熊 威，陶春輝，鄧顯明

（國家海洋局 第二海洋研究所，國家海洋局 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

0 引言

海底熱液活動、多金屬硫化物礦產(chǎn)及其生物資源是當(dāng)前國內(nèi)外海洋科學(xué)界的一個(gè)重大研究課題，具有重要的科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。海底熱液活動相伴生的多金屬硫化物礦產(chǎn)是繼大洋多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼后的另一種新的海底金屬礦產(chǎn)資源，以其自身產(chǎn)出環(huán)境的有利優(yōu)勢，被認(rèn)為極有可能是最先被開采的深海礦產(chǎn)資源之一［1－2］。

我國自2005年開展多金屬硫化物調(diào)查以來，曾利用“大洋一號”科學(xué)考察船（以下稱“大洋一號”）相繼在西南印度洋中脊、東太平洋海隆及南大西洋中脊發(fā)現(xiàn)了多處海底熱液活動區(qū)［3］，這些活動區(qū)將為我國在國際海底進(jìn)行多金屬硫化物調(diào)查研究中提供科學(xué)試驗(yàn)區(qū)和重要海底礦產(chǎn)資源研究區(qū)，開發(fā)這些活動區(qū)將能為我國積極參與國際海底管理局有關(guān)的硫化物相關(guān)事務(wù)及和平利用國際海底資源提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐。我國已于2012年與國際海底管理局正式簽署了西南印度洋多金屬硫化物勘探區(qū)的勘探合同，在合同簽署之后10a內(nèi)需要完成區(qū)域放棄，因而迫切需要對合同區(qū)內(nèi)的多金屬硫化物資源的三維展布及資源量遠(yuǎn)景評價(jià)展開調(diào)查研究工作?！按笱笠惶枴彪m然在短時(shí)間內(nèi)取得了很好的觀測硫化物調(diào)查成果，但多年來該船對硫化物調(diào)查一直是以海底攝像和抓斗取樣等直接觀測的方法為主，總的來說，該船的調(diào)查手段不夠先進(jìn)，觀測效率不高，不適合進(jìn)行大區(qū)域內(nèi)海底多金屬硫化物的快速勘探工作；另外海底多金屬硫化物礦區(qū)多分布于幾千米的海底，由于頻繁的熱液活動，礦體賦存的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，目前“大洋一號”的觀測手段雖然也能發(fā)現(xiàn)出露于海底的硫化物露頭，但無法對硫化物礦體的分布范圍、規(guī)模大小及賦存狀況做出整體的推斷。

在陸地上，電磁方法是勘探金屬硫化物的最主要的地球物理方法之一。雖然陸地與海洋的電磁環(huán)境有很大的差異，但理論和實(shí)踐表明，陸地上幾乎所有已經(jīng)使用的電磁方法都可以在海洋中運(yùn)用［4］。將電磁方法運(yùn)用到海底多金屬硫化物探測比運(yùn)用到陸地上找礦更具有以下優(yōu)勢：（1）海水是一個(gè)低通濾波器，高頻電磁信號衰減嚴(yán)重，各種天然、人工干擾場源衰減殆盡，這對觀測海底微弱信號極為有利；（2）海水的含鹽度相差較小，接收和測量電極的環(huán)境均勻穩(wěn)定，電極噪聲極小，供電電極與海水的接觸阻抗非常小，可以大電流供電，這在陸地上是難以做到的；（3）在海洋中可進(jìn)行拖曳式的連續(xù)測量，發(fā)送和接收裝置均可在海中（或海底）拖動，因而能實(shí)現(xiàn)快速的大面積測量。

國際上解決硫化物探測三維問題的主要手段還是靠鉆探，另外俄羅斯也能利用電法很好地解決這一問題。當(dāng)前國際上真正將電法手段運(yùn)用到海底多金屬硫化物探測的只有俄羅斯［5］和鸚鵡螺公司［6］，由于各種原因，幾乎見不到相關(guān)的英文文獻(xiàn)報(bào)道。

針對目前我國海底多金屬硫化物勘探中面臨的對觀測方法及設(shè)備的需求，我國在2010年完成了首套針對海底多金屬硫化物的瞬變電磁探測系統(tǒng)的研制，并于2011年6月在中國大洋第22航次第5航段中試用成功，取得了我國首批多金屬硫化物瞬變電磁數(shù)據(jù)。分析這些數(shù)據(jù)，將對進(jìn)一步改進(jìn)瞬變電磁探測設(shè)備和多金屬硫化物探測方法以及海底電磁方法的理論研究提供有益的幫助。

1 調(diào)查區(qū)概況及試驗(yàn)方法

1.1 調(diào)查區(qū)概況

2011年6月，在中國大洋第22航次第5航段中的大西洋中脊“貝利珠”熱液區(qū)（13.2°S、14.4°W）進(jìn)行了2條測線的瞬變電磁試驗(yàn)（圖1），黑線為設(shè)計(jì)的測線，紅星所在處為“貝利珠”熱液區(qū)?！柏惱椤睙嵋簠^(qū)是在中國大洋第22航次第2航段中通過海底攝像發(fā)現(xiàn)的，屬于新發(fā)現(xiàn)的熱液區(qū)，對該區(qū)整體的研究工作還未展開。從海底地形上看，該熱液區(qū)靠近南大西洋中脊一處新的擴(kuò)張火山，整體水深為2 300～2 450m，水深變化范圍不大，地形變化較平緩①中國大洋協(xié)會.中國大洋第22航次第5航段調(diào)查現(xiàn)場報(bào)告，2011.，選擇在該區(qū)進(jìn)行瞬變電磁試驗(yàn)，能較好地保證試驗(yàn)設(shè)備的安全；另外，中國大洋第22航次第2航段的海底攝像資料表明，該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境比較簡單，未見大規(guī)模的斷層存在，裂隙比較發(fā)育②中國大洋協(xié)會.中國大洋第22航次第2航段調(diào)查現(xiàn)場報(bào)告，2011.。

圖1 測區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 試驗(yàn)方法簡介

試驗(yàn)中使用的瞬變電磁設(shè)備采用重疊回線裝置，這種同點(diǎn)裝置與目標(biāo)地質(zhì)體耦合最佳，具有較高的探測能力，且受旁側(cè)地質(zhì)體的影響較小，同時(shí)由于發(fā)射線圈與接收線圈重合，大大減小了試驗(yàn)設(shè)備的體積，這對于保證海底作業(yè)中試驗(yàn)設(shè)備的安全性很重要。該套瞬變電磁設(shè)備采用近底拖曳式作業(yè)方式（圖2）。近底作業(yè)時(shí)船速控制為1.5kn。本次試驗(yàn)的目的主要是對工作方法的安全性、試驗(yàn)設(shè)備的穩(wěn)定性和整體探測深度等方面進(jìn)行綜合檢測，故對同一條設(shè)計(jì)測線進(jìn)行了2次離底高度不同的近底拖曳式作業(yè)試驗(yàn)。22V－L1測線（第一次試驗(yàn)作業(yè)線）沿圖1中的設(shè)計(jì)測線由西向東，設(shè)計(jì)儀器艙拖曳高度為80m，船體拖曳過程中頂風(fēng)頂流；22V－L2測線（第二次試驗(yàn)作業(yè)線）由東向西，設(shè)計(jì)儀器艙拖曳高度為100m，船體拖曳過程中順風(fēng)順流（圖3）。

圖2 設(shè)備工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of equipment

2 數(shù)據(jù)處理與試驗(yàn)結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)處理

由于線圈拖體上未加掛定位設(shè)備，因而首要工作是要對船載GPS進(jìn)行位置校正，才能得到對應(yīng)時(shí)刻的線圈拖體位置。主要方法是通過拖體上搭載的CTD數(shù)據(jù)測到拖體的深度，結(jié)合鋼纜的長度可以計(jì)算出拖體距船體的水平距離，從而完成線圈拖體位置的校正工作（圖2）。圖3中黑線為近底拖曳作業(yè)時(shí)段中的船體行駛路線，藍(lán)線為同時(shí)刻線圈拖體被拖曳的路線，紅線箭頭方向?yàn)榇w拖曳方向。在本次試驗(yàn)中，22V－L1測線離底高度為80～100m，22V－L2測線離底高度為100～120m，船速為1.5～2.0kn。

在兩層半空間條件下，視電阻率的計(jì)算一般是通過假定海底電阻率遠(yuǎn)大于海水電阻率而得到的［7］，然而在實(shí)際海底中，尤其是在海底熱液區(qū)，這個(gè)假定條件顯然不成立。本次試驗(yàn)直接從瞬變響應(yīng)出發(fā)，計(jì)算出晚期視電阻率的數(shù)值解，再經(jīng)過文獻(xiàn)［8］中的時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算，即得到22V－L1和22V－L2兩條測線的視電阻率斷面圖（圖4和圖5）。

圖3 線圈拖體位置校正Fig.3 location correction of loop tow

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

從22V－L1測線視電阻率斷面圖上可以明顯看到（圖4），測線長度為1 600m處的低視電阻率異常（主異常）落在測線方向上近100m范圍內(nèi)，從位置、范圍上看主異常區(qū)位置基本與目標(biāo)熱液區(qū)位置符合；另外在主異常區(qū)東西兩側(cè)還有幾處異常幅度、范圍均較小的低視電阻率異常區(qū)。

從22V－L2測線視電阻率斷面圖上可以看到（圖5），主異常出現(xiàn)在測線長度為880m附近，主異常區(qū)落在測線方向上近50m范圍內(nèi)，從位置上看也與目標(biāo)熱液區(qū)位置吻合，另外也有幾處小低視電阻率異常區(qū)存在。

為了更好地將2條測線進(jìn)行對比，可以將22VL2測線進(jìn)行反轉(zhuǎn)（圖6）。從圖6可以看到，位置上2條測線的主異常區(qū)能夠得到很好的對應(yīng)，基本可以認(rèn)為是目標(biāo)熱液區(qū)；在主異常的西側(cè)，2條測線上都可以看到2處相距約100m的小異常，位置上對應(yīng)得較好；在主異常的東側(cè)，2條測線上也可見幾處小異常，位置上的對應(yīng)不是很好。根據(jù)該航次之前的航段攝像資料，將異常明顯、范圍較大的低視電阻率異常區(qū)認(rèn)為是目標(biāo)熱液區(qū)，其它幾處異常不是十分明顯、范圍較小的異常認(rèn)為是此處較為發(fā)育的裂隙。

從斷面圖效果上看，離底更近的22V－L1測線要優(yōu)于22V－L2測線，22V－L1測線低視電阻率異常明顯，范圍清晰，分析原因是海水對電磁波的衰減造成的。在低視電阻率主異常東側(cè)，2條測線上的低視電阻率異常不能很好地對應(yīng)，分析其原因，一是由于受底流的影響，校正后的2次測線的線圈拖體位置實(shí)際并未完全重合；二是由于實(shí)際試驗(yàn)作業(yè)時(shí)的船速和拖體離底高度都發(fā)生變化。另外，從2條測線的試驗(yàn)結(jié)果來看，該瞬變電磁設(shè)備探測深度達(dá)到了海底面以下50～100m。

3 小結(jié)

我國在海底熱液區(qū)雖然獲得了首批瞬變電磁數(shù)據(jù)，但深海瞬變電磁設(shè)備仍然處于試驗(yàn)階段，而且對調(diào)查區(qū)的一些基礎(chǔ)調(diào)查工作并未開展，本文只是得到了一些初步分析的試驗(yàn)結(jié)果，以它來驗(yàn)證瞬變電磁設(shè)備的工作可靠性。通過本文的分析研究，對今后海底多金屬硫化物調(diào)查工作產(chǎn)生以下的一些展望：

（1）開展海底多金屬硫化物調(diào)查作業(yè)時(shí)，可通過一些微調(diào)進(jìn)一步提高瞬變電磁設(shè)備的探測效果及工作穩(wěn)定性；通過給線圈拖體加掛定位裝置及高度計(jì)的方式，使拖體的位置、離底高度得到更精確的記錄，從而提高解釋的準(zhǔn)確性。從本次試驗(yàn)結(jié)果來看，2次測線的線圈拖體離海底實(shí)際僅相差20～40m，卻對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。故在保證瞬變電磁設(shè)備安全的前提下，建議在今后的調(diào)查工作中線圈拖體離海底高度設(shè)計(jì)為50m。

（2）在室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算時(shí)，要注意到由于海底是全空間電磁環(huán)境，如果從全空間條件出發(fā)得到的視電阻率值從理論上必將更準(zhǔn)確；在研究大量測區(qū)基礎(chǔ)資料的前提下，建立大量復(fù)雜環(huán)境下的地電模型，利用其正演結(jié)果來約束反演結(jié)果，將大大提高解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。

雖然瞬變電磁設(shè)備仍處在試驗(yàn)階段，但此次的試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備的實(shí)測結(jié)果已能夠較好地與實(shí)際情況相匹配。由于時(shí)間上的緊迫性，我們需要在改進(jìn)設(shè)備的同時(shí)盡快將其納入常規(guī)化的使用行列，為大洋海底多金屬硫化物調(diào)查提供幫助。

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