Seismoacoustics in Arctic seas: fundamental principles for improving monitoring technologies

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of the development of scientific foundation of technology for passive geohydroacoustic monitoring of Arctic seas are presented, including theoretical studies of the conditions for the origin and propagation of wave fields generated by induced geodynamic processes in the layered structure “lithosphere – hydrosphere – ice cover”, the solution of a separate class of problems within the framework of a fundamental scientific problem, related to the search for innovative, environmentally safe geophysical technologies to outline the local heterogeneities, as well as the creation of prototypes, laboratory and full-scale testing of prototypes of new generation ice-based geohydroacoustic buoys. The method for estimating parameters of floating ice (thickness, density, Young’s modulus, Poisson’s ratio) in passive mode was proposed and tested in a field experiment. Particular attention is paid to the state of scientific and practical groundwork regarding the possibilities of developing methods for passive geohydroacoustic monitoring of the Arctic seas.

About the authors

A. L. Sobisevich

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: sobisevich@yandex.ru

член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией 703

Russian Federation, Moscow

V. P. Dmitrichenko

JSC Concern “Sea Underwater Weapon Gidropribor”

Email: dmitrichenko-v@yandex.ru

кандидат технических наук, начальник отделения

Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Laverov N.P., Roslov Y.V., Lobkovsky et al. Prospects of Sea-Floor Seismography in the Russian Federation // The Arctic: ecology and economy. 2011, no. 4, pp. 4–13.
  2. Laverov N.P., Lobkovsky L.I., Kononov M.V. et al. A Geodynamic Model of the Evolution of the Arctic Basin and Adjacent Territories in the Mesozoic and Cenozoic and the Outer Limit of the Russian Continental Shelf // Geotectonics. 2013, no. 1, pp. 1–30.
  3. Artyushkov E.V., Chekhovich P.A. Lomonosov ridge and the Eastern Arctic Shelf as elements of an integrated lithospheric plate: Comparative analysis of wrench faults // Doklady Earth Sciences. 2017, no. 1, pp. 485–489.
  4. Laverov N.P., Bogoyavlensky V.I., Bogoyavlensky I.V. Fundamental aspects of the rational development of oil and gas resources of the Arctic and Russian shelf: strategy, prospects and challenges // The Arctic: ecology and economy. 2016, no. 2, pp. 4–13.
  5. Kontorovich A.E. Ways of Developing Oil and Gas Resources in the Russian Sector of the Arctic // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2015, no. 3, pp. 213–222.
  6. Marine seismic exploration / Ed. by A.N. Telegin, Moscow: Geoinformmark, 2004. (In Russ.)
  7. Litvak A.G. Acoustics of the Deepwater Part of the Arctic Ocean and of Russia’s Arctic Shelf // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2015, no. 3, pp. 239–250.
  8. Mordret A., Landès M., Shapiro N.M. et al. Ambient noise surface wave tomography to determine the shallow shear velocity structure at Valhall: depth inversion with a Neighbourhood Algorithm // Geophys. J. Int. 2014, vol. 198, pp. 1514–1525.
  9. Yanovskaya Y.B., Lyskova E.L., Koroleva T.Yu. Radial Anisotropy in the European Upper Mantle from Surface Waves // Physics of the Earth. 2019, no. 2, pp. 3–14.
  10. Burov V.A., Sergeev S.N., Shurup A.S. The use of low-frequency noise in passive tomography of the ocean // Acoustical Physics. 2008, no. 1, pp. 42–51.
  11. Godin O.A., Zabotin N.A., Goncharov V.V. Ocean tomography with acoustic daylight // Geophys. Res. Lett. 2010, vol. 37, L13605.
  12. Kulchin Y.N., Kamenev O.T., Petrov Y.S. et al. Developing Physical Bases for Low-Frequency Acoustic Tomography in the Arctic Shelf Using Fiberoptic Geophones // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2018, no. 5, pp. 487–490.
