周勝 ，席振銖，宋剛，李波，左立標(biāo)，侯海濤

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 長(zhǎng)沙五維地科勘查技術(shù)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙，410205；3. 北京先驅(qū)高科技開(kāi)發(fā)公司，北京，100081)

海底熱液硫化物礦是繼發(fā)現(xiàn)錳結(jié)核后的又一種海底礦產(chǎn)資源，賦存于水深1.2～3.7 km的熱液活動(dòng)區(qū)，富含Cu，Zn，Pb，Ag，Au，Co，Cd和Mn等金屬，主要分布在環(huán)太平洋構(gòu)造帶中的西太平洋，以及西南太平洋的弧后擴(kuò)張盆地、東太平洋海隆和大西洋洋中脊區(qū)域，堆積在長(zhǎng)度為數(shù)百米、寬度為近百米的范圍內(nèi)，品位高、埋深淺，資源開(kāi)發(fā)前景廣闊，已成為各國(guó)海洋資源調(diào)查的重點(diǎn)之一[1]。針對(duì)深海堆積型熱液硫化礦床的特定環(huán)境，實(shí)施“快速、有效、便于實(shí)施”的深海拖曳式瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)十分必要。深海拖曳式瞬變電磁是借鑒陸地瞬變電磁法(Transient electromagnetic methods)，具有快速、有效和便于實(shí)施的特點(diǎn)，其整個(gè)系統(tǒng)主要包括工作船、水下儀器艙拖體單元和水下發(fā)射及接收線圈拖體單元 3部分。Edwards等[2?5]利用電偶源瞬變電磁偶極偶極方法進(jìn)行了海底電導(dǎo)率填圖，開(kāi)創(chuàng)了海洋瞬變電磁的先河；劉長(zhǎng)勝等[6]計(jì)算了海水為均勻半空間的瞬變電磁響應(yīng)；李慧[7]計(jì)算了淺海瞬變電磁垂直偶極子和中心回線裝置的響應(yīng)曲線，并與陸地情況對(duì)比分析了海水對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響；Li等[8]對(duì)淺海瞬變電磁法進(jìn)行了一維數(shù)值模擬，研究了天波對(duì)時(shí)間域可控源電磁(CSEM)響應(yīng)的影響。在此，本文作者建立深海熱液金屬硫化物礦床的地電模型，運(yùn)用瞬變電磁全空間理論計(jì)算方法，模擬計(jì)算深海瞬變電磁響應(yīng)，總結(jié)其規(guī)律。

1 深海堆積型熱液硫化礦的電性模型

在深海環(huán)境中，海底堆積型熱液硫化礦被海水包圍，其主要圍巖為海底沉積物、碎玄武巖和完整玄武巖。深海近海底水溫基本保持在 2～4 ℃。根據(jù)Accerboni等[9]提出的海水電導(dǎo)半經(jīng)驗(yàn)估算公式可以得到深海近海底海水的電導(dǎo)率變化范圍為 3.2～3.4 S/m。海底沉積物、碎玄武巖和完整玄武巖的電導(dǎo)率主要取決于孔隙度、滲透率、溫度、年代和各向異性等因素，其變化范圍分別為 0.750～2.00，0.100～0.500和 0.030～0.001 S/m(表 1)。海底熱液硫化礦電導(dǎo)率變化范圍為0.800～10.000 S/m，這取決于礦物類(lèi)型、金屬含量、溫度和孔隙密度等因素。但在通常情況下，堆積型熱液硫化礦的電導(dǎo)率大約是海水的3倍，是海底沉積物和基巖的5倍多，具備基于電導(dǎo)率為基礎(chǔ)的電法勘探的物性條件，可以運(yùn)用瞬變電磁法等方法方法有效探測(cè)深海堆積型熱液硫化礦。海水的浸泡作用使得近海底電性比裸露在空氣介質(zhì)中近地表電性均勻得多。根據(jù)海水電導(dǎo)率和深海堆積型熱液硫化礦及其圍巖電性特征，以及深海堆積型熱液型硫化礦的分布特征，可以建立如圖1所示的近似層狀地電模型。

表1 海底巖礦石電導(dǎo)率Table 1 Conductivities of rocks on seafloor

圖1 深海堆積型熱液硫化礦電性模型Fig.1 Electrical model of deep-sea hydrothermal sulfide ore deposit

