Как показал опыт строительства подводных трубопроводов, океанологическое обеспечение их прокладки является весьма актуальной проблемой [1].
В настоящее время вторая нитка газопровода «Северный поток – 2» прокладывается по дну Балтийского моря из России (севернее Санкт-Петербурга) в Германию (Грайсвальд).
Однако кроме прежних задач, стоящих перед океанологами по изучению рельефа дна и его сейсмической активности, возникает специфическая проблема, связанная с наличием в экономической зоне Дании (на дне Борнхольмской котловины) трофейных химических боеприпасов, затопленных после Второй мировой войны [2, 3].
Таких экологически опасных объектов (бомб, снарядов, контейнеров) в Балтийском море было затоплено более 35 тысяч тонн. К настоящему времени, по оценкам экспертов, под действием коррозии уже разгерметизировано около 90–100 % тонкостенных контейнеров с отравляющим веществом, а также 80–90 % снарядов и бомб, имеющих более прочные корпуса. Кроме того, как показали экспедиционные исследования, затопленные ХБ находятся в разных условиях: одни оказались погребенными под многометровым слоем ила, другие – чуть прикрыты осадками, третьи – легли на каменистое дно прибрежных шельфов.
Согласно концепции экологического мониторинга места затопления кораблей и судов, а также захоронения боевых отравляющих веществ – химических боеприпасов рассматриваются как зоны особо опасных природно-техногенных комплексов на дне Балтийского моря.
При этом площади установленной или предполагаемой максимальной концентрации ХБ на морском дне выделяются как зоны отчуждения, в которых контролируются загрязнения трех основных природных сред акватории (геология, вода, биота). Кроме того, для зоны отчуждения прогнозируется возможность чрезвычайных ситуаций в диапазоне от экологических нарушений до экологической напряженности (опасности), а также проводится геоэкологический контроль в режиме локального или регионального мониторинга.
Данные мониторинга, сведенные в соответствующие базы данных, дают возможность построения вариантных прогнозных моделей с программным обеспечением.
Разносрочные прогнозы, в свою очередь, позволяют организовывать необходимые инженерно-геологические мероприятия по снижению негативного эффекта чрезвычайной ситуации.
Положение усложняется еще и тем, что координаты этих районов определены приблизительно. Поэтому они не закрыты для рыболовства и геологоразведочных работ.
Решением этой проблемы озадачен Департамент предупреждения чрезвычайных происшествий МЧС России, по заказу которого начиная с 1998 года Институтом океанологии им. П.П. Ширшова РАН проводятся экспедиции по обследованию подводных потенциально опасных объектов с использованием судовой аппаратуры.
При проведении работ по поиску и обследованию ППОО следует учесть особенности акваторий их вероятного нахождения: средние глубины от 40 до 90 м; наибольший градиент глубин – порядка 20 м на милю; рельеф дна слаборасчлененный; мощность залегания осадков достигает десятки метров; грунты в районе – различные комбинации ила, глины и песка
Кроме того, как показали экспедиционные исследования, затопленные ХБ находятся в разных условиях: одни оказались погребенными под многометровым слоем ила, другие – чуть прикрыты осадками, третьи – легли на каменистое дно прибрежных шельфов [4].
Традиционно задачи поиска подводных объектов решаются с помощью гидролокаторов бокового обзора (ГБО), буксируемых за судном. Однако эксплуатация этих средств в мелководных районах шельфа связана с определенными ограничениями. Кроме того, предполагаемая степень заиленности ППОО не дает оснований для их эффективного обнаружения только гидроакустическими средствами.
Морская же магнитометрия успешно используется для поиска подводных объектов в условиях естественной маскировки (илистый грунт, донная флора, складки рельефа дна) подводных объектов [5].
1. Гидроакустические средства поиска подводных объектов.
Отметим, что на работу ГБО оказывают влияние маскирующие и искажающие акустические помехи, рефракция и реверберация звука, вызываемые вертикальной пространственно-временной изменчивостью региональных океанологических процессов.
Серьезным ограничением использования ГБО являются также реверберационные помехи, вызываемые отражениями и рассеяниями исходного звука от дна, а также от неоднородностей придонной среды и наблюдаемые в условиях мелководья.