  13. Johansen T.A., Ruud B.O., Tømmerbakke R., Jensen K. Seismic on floating ice: data acquisition versus flexural wave noise // Geophysical Prospecting. 2019, vol. 67, pp. 532–549.
  14. Serripierri A., Moreau L., Boue P. et al. Recovering and monitoring the thickness, density, and elastic properties of sea ice from seismic noise recorded in Svalbard // The Cryosphere. 2022, vol.16, pp. 2527–2543.
  15. Sobisevich A.L., Presnov D.A., Sobisevich L.E., Shurup A.S. Localization of Geological Inhomogeneities on the Arctic Shelf by Analysis of the Seismoacoustic Wave Field Mode Structure // Doklady Earth Sciences. 2018, vol. 479 (1), pp. 355–357.
  16. Krylov A.A., Novikov M.A., Kovachev S.A. et al. Features of Seismological Observations in the Arctic Seas // J. Mar. Sci. Eng. 2023, vol. 11, 2221.
  17. Sobisevich A.L., Presnov D.A., Shurup A.S. Fundamentals of Passive Seismohydroacoustic Methods for Arctic Shelf Investigation // Acoustical Physics. 2021, no. 1, pp. 62–82.
  18. Mikhalevsky P.N., Sagen H., Worcester P.F. et al. Multipurpose acoustic networks in the integrated Arctic Ocean observing system // Arctic. 2015, vol. 68, pp. 11–27.
  19. Dmitrichenko V.P. Hydroacoustic antennas of underwater vehicles. St. Petersburg: JSC «Concern “MPO – Gidropribor”», 2024. (In Russ.)
  20. Presnov D.A., Sobisevich A.L., Shurup A.S. Determination of ice cover parameters using seismoacoustic noise // Acoustical Physics. 2023, no. 5, pp. 752–737.
  21. Tikhotskii S.A., Presnov D.A., Sobisevich A.L., Shurup A.S. The Use of Low-Frequency Noise in Passive Seismoacoustic Tomography of the Ocean Floor // Acoustical Physics. 2021, no. 1, pp. 91–99.
  22. Sobisevich A.L., Presnov D.A., Tubanov T.A. The Baikal Ice-Based Seismoacoustic Experiment // Doklady Earth Sciences. 2021, no. 1, pp. 76–79.
  23. Sobisevich A.L., Presnov D.A., Agafonov V.M., Sobisevich L.E. New-Generation Autonomous Geohydroacoustic Ice Buoy // Seismic Instruments. 2018, no. 6, pp. 677–681.
  24. Dmitrichenko V.P., Presnov D.A., Rudenko O.V. et al. Patent for invention no. RU2646528 “Method for searching for minerals on the shelf of seas covered with ice”. Priority date 07.12.2016, published 05.03.2018, bul. no. 7. (In Russ.)
  25. Curtis A., Gerstoft P., Sato H. et al. Seismic interferometry –Turning noise into signal // The Leading Edge. 2006, vol. 25, pp. 1082–1092.
  26. Godin O.A. Acoustic noise interferometry in a time-dependent coastal ocean // J. Acoust. Soc. Am. 2018, vol. 143, pp. 595–604.
  27. Shapiro N.M., Campillo M., Stehly L., Ritzwoller M.H. High-resolution surface-wave tomography from ambient seismic noise // Science. 2005, vol. 307 (5715), pp. 1615–1618.
  28. Snieder R., Wapenaar K. Imaging with ambient noise // Physics Today. 2010, vol. 63, pp. 44–49.
  29. Weaver R.L., Lobkis O.I. Ultrasonics without a source: Thermal fluctuation correlations at MHz frequencies // Phys. Rev. Lett. 2001, vol. 87, 134301.
  30. Пескин М., Шредер Д. Введение в квантовую теорию поля. Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2001.
  31. Peskin M., Schroeder D. Introduction to quantum field theory. Izhevsk: SIC “Regular and chaotic dynamics”, 2001. (In Russ.)
  32. Weaver R.L., Lobkis O.I. Ultrasonics without a source: Thermal fluctuation correlations at MHz frequencies // Phys. Rev. Lett. 2001, vol. 87, 134301.
  33. Burov V.A., Sergeev S.N., Shurup A.S. Using short curved vertical arrays in ocean acoustic tomography // Acoustical Physics. 2009, vol. 55, pp. 240–252.
  34. Gordienko V.A., Ilyichev V.I., Zakharov L.N. Vector-phase methods in acoustics. Moscow: Nauka, 1989. (In Russ.)
  35. Sergeev S.N., Shurup A.S., Godin O.A. et al. Separation of acoustic modes in the Florida Straits using noise interferometry // Acoustical Physics. 2017, no. 1, pp. 76–85.
  36. Koulakov I.Yu. A View on Processes beneath Volcanoes through the Prism of Seismic Tomography // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2013, no. 4, pp. 345–356.
  37. Chebotareva I.Ya. Methods for passive study of the geological environment using seismic noise // Acoustical Physics, no. 6, pp. 857–865.
  38. Gorbatikov A.V. Patent for invention no. RU2271554 “Method of seismic exploration”, priority date 03.25.2005, bul. no. 7. (In Russ.)
  39. Sobisevich A.L., Razin A.V. Geoacoustics of layered media. Moscow: Schmidt Institute of Physics of the Earth of the RAS, 2012. (In Russ.)
  40. Yanovskaya T.B. Surface wave tomography in seismological studies. St. Petersburg: Nauka, 2015. (In Russ.)
  41. Presnov D.A., Sobisevich A.L., Shurup A.S. Model of the geoacoustic tomography based on surface-type waves // Physics of Wave Phenomena. 2016, vol. 24, pp. 249–254.
  42. Bensen G.D., Ritzwoller M.H., Barmin M.P. et al. Processing seismic ambient noise data to obtain reliable broad-band surface wave dispersion measurements // Geophys. J. Int. 2007, vol. 169, pp. 1239–1260.
  43. Marsan D., Weiss J., Larose E., Metaxian J.-P. Sea-ice thickness measurement based on the dispersion of ice swell // J. Acoust. Soc. Am. 2011, vol. 131, pp. 80–91.
  44. Brekhovskikh L.M. Waves in layered media. Moscow: Nauka, 1973. (In Russ.)
  45. Katsnelson B.G., Petnikov V.G. Acoustics of the shallow sea. Moscow: Nauka, 1997. (In Russ.)
  46. Presnov D.A., Zhostkov R.A., Gusev V.A., Shurup A.S. Dispersion dependences of elastic waves in an ice-covered shallow sea // Acoustical Physics. 2014, no. 4, pp. 455–465.
  47. Agafonov V.M., Egorov I.V., Shabalina A.S. Operating principles and technical characteristics of a small-sized molecular-electronic seismic sensor with negative feedback // Seismic Instruments. 2014, vol. 50, pp. 1–8.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Results of numerical simulation of a random noise field received by two receivers spaced on a plane a – spatial distribution of random noise sources (points) relative to receivers (triangles); b – intercorrelation functions of two receivers spaced apart, which are obtained taking into account the contribution of various groups of sources marked with the appropriate color; vertical black lines correspond to true propagation times of signals between receivers [18]

Download (36KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Layout of a frozen geohydroacoustic information and measurement buoy (a) and amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of molecular electronic seismic receivers (CME-4211V) and reference pendulum seismic receivers Guralp (CMG-3ESP) and Streckeisen (STS-1V/VBB) (b) 1 - primary converter; 2 – elements power supply; 3 – digital recorder and electronics unit

Download (31KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dispersion dependences of the main modes of the seismohydroacoustic field at a reservoir depth of 30 m and an ice thickness of 1 m (a) and dispersion curves of bending-gravitational waves for different values of ice thickness (b) [18]

Download (26KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The scheme of experiments in ice conditions 1 – a model of a geohydroacoustic buoy; 2 – a vector piezoceramic receiver; 3 – a CM3-OS pendulum seismometer; 4 – a bottom molecular electronic seismic receiver; 5 - a hydrophone; 6 – a digital recorder; 7, 9 – pulse effects on the ice surface and on the bottom; 8 – a pulse source in the water column

Download (30KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. An example of synchronous recording of a signal from a pulse source by seismometers at the bottom (bottom) and on the ice surface (top)

Download (28KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».