2 深海瞬變電磁計(jì)算方法

深海環(huán)境中瞬變電磁傳播是一個(gè)全空間過(guò)程，見(jiàn)圖2。當(dāng)水平發(fā)送回線處于深海環(huán)境時(shí)，電磁波既向海底地層中傳播，也向上在海水中傳播，由于海水不同于空氣，其電阻率低，感應(yīng)產(chǎn)生二次場(chǎng)很強(qiáng)，因此，海水感應(yīng)的二次場(chǎng)的影響是不可忽略的。Krivochieva等[10?11]討論了層狀介質(zhì)中瞬變電磁全空間計(jì)算方法，借鑒其計(jì)算方法，分析深海環(huán)境下瞬變電磁場(chǎng)的傳播過(guò)程(見(jiàn)圖2)，建立深海堆積型熱液硫化礦層狀的電性模型(見(jiàn)圖1)，模擬計(jì)算拖曳式深海瞬變電磁響應(yīng)。需說(shuō)明的是：深海拖曳式瞬變電磁發(fā)送回線的面積是有限的，相對(duì)于在深海水平方向上有100 m延伸的硫化物礦床，發(fā)送回線的面積小得多，可以將深海硫化物礦床簡(jiǎn)化為層狀模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

如模型4，當(dāng)發(fā)射源位于海水中的第i分層時(shí)，矢量位A*在每一層介質(zhì)中都滿足亥姆霍茲方程[12?16]，并且A*只有Z分量。

圖2 全空間瞬變場(chǎng)的傳播示意圖Fig.2 Diagram of whole space transient spread

圖3 瞬變電磁全空間層模型Fig.3 Whole space layer model of transient electromagnetic

則：

其中：j為層數(shù)；PM=ISN為磁偶極距；I為發(fā)射電流；S為發(fā)射線圈面積；N為發(fā)射線圈匝數(shù)；Cj和Dj為待求系數(shù)，當(dāng)z→?∞時(shí)，D1=0；當(dāng)z→∞時(shí)，Cn=0，根據(jù)邊界條件：

建立方程組，可以求得 Zj=?i ω μ/uj，j=1，2，3，…，n；Z(0)=Z0；Z(5)=Z5；

由快速漢克爾變換[14]計(jì)算頻率域電磁場(chǎng)Hz，用余弦變換多項(xiàng)式法計(jì)算

3 深海拖曳式瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律

建立一維深海地電模型，如圖1所示。取導(dǎo)電率σ0=0.000 01 S/m，深度 h0→?∞；σ1=3 S/m，h1=2 km；σ2=3 S/m；σ4=0.1 S/m，h4=500 m；σ5=0.002 S/m，h5→∞，I=10 A，發(fā)送回線半徑為5 m，回線匝數(shù)50匝，采用重疊回線裝置。當(dāng)發(fā)射源位于海底即 h2=h3=0 m，不存在低阻熱液硫化礦層時(shí)，得到深海瞬變電磁響應(yīng)曲線和不考慮海水影響的瞬變電磁響應(yīng)如圖4所示。從圖4可以看出：海水的作用對(duì)瞬變電磁響應(yīng)曲線形態(tài)影響較小，曲線形態(tài)與不考慮海水影響的瞬變電磁的形態(tài)基本相似，但海水的存在導(dǎo)致 TEM 響應(yīng)衰減較慢，響應(yīng)幅值增大，尤其是在晚延時(shí)階段，深海瞬變電磁相比無(wú)海水情況的瞬變電磁響應(yīng)幅值增加了近 2個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)發(fā)射源位于海底且存在硫化礦層時(shí)，取h2=0 m，h3=20 m，得到如圖5所示的瞬變電磁響應(yīng)曲線。從圖5可見(jiàn)：深海瞬變電磁響應(yīng)與不考慮海水影響的瞬變電磁響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)一致，但是，深海瞬變電磁早延時(shí)和晚延時(shí)階段響應(yīng)幅值顯著增強(qiáng)，為不考慮海水情況的2倍多，海洋與不考慮海水影響的瞬變電磁響應(yīng)在1～100 ms時(shí)窗內(nèi)，異?；疽恢?。

圖4 無(wú)礦層瞬變電磁響應(yīng)對(duì)比曲線Fig.4 Contrast response curves of transient electromagnetic sounding

圖5 含礦層時(shí)瞬變電磁響應(yīng)對(duì)比曲線Fig.5 Contrast transient electromagnetic response curves of hydrothermal sulfide ores

4 拖曳高度對(duì)瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律

如圖1所示，取電導(dǎo)率 σ0=0.000 01 S/m，深度h0→?∞；σ1=3 S/m，h1=2 000 m；σ2=3 S/m；h2=H(H為拖曳高度)；σ3=10 S/m，h3=20 m，σ4=0.1 S/m，h4=500 m；σ5=0.002 S/m，h5→∞，發(fā)送回線半徑為5 m，回線匝數(shù)50匝，采用重疊回線裝置。當(dāng)發(fā)送回線位于海底即H=0 m時(shí)，硫化礦層的異常響應(yīng)非常明顯(見(jiàn)圖6(a))，從早延時(shí)到大約100 ms的觀測(cè)窗口都可以觀測(cè)到低阻礦層的深海瞬變電磁響應(yīng)，比深海背景場(chǎng)響應(yīng)(即不存在低阻熱液硫化礦層是的瞬變電磁響應(yīng))高2～3倍；隨著拖曳高度的增加(見(jiàn)圖6(b)，(c)和(d))，深海低阻礦層的瞬變電磁異常響應(yīng)向后延時(shí)，并迅衰減速接深海背景場(chǎng)。拖曳高度在0～100 m范圍內(nèi)變化，對(duì)29.75 ms時(shí)間道進(jìn)行抽道，如圖7所示。從圖7可見(jiàn)：隨著拖曳高度的升高，深海低阻層瞬變電磁響應(yīng)與深海背景場(chǎng)迅速接近。理論上，隨著拖曳高度的增加，通過(guò)延時(shí)觀測(cè)可以達(dá)到探測(cè)海底硫化礦的目的，但是，海水的電阻率極低，電磁波的衰減嚴(yán)重，當(dāng)拖曳高度超過(guò) 50 m時(shí)，異常響應(yīng)幅值只有約為背景場(chǎng)值的7%，已經(jīng)相當(dāng)微弱。為了突出海底淺部硫化礦層的異常特征，拖曳高度應(yīng)盡量接近海底，不宜超過(guò)50 m。

圖6 不同拖曳高度下深海瞬變電磁響應(yīng)對(duì)比曲線Fig.6 Contrast of transient electromagnetic responses to different towed heights

圖7 不同拖曳高度下29.75 ms含礦層瞬變電磁響應(yīng)Fig.7 Transient electromagnetic response of different towed heights at 29.75 ms including ore layer

5 深海拖曳式瞬變電磁響應(yīng)的時(shí)窗范圍

在圖1中，設(shè)參數(shù)與前面的相同，拖曳高度H是可變的，當(dāng)拖曳高度H為10 m和50 m時(shí)含礦層與海洋背景瞬變電磁響應(yīng)對(duì)比曲線如圖8所示。通過(guò)分析圖8發(fā)現(xiàn)：海水的影響使得瞬變電磁響應(yīng)在小于關(guān)斷延時(shí)1 ms時(shí)，難以與海洋背景場(chǎng)相區(qū)分；從關(guān)斷5 ms左右開(kāi)始，逐步顯示熱液硫化礦層的異常，據(jù)此可以清楚地分辨硫化礦層異常響應(yīng)；關(guān)斷100 ms以后，瞬變電磁響應(yīng)又逐漸趨于海洋背景場(chǎng)，難以分辨熱液硫化礦層的異常響應(yīng)?？梢?jiàn)：針對(duì)深海熱液硫化礦，深海拖曳式瞬變電磁測(cè)深最佳觀測(cè)窗口為 1～100 ms時(shí)窗。

圖8 不同拖曳高度下深海瞬變電磁響應(yīng)曲線Fig.8 Transient electromagnetic responses to different towed heights

6 結(jié)論

(1) 深海與無(wú)海水瞬變電磁相比，響應(yīng)衰減曲線的形態(tài)相似，但前者明顯衰減緩慢且響應(yīng)幅值明顯增強(qiáng)。

(2) 拖曳高度對(duì)海洋瞬變電磁探測(cè)的影響不可忽略。隨著拖曳高度的升高，低阻層的異常響應(yīng)向后延遲，并迅速衰減，最后幾乎淹沒(méi)在海洋背景場(chǎng)中。當(dāng)拖曳高度超過(guò)50 m時(shí)，異常響應(yīng)極其微弱，在實(shí)際應(yīng)用中將難以觀測(cè)。為了探明深海熱液硫化礦，深海拖曳式瞬變的拖曳高度應(yīng)低于50 m。

(3) 海水的存在使得深海瞬變電磁衰減緩慢，在拖曳高度不高于50 m時(shí)，為了突出深海熱液硫化礦的瞬變電磁響應(yīng)，拖曳式瞬變電磁的觀測(cè)時(shí)窗應(yīng)滿足涵蓋關(guān)斷后延時(shí)1～100 ms的時(shí)間窗口。

致謝：承蒙牛之璉教授和鮑光淑教授對(duì)本文提出了寶貴的修改意見(jiàn)，在此致以誠(chéng)摯的謝意！

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