Для обнаружения ППОО, как правило, используются гидролокаторы с длиной волны акустических колебаний, соизмеримых с эквивалентными радиусами обследуемых объектов, т.е. с частотами более 70 кГц. При этом для их надежного обнаружения соотношение сигнал/помеха должно быть не менее 2–3 [6].
Для надежного выделения объекта на фоне дна поиск необходимо проводить на скорости движения ГБО, позволяющей получение не менее 6–10 отметок от цели.
а) б)
Рис. 1. Гидролокаторы бокового обзора «Мезоскан – М» (а) и «МКС – 240» (б)
Кроме того, для снижения влияния дна поиск объектов целесообразно осуществлять при углах скольжения более 400, т.е. за пределами так называемой малоинформативной зоны.
В процессе экспедиционных работ использовались ГБО, разработанные Институтом океанологии и предназначенные для исследования дна акваторий на глубинах 40–100 м:
– «МКС» (рабочая частота – 240 кГц: дальность действия 200 м, масса подводного носителя – 3 кг, габариты – D0,65х 0, 0,7 м).
– «Микросаунд» (рабочие частоты 240/500 кГц; дальность действия – 300/75 м, масса подводного носителя – 9 кг; габариты D0,1х 0,9 м).
2. Магнитометрические средства поиска подводных объектов.
Как показала практика, при поиске ППОО для их надежного обнаружения в условиях заиленного мелководья целесообразно совместно с ГБО использовать буксируемые магнитометрические средства.
Магнитометр – прибор неакустического обнаружения объектов, имеющих, как правило, ферромагнитную конструкцию.
Это уникальное техническое средство с успехом используется для поиска подводных объектов в условиях низкой эффективности гидроакустических средств: на мелководье, в любых средах (воздухе, воде, грунте) и, главное, – на границах раздела этих сред («воздух – вода», «вода – грунт»).
Кроме того, морская магнитометрия успешно используется для их поиска в условиях естественной маскировки (илистый грунт, донная флора, складки рельефа дна) подводных объектов.
Однако одиночный магнитометр, как пассивное средство обнаружения, не позволяет определить местоположение подводного объекта.
В настоящее время этот недостаток частично устраняется с помощью магнитоградиентометра (системы двух магнитометров, разнесенных в пространстве), определяющих пеленг (направление на объект) [4, 5].
Традиционно градиентометры подразделяются на две категории:
– курсовые (продольные), измеряющие приращение поля в направлении продольном движению;
– траверзные (поперечные), измеряющие приращение поля в направлении перпендикулярном движению.
Исходя из структуры и параметров аномальных эффектов от образцов затопленных ХБ (единичных или групповых ферромагнитных масс) сформулированы требования к поисковой магнитометрической аппаратуре:
– чувствительность датчиков 0,01–0,05 нТл;
– база измерений градиента магнитного поля – 1–2 м;
– отстояние датчиков от дна (в процессе измерений) – 5–10 м;
– скорость буксировки – не более 5 узл.;
– погрешность определения местоположения магнитометра – 5–10 м.
В процессе поисковых работ выяснилась возможность классификации ППОО по их магнитограммам [6].
Анализ магнитограмм обнаруженного подводного объекта позволяет классифицировать его как пространственный мультиполь – «совокупность ХБ» или как точечный диполь – «затонувшее судно» (рис. 3 и 4).
а) б)
Рис. 2. Внешний вид магнитоградиентометров: курсового (а) и траверзного (б)
Рис. 3. Результаты измерений вариаций магнитного поля при обнаружении пространственной совокупности ХБ
Рис. 4. Результаты измерений вариаций магнитного поля при обнаружении затонувшего судна
В ходе поисковых работ с использованием буксируемого магнитоградиентометра (в районах с преобладанием илистых осадков) были обнаружены специфические подводные объекты, напоминающие скопление небольших металлических предметов в ограниченном пространстве, которые квалифицировались как пространственно-распределенный мультиполь.
При этом регистрировались «всплески» градиента магнитного поля (до 0,3 нТл/м), превышающих на порядок уровень сигнала на периферии района.
Как показала практика, эффективное обследование районов предполагаемого наличия ППОО возможно только при комплексном использовании дистанционных технических средств обнаружения, а также методов изучения рельефа дна, грунта и других физических полей Мирового океана.
При этом гидрографическое и геофизическое обследование районов ППОО должно включать:
– выполнение рекогносцировочного обследования рельефа дна, грунта и естественного геомагнитного фона с целью уточнения условий проведения поисковых работ и обнаружения признаков наличия донных объектов;
– выполнение комплексного площадного гидроакустического обследования и промера глубин в выбранном участке поиска;
– выполнение детального обследования уточненных мест выявленных ППОО и их предварительная идентификация.
Рекогносцировочное обследование района рекомендуется производить последовательно по ограниченным участкам размера порядка 15х15 км.
Обследование осуществляется судовыми эхолотами, ГБО и буксируемыми магнитометрами путем прокладки параллельных профилей, покрывающих всю исследуемую площадь. При этом расстояния между профилями следует планировать равными межгалсовыми расстояниями гидролокационного обзора, задаваемыми в соответствии с ТТХ используемых ГБО.
Для исключения вариационных помех МПЗ и обеспечения максимальной точности магнитных измерений рекомендуется до начала работ постановку автономной морской магнитной вариационной станции. В качестве такой станции могут быть использованы буйковые магнитовариационные станции модуля вектора геомагнитного поля.
Детальное обследование выявленных гидролокационных контактов производилось в два этапа.
На первом этапе – с помощью буксируемого гидролокатора с рабочей частотой 400–500 кГц при буксировке антенны над морским дном на расстоянии 15–20 м.
Совместно с гидролокатором целесообразно использование буксируемых магнитометрических средств – морского дифференциального магнитометра. В условиях Балтийского моря использование буксируемых магнитометров позволяет достаточно уверенно выявлять компактно залегаемые ферромагнитные объекты общей массой 500 кг и более.
На втором этапе осуществляется детальное обследование района, на котором используются необитаемые подводные аппараты с фото- и телевизионной аппаратурой. При этом появляется возможность визуального осмотра и идентификации обнаруженного подводного объекта [7].
В 2005–2012 гг. в Борнхольмской котловине Балтийского моря выполнялись подводные работы по обследованию мест предполагаемого затопления ОВ: гидролокационная съемка поверхности дна, промер глубин, измерение скорости и направления течений с помощью ADCP, отбор проб воды, грунта и CTD-зондирование.
В результате экспедиций в ряде районов были обнаружены объекты, напоминающие химические боеприпасы. Экспресс-анализ проб придонной воды и донных отложений на содержание отравляющих веществ: иприта, люизита, а также продуктов их гидролиза, фенолов и т.п., проводился с использованием газового хроматографа «ЭХО – В».
Все работы по обследованию экологически опасной акватории сопровождались непрерывным измерением глубин судовым эхолотом, а навигационная привязка обеспечивается дифференциальной системой космической навигации DGPS.
Опыт подводных работ, проведенных в районе острова Борнхольм, показал, что архивные сведения о местоположении затопленных боеприпасов весьма неточны. Иногда подводные объекты обнаруживались в 5–10 км от указанных на карте мест их затопления. Ряд объектов (в пределах 20-й изобаты) были вообще не обнаружены. По-видимому, они или уже подняты, или занесены прибрежными донными отложениями.
Заключение
1. При проведении подводных работ в акваториях захоронения трофейных химических боеприпасов следует учитывать специфику их поиска и обнаружения.
2. Комплексирование активных (гидроакустических) и пассивных (магнитометрических) средств поиска, в зависимости от океанологической обстановки в районе проведения подводных работ, позволит избавиться от (присущих каждому из них) принципиальных ограничений и повысить эффективность их использования.
3. В целях установления оперативного экологического контроля в районе массовых захоронений химических боеприпасов необходимо:
– продолжить проведение площадной съемки акватории предполагаемого нахождения химических боеприпасов;
– нанести на карту (все без исключения) районы затопления ХБ в районе острова Борнхольм;
– установить контроль с использованием судовых гидроакустических и неакустических средств, а также автоматизированных донных станций и радиобуев.