拟系统 |
| CN104252809A (zh) * | 2014-09-18 | 2014-12-31 | 中国科学技术馆 | 一种模拟地震演示平台系统及其演示方法 |
| CN107422032A (zh) * | 2017-08-24 | 2017-12-01 | 国家海洋局第二海洋研究所 | 一种海底热液羽状流声学成像模拟装置与方法 |
| RU2639728C1 (ru) * | 2016-06-30 | 2017-12-22 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Сибирская Геофизическая Компания" | Системы сбора данных для морской модификации с косой и приемным модулем |
| CN108614291A (zh) * | 2018-08-02 | 2018-10-02 | 国家海洋局第二海洋研究所 | 一种锚定式深海硫化物地震勘探数据接收装置及接收方法 |
| CN111308474A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-06-19 | 自然资源部第二海洋研究所 | 拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统及方法 |
| CN113311475A (zh) * | 2021-04-15 | 2021-08-27 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种三维地震物理模拟定位采集装置 |
| CN113534260A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-22 | 自然资源部第二海洋研究所 | 一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统与方法 |
| CN114062487A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-02-18 | 自然资源部第二海洋研究所 | 一种海底热液羽状流声学探测模拟装置与方法 |
| CN114460649A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-05-10 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种深海近底拖曳式多道地震接收阵列形态重建方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014197923A1 (en) * | 2013-06-10 | 2014-12-18 | Downunder Geosolutions Pty Ltd | Seismic data spectrum restoring and broadening |
| US10228477B2 (en) * | 2014-10-17 | 2019-03-12 | Pgs Geophysical As | Method and system of calculating hypocenters of microseismic events |
| CN105089657B (zh) * | 2015-06-15 | 2018-05-04 | 中国石油天然气股份有限公司 | 缝洞型碳酸盐岩储层油气充注的物理模拟方法及实验装置 |
| CN106406141B (zh) * | 2016-10-10 | 2023-06-02 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种用于海底地震波法探测的模型试验系统及方法 |
-
2022
- 2022-05-16 CN CN202210528916.9A patent/CN115035779B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5451164A (en) * | 1991-06-12 | 1995-09-19 | Atlantic Richfield Company | Method and system for geophysical and geologic modeling |
| CN2904168Y (zh) * | 2006-04-19 | 2007-05-23 | 云南省昆明市第三十中学 | 演示声波在水中传播的教学仪 |
| CN201927263U (zh) * | 2011-01-06 | 2011-08-10 | 北京赛欧必弗科技有限公司 | 地震模拟系统 |
| CN104252809A (zh) * | 2014-09-18 | 2014-12-31 | 中国科学技术馆 | 一种模拟地震演示平台系统及其演示方法 |
| RU2639728C1 (ru) * | 2016-06-30 | 2017-12-22 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Сибирская Геофизическая Компания" | Системы сбора данных для морской модификации с косой и приемным модулем |
| CN107422032A (zh) * | 2017-08-24 | 2017-12-01 | 国家海洋局第二海洋研究所 | 一种海底热液羽状流声学成像模拟装置与方法 |
| CN108614291A (zh) * | 2018-08-02 | 2018-10-02 | 国家海洋局第二海洋研究所 | 一种锚定式深海硫化物地震勘探数据接收装置及接收方法 |
| CN111308474A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-06-19 | 自然资源部第二海洋研究所 | 拖曳式深海海底浅层结构声学探测系统及方法 |
| CN113311475A (zh) * | 2021-04-15 | 2021-08-27 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种三维地震物理模拟定位采集装置 |
| CN113534260A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-22 | 自然资源部第二海洋研究所 | 一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统与方法 |
| CN114062487A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-02-18 | 自然资源部第二海洋研究所 | 一种海底热液羽状流声学探测模拟装置与方法 |
| CN114460649A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-05-10 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种深海近底拖曳式多道地震接收阵列形态重建方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 地震照明分析技术在深海地震数据采集设计中的应用;温书亮;尹成;李绪宣;潘树林;王建花;;石油地球物理勘探;20110815;第46卷(第04期);4、19-25、180 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115035779A (zh) | 2022-09-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9625597B2 (en) | Acoustic modem-based guiding method for autonomous underwater vehicle for marine seismic surveys | |
| CN101294917B (zh) | 一种采用水下机器人对于输水道井内检测的方法 | |
| JP4354686B2 (ja) | 海底設置地震データ収集ステーションを使用する海底の地層の地震データの収集を目的とするシステム | |
| CN109991669A (zh) | 一种无人船拖曳水下磁法探测系统 | |
| CN110132247B (zh) | 一种多空间尺度的水体流场观测互补方法 | |
| CN108303570B (zh) | 一种多普勒海流计声波散射区域的标定装置及方法 | |
| CN113192404B (zh) | 适用自然水体的深海采矿系统自航拖曳模拟器及模拟方法 | |
| CN107884154B (zh) | 基于互相关法的推移质输沙率测量系统及测量方法 | |
| WO2016038453A1 (en) | Auv based seismic acquisition system and method | |
| CN102928617A (zh) | 一种实体模型断面多参量模块化测量装置及其测量方法 | |
| CN109596308A (zh) | 地效飞行器近水面飞行稳定性模型水池试验装置及方法 | |
| CN204775946U (zh) | 一种低噪声高航速大深度水下无动力上浮试验平台 | |
| CN104986311A (zh) | 一种低噪声高航速大深度水下无动力上浮试验平台 | |
| CN112526454B (zh) | 一种顾及表层声速和坐标先验信息的水下控制点定位方法 | |
| CN108008397A (zh) | 用于在浑水中对水下结构进行检测的装置及其检测方法 | |
| CN115035779B (zh) | 一种深海热液系统宽频带地震物理模拟系统与方法 | |
| CN110588926A (zh) | 一种水下监测装置及布放回收方法 | |
| CN105445694A (zh) | 等梯度声线跟踪的声速剖面自适应分层方法 | |
| CN113534260A (zh) | 一种宽频带近海底深海地质结构声学探测系统与方法 | |
| CN111474547A (zh) | 一种内河复杂水域水下地形测量系统及方法 | |
| CN110525616A (zh) | 基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器及工作方法 | |
| CN211786185U (zh) | 一种线列阵高频自动校准装置 | |
| CN108873058A (zh) | 一种海底地震仪样机及实测方法 | |
| CN114910024A (zh) | 一种水下淤泥厚度探测方法及其系统 | |
| CN111122142A (zh) | 一种研究锚链在循环运动下动力响应和流场特征的实验装置及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |