張 旭

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州 510075）

0 前言

地球表面超過(guò)70%是海洋，海洋中蘊(yùn)藏的各種資源十分豐富。隨著人類對(duì)陸地資源的不斷開(kāi)發(fā)消耗，部分資源日漸減少，不得不讓人們把眼光投向海洋，尋找潛在的替代資源[1]。

深海海底富含多種資源比如：多金屬結(jié)核、稀土、富鈷結(jié)殼等，世界上主要海洋強(qiáng)國(guó)均積極進(jìn)行海底資源勘察等工作，紛紛在國(guó)際海底資源區(qū)域“劃地盤(pán)”[2]，我國(guó)目前也在積極的進(jìn)行海底資源勘察工作，爭(zhēng)取獲得更多國(guó)際海底資源區(qū)優(yōu)先開(kāi)采權(quán)[3]。富鈷結(jié)殼資源勘查是我國(guó)目前正在進(jìn)行的大洋資源勘察工作之一。

與陸地資源勘察相比，由于與海底之間隔著一層厚厚的海水，勘察工作也變得困難很多。陸地上較容易進(jìn)行的工作在海底變得舉步維艱，比如本文中涉及到的評(píng)估富鈷結(jié)殼資源量中需要進(jìn)行對(duì)富鈷結(jié)殼厚度的測(cè)量工作就是很好的例子。特殊的應(yīng)用環(huán)境需要特殊的手段和創(chuàng)新的設(shè)備，本文中的結(jié)殼礦層聲學(xué)測(cè)厚儀就是近年來(lái)在富鈷結(jié)殼資源勘察中涌現(xiàn)出來(lái)的新設(shè)備之一。

1 結(jié)殼礦層聲學(xué)測(cè)厚儀應(yīng)用背景

目前，富鈷結(jié)殼資源勘察手段主要有多波速回波探測(cè)技術(shù)、海底攝像、深海淺鉆[4]和淺剖[5]等。其中多波速回波探測(cè)技術(shù)通過(guò)多波速反射回波強(qiáng)度確定富鈷結(jié)殼資源區(qū)的覆蓋面積，海底攝像則是通過(guò)深海攝像頭和照相機(jī)對(duì)海底進(jìn)行直接的光學(xué)測(cè)線觀察來(lái)驗(yàn)證多波速等間接勘查手段的結(jié)果，深海淺鉆通過(guò)對(duì)海底進(jìn)行鉆探獲取海底巖心樣品，是一種“點(diǎn)作業(yè)”的手段。目前，深海淺鉆鉆探是評(píng)估富鈷結(jié)殼厚度最直接也是最常規(guī)的方式。但是通常深海淺鉆設(shè)備本身較為笨重，作業(yè)難度較高，且作業(yè)過(guò)程較為復(fù)雜，單個(gè)站位作業(yè)耗時(shí)較長(zhǎng)，效率較低，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用，目前一個(gè)為期40天的中國(guó)大洋資源調(diào)查航次設(shè)計(jì)的深海淺鉆站位最多40～50個(gè)[6]，這使得獲取的富鈷結(jié)殼厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)較為有限，對(duì)評(píng)估區(qū)域富鈷結(jié)殼資源進(jìn)度有較大影響。因而，富鈷結(jié)殼資源勘察工作急需一種能夠進(jìn)行近底富鈷結(jié)殼厚度間接測(cè)量的聲學(xué)探測(cè)儀器。通過(guò)聲學(xué)探測(cè)儀器進(jìn)行一條線上的測(cè)厚作業(yè)，加上少量深海淺鉆鉆探獲取巖心驗(yàn)證聲學(xué)探測(cè)儀器的測(cè)量結(jié)果，兩者搭配使用，相得益彰，對(duì)加快區(qū)域富鈷結(jié)殼資源評(píng)估工作進(jìn)度有著積極作用。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站研制的結(jié)殼礦層聲學(xué)測(cè)厚儀在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生，并通過(guò)搭載我國(guó)自主研發(fā)的4 500米級(jí)ROV“海馬”號(hào)隨“海洋六號(hào)”母船在中國(guó)大洋科考第41B航次進(jìn)行了試驗(yàn)性應(yīng)用。

2 設(shè)備簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站研制的結(jié)殼礦層聲學(xué)測(cè)厚儀如圖1所示。設(shè)備硬件部分由控制罐、聲學(xué)基陣探頭組成，其數(shù)據(jù)通過(guò)“海馬”號(hào)ROV的通訊鏈路實(shí)時(shí)傳到水面甲板控制計(jì)算機(jī)。該設(shè)備采用非線性參量陣來(lái)對(duì)富鈷結(jié)殼進(jìn)行測(cè)厚。其基本原理是利用大振幅的頻率相近的聲波在陣列軸向發(fā)生疊加產(chǎn)生差頻。差頻具有比原頻更佳尖銳的指向性，使得足印更小，獲得更佳空間分辨率；同時(shí)差頻比原頻頻率低，所以穿透性也更佳。原頻和差頻的關(guān)系實(shí)質(zhì)是：原頻為調(diào)制波，而差頻是原頻的包絡(luò)。其探測(cè)基本原理如圖1所示。

圖1 聲探設(shè)備探測(cè)原理框圖

換能器發(fā)射1 MHz原頻大功率調(diào)制波。在水中傳播過(guò)程中累積產(chǎn)生100 kHz差頻波；

原頻波與差頻波同時(shí)到達(dá)復(fù)鈷結(jié)殼上表面后發(fā)生一次反射形成回波，接收換能器接收到第一次回波；

原頻波衰減過(guò)大無(wú)法穿透結(jié)殼層，而差頻波的部分能量穿過(guò)結(jié)殼層繼續(xù)傳播到達(dá)結(jié)殼與基巖面發(fā)生二次反射形成回波，之后接收到二次回波；

第二回波與第一次回波之間的時(shí)延差乘以富鈷結(jié)殼的聲速即可獲得富鈷結(jié)殼的厚度。

3 應(yīng)用成果

本次試驗(yàn)性應(yīng)用中，聲學(xué)測(cè)厚儀隨“海馬”號(hào)ROV在某海山頂共進(jìn)行6個(gè)站位作業(yè)，在富鈷結(jié)殼區(qū)域進(jìn)行了定點(diǎn)測(cè)量。并且在其中三個(gè)測(cè)厚點(diǎn)，通過(guò)“海馬”ROV搭載的小型鉆機(jī)成功獲取富鈷結(jié)殼巖心樣品，MCROV01A、MCROV05兩個(gè)站位獲取的巖心樣品成功鉆透結(jié)殼層，MCROV04A站位獲取的巖心樣品雖未鉆透結(jié)殼層，但對(duì)聲學(xué)測(cè)厚儀的測(cè)量精確度也是重要參考。

3.1 定點(diǎn)測(cè)厚

（1）MCROV01A

該站位點(diǎn)底質(zhì)為板狀結(jié)殼區(qū)域，圖2為該點(diǎn)獲取的巖心樣品，其中結(jié)殼厚度約15 cm。

圖2 ROV01A獲取的結(jié)殼巖心樣品

由于聲學(xué)測(cè)厚儀測(cè)量的直接參數(shù)為富鈷結(jié)殼上下表面回波時(shí)延差，還需乘以結(jié)殼的聲速值才能得到結(jié)殼厚度。由于未進(jìn)行本區(qū)域結(jié)殼的聲速測(cè)量，只能以國(guó)外相關(guān)研究中的結(jié)殼聲速值作為參考，本文以國(guó)外文獻(xiàn)中出現(xiàn)的2 500 m/s、3 000 m/s、3 500 m/s[7-8]三個(gè)聲速值作為參考。

該點(diǎn)聲學(xué)測(cè)厚數(shù)據(jù)經(jīng)處理，結(jié)果如圖3所示，圖3中從上至下的四條曲線依次為聲學(xué)探頭的離底高度、2 500 m/s、3 000 m/s、3 500 m/s結(jié)殼聲速[8-9]換算得到的結(jié)殼下表面與聲學(xué)基陣探頭的距離，下面三條曲線與最上面的曲線高度之差即為結(jié)殼厚度，測(cè)得的厚度值分別為13.775 cm、16.53 cm、19.285 cm。

圖3 MCROV01A打鉆點(diǎn)聲學(xué)測(cè)厚數(shù)據(jù)處理結(jié)果

（2）MCROV05

該站位點(diǎn)底質(zhì)為板狀結(jié)殼區(qū)域，圖4為獲取的巖心樣品，其中結(jié)殼厚度約14 cm。

聲學(xué)測(cè)厚設(shè)備在該點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5所示，所測(cè)的厚度值分別為13.375 cm、16.05 cm、18.725 cm。

（3）MCROV04A

該站位點(diǎn)底質(zhì)為板狀結(jié)殼區(qū)域，從圖6可知獲取的巖心樣品全部為結(jié)殼層，長(zhǎng)度約11 cm。

圖4 MCROV05獲取的結(jié)殼巖心樣品

圖5 MCROV05打鉆點(diǎn)聲學(xué)測(cè)厚數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖6 MCROV04A獲取的結(jié)殼巖心樣品

聲學(xué)測(cè)厚儀在該點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖7所示，所測(cè)結(jié)殼厚度值分別為13.4 cm、16.08 cm、18.76 cm。

圖7 MCROV04A打鉆點(diǎn)聲學(xué)測(cè)厚數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.2 小結(jié)

由上述三個(gè)站位獲得的巖心樣品結(jié)合聲學(xué)測(cè)厚數(shù)據(jù)來(lái)看，巖心樣品的結(jié)殼厚度值介于以聲速為2 500 m/s和3 000 m/s換算后的厚度值之間，可以認(rèn)為本區(qū)域結(jié)殼聲速值介于2 500 m/s和3 000 m/s之間?？紤]到“海馬”ROV搭載的小鉆機(jī)鉆取巖心過(guò)程中對(duì)結(jié)殼表面褐煤層以及中部疏松層[9]等較脆弱部分的磨損，以及取心過(guò)程對(duì)巖心完整度不可避免的破壞，拼接巖心過(guò)程很難將其恢復(fù)如初，這給測(cè)量巖心結(jié)殼厚度帶來(lái)較大誤差，因而對(duì)富鈷結(jié)殼厚度的評(píng)估誤差通常都是厘米級(jí)。本次結(jié)殼礦層聲學(xué)測(cè)厚儀的測(cè)量結(jié)果與巖心樣品的結(jié)殼真實(shí)厚度值差距均在1至2厘米之間，完全可以滿足富鈷結(jié)殼資源的評(píng)估要求，可以認(rèn)為結(jié)殼礦層聲學(xué)測(cè)厚儀在“海馬”號(hào)ROV上的搭載試驗(yàn)性應(yīng)用取得了良好效果。

4 設(shè)備展望

目前中科院聲學(xué)研究所東海研究站研制的結(jié)殼礦層聲學(xué)測(cè)厚儀還處于初步試驗(yàn)階段，仍有需要完善改進(jìn)的地方。但該設(shè)備的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)從無(wú)到有的跨越，隨著進(jìn)一步的改進(jìn)工作，聲學(xué)測(cè)厚儀將會(huì)根據(jù)現(xiàn)有的深海調(diào)查設(shè)備衍生出不同的版本，以滿足不同的搭載應(yīng)用任務(wù)，對(duì)我國(guó)大洋富鈷結(jié)殼資源評(píng)估工作有著巨大的促進(jìn)作用，意義重大。期待這一新設(shè)備正式成為我國(guó)富鈷結(jié)殼資源評(píng)估工作中的重要一員，為我國(guó)大洋資源勘察事業(yè)建立新功！

［1］劉永剛，何高文，姚會(huì)強(qiáng)，等.世界海底富鈷結(jié)殼資源分布特征 ［J］.礦床地質(zhì)，2013，32（06）：1275-1284.

［2］楊勝雄.國(guó)際海底富鈷結(jié)殼資源勘查與評(píng)價(jià)［A］.中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)、國(guó)土資源部地質(zhì)勘查司。“十五”重要地質(zhì)科技成果暨重大找礦成果交流會(huì)材料三——“十五”地質(zhì)行業(yè)重大找礦成果資料匯編［C］.中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)、國(guó)土資源部地質(zhì)勘查司，2006：1.

［3］簡(jiǎn)曲.我國(guó)已開(kāi)始對(duì)大洋富鈷結(jié)殼資源的開(kāi)發(fā)研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，1998（05）：53-53.

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［6］徐峙.我國(guó)富鈷結(jié)殼資源勘查步入新階段［N］.中國(guó)礦業(yè)報(bào)，2017-10-13（005）.

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