电磁方法在海底多金属硫化物探测中的应用

熊 威，陶春辉，邓显明

（国家海洋局 第二海洋研究所，国家海洋局 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012）

0 引言

海底热液活动、多金属硫化物矿产及其生物资源是当前国内外海洋科学界的一个重大研究课题，具有重要的科学意义和经济价值。海底热液活动相伴生的多金属硫化物矿产是继大洋多金属结核、富钴结壳后的另一种新的海底金属矿产资源，以其自身产出环境的有利优势，被认为极有可能是最先被开采的深海矿产资源之一［1－2］。

我国自2005年开展多金属硫化物调查以来，曾利用“大洋一号”科学考察船（以下称“大洋一号”）相继在西南印度洋中脊、东太平洋海隆及南大西洋中脊发现了多处海底热液活动区［3］，这些活动区将为我国在国际海底进行多金属硫化物调查研究中提供科学试验区和重要海底矿产资源研究区，开发这些活动区将能为我国积极参与国际海底管理局有关的硫化物相关事务及和平利用国际海底资源提供基础资料和技术支撑。我国已于2012年与国际海底管理局正式签署了西南印度洋多金属硫化物勘探区的勘探合同，在合同签署之后10a内需要完成区域放弃，因而迫切需要对合同区内的多金属硫化物资源的三维展布及资源量远景评价展开调查研究工作。“大洋一号”虽然在短时间内取得了很好的观测硫化物调查成果，但多年来该船对硫化物调查一直是以海底摄像和抓斗取样等直接观测的方法为主，总的来说，该船的调查手段不够先进，观测效率不高，不适合进行大区域内海底多金属硫化物的快速勘探工作；另外海底多金属硫化物矿区多分布于几千米的海底，由于频繁的热液活动，矿体赋存的地质条件极为复杂，目前“大洋一号”的观测手段虽然也能发现出露于海底的硫化物露头，但无法对硫化物矿体的分布范围、规模大小及赋存状况做出整体的推断。

在陆地上，电磁方法是勘探金属硫化物的最主要的地球物理方法之一。虽然陆地与海洋的电磁环境有很大的差异，但理论和实践表明，陆地上几乎所有已经使用的电磁方法都可以在海洋中运用［4］。将电磁方法运用到海底多金属硫化物探测比运用到陆地上找矿更具有以下优势：（1）海水是一个低通滤波器，高频电磁信号衰减严重，各种天然、人工干扰场源衰减殆尽，这对观测海底微弱信号极为有利；（2）海水的含盐度相差较小，接收和测量电极的环境均匀稳定，电极噪声极小，供电电极与海水的接触阻抗非常小，可以大电流供电，这在陆地上是难以做到的；（3）在海洋中可进行拖曳式的连续测量，发送和接收装置均可在海中（或海底）拖动，因而能实现快速的大面积测量。

国际上解决硫化物探测三维问题的主要手段还是靠钻探，另外俄罗斯也能利用电法很好地解决这一问题。当前国际上真正将电法手段运用到海底多金属硫化物探测的只有俄罗斯［5］和鹦鹉螺公司［6］，由于各种原因，几乎见不到相关的英文文献报道。

针对目前我国海底多金属硫化物勘探中面临的对观测方法及设备的需求，我国在2010年完成了首套针对海底多金属硫化物的瞬变电磁探测系统的研制，并于2011年6月在中国大洋第22航次第5航段中试用成功，取得了我国首批多金属硫化物瞬变电磁数据。分析这些数据，将对进一步改进瞬变电磁探测设备和多金属硫化物探测方法以及海底电磁方法的理论研究提供有益的帮助。

1 调查区概况及试验方法

1.1 调查区概况

2011年6月，在中国大洋第22航次第5航段中的大西洋中脊“贝利珠”热液区（13.2°S、14.4°W）进行了2条测线的瞬变电磁试验（图1），黑线为设计的测线，红星所在处为“贝利珠”热液区。“贝利珠”热液区是在中国大洋第22航次第2航段中通过海底摄像发现的，属于新发现的热液区，对该区整体的研究工作还未展开。从海底地形上看，该热液区靠近南大西洋中脊一处新的扩张火山，整体水深为2 300～2 450m，水深变化范围不大，地形变化较平缓①中国大洋协会.中国大洋第22航次第5航段调查现场报告，2011.，选择在该区进行瞬变电磁试验，能较好地保证试验设备的安全；另外，中国大洋第22航次第2航段的海底摄像资料表明，该区域内地质环境比较简单，未见大规模的断层存在，裂隙比较发育②中国大洋协会.中国大洋第22航次第2航段调查现场报告，2011.。

图1 测区位置Fig.1 Location of study area

1.2 试验方法简介

试验中使用的瞬变电磁设备采用重叠回线装置，这种同点装置与目标地质体耦合最佳，具有较高的探测能力，且受旁侧地质体的影响较小，同时由于发射线圈与接收线圈重合，大大减小了试验设备的体积，这对于保证海底作业中试验设备的安全性很重要。该套瞬变电磁设备采用近底拖曳式作业方式（图2）。近底作业时船速控制为1.5kn。本次试验的目的主要是对工作方法的安全性、试验设备的稳定性和整体探测深度等方面进行综合检测，故对同一条设计测线进行了2次离底高度不同的近底拖曳式作业试验。22V－L1测线（第一次试验作业线）沿图1中的设计测线由西向东，设计仪器舱拖曳高度为80m，船体拖曳过程中顶风顶流；22V－L2测线（第二次试验作业线）由东向西，设计仪器舱拖曳高度为100m，船体拖曳过程中顺风顺流（图3）。

图2 设备工作示意图Fig.2 Schematic diagram of equipment

2 数据处理与试验结果

2.1 数据处理

由于线圈拖体上未加挂定位设备，因而首要工作是要对船载GPS进行位置校正，才能得到对应时刻的线圈拖体位置。主要方法是通过拖体上搭载的CTD数据测到拖体的深度，结合钢缆的长度可以计算出拖体距船体的水平距离，从而完成线圈拖体位置的校正工作（图2）。图3中黑线为近底拖曳作业时段中的船体行驶路线，蓝线为同时刻线圈拖体被拖曳的路线，红线箭头方向为船体拖曳方向。在本次试验中，22V－L1测线离底高度为80～100m，22V－L2测线离底高度为100～120m，船速为1.5～2.0kn。

在两层半空间条件下，视电阻率的计算一般是通过假定海底电阻率远大于海水电阻率而得到的［7］，然而在实际海底中，尤其是在海底热液区，这个假定条件显然不成立。本次试验直接从瞬变响应出发，计算出晚期视电阻率的数值解，再经过文献［8］中的时深转换计算，即得到22V－L1和22V－L2两条测线的视电阻率断面图（图4和图5）。

图3 线圈拖体位置校正Fig.3 location correction of loop tow

2.2 试验结果

从22V－L1测线视电阻率断面图上可以明显看到（图4），测线长度为1 600m处的低视电阻率异常（主异常）落在测线方向上近100m范围内，从位置、范围上看主异常区位置基本与目标热液区位置符合；另外在主异常区东西两侧还有几处异常幅度、范围均较小的低视电阻率异常区。

从22V－L2测线视电阻率断面图上可以看到（图5），主异常出现在测线长度为880m附近，主异常区落在测线方向上近50m范围内，从位置上看也与目标热液区位置吻合，另外也有几处小低视电阻率异常区存在。

为了更好地将2条测线进行对比，可以将22VL2测线进行反转（图6）。从图6可以看到，位置上2条测线的主异常区能够得到很好的对应，基本可以认为是目标热液区；在主异常的西侧，2条测线上都可以看到2处相距约100m的小异常，位置上对应得较好；在主异常的东侧，2条测线上也可见几处小异常，位置上的对应不是很好。根据该航次之前的航段摄像资料，将异常明显、范围较大的低视电阻率异常区认为是目标热液区，其它几处异常不是十分明显、范围较小的异常认为是此处较为发育的裂隙。

从断面图效果上看，离底更近的22V－L1测线要优于22V－L2测线，22V－L1测线低视电阻率异常明显，范围清晰，分析原因是海水对电磁波的衰减造成的。在低视电阻率主异常东侧，2条测线上的低视电阻率异常不能很好地对应，分析其原因，一是由于受底流的影响，校正后的2次测线的线圈拖体位置实际并未完全重合；二是由于实际试验作业时的船速和拖体离底高度都发生变化。另外，从2条测线的试验结果来看，该瞬变电磁设备探测深度达到了海底面以下50～100m。

3 小结

我国在海底热液区虽然获得了首批瞬变电磁数据，但深海瞬变电磁设备仍然处于试验阶段，而且对调查区的一些基础调查工作并未开展，本文只是得到了一些初步分析的试验结果，以它来验证瞬变电磁设备的工作可靠性。通过本文的分析研究，对今后海底多金属硫化物调查工作产生以下的一些展望：

（1）开展海底多金属硫化物调查作业时，可通过一些微调进一步提高瞬变电磁设备的探测效果及工作稳定性；通过给线圈拖体加挂定位装置及高度计的方式，使拖体的位置、离底高度得到更精确的记录，从而提高解释的准确性。从本次试验结果来看，2次测线的线圈拖体离海底实际仅相差20～40m，却对数据质量产生较大的影响。故在保证瞬变电磁设备安全的前提下，建议在今后的调查工作中线圈拖体离海底高度设计为50m。

（2）在室内进行数据处理与计算时，要注意到由于海底是全空间电磁环境，如果从全空间条件出发得到的视电阻率值从理论上必将更准确；在研究大量测区基础资料的前提下，建立大量复杂环境下的地电模型，利用其正演结果来约束反演结果，将大大提高解释结果的准确性。

虽然瞬变电磁设备仍处在试验阶段，但此次的试验结果表明，该设备的实测结果已能够较好地与实际情况相匹配。由于时间上的紧迫性，我们需要在改进设备的同时尽快将其纳入常规化的使用行列，为大洋海底多金属硫化物调查提供帮助。

（References）：

［1］HERZIG P M.Economic potential of sea－floor massive sulphide deposits：Ancient and modern［J］.Phil Trans R Soc Lond A，1999，357：861－875.

［2］GALLEY A G，HANNINGTON M D，JONASSON I R.Volcanogenic massive sulphide deposits［C］∥GOODFELLOW W D.Mineral deposits of Canada：A synthesis of major deposit－types，district metallogeny，the evolution of geological provinces，and exploration methods.Geological Association of Canada，Mineral Deposits Division，Special Publication No.5，2007：141－161.

［3］ TAO Chun－hui，LIN Jian，GUO Shi－qin，et al.The Chinese DY115－19cruise：Discovery of the first active hydrothermal vent field at the ultraslow spreading southwest indian ridge［J］.Inter－Ridge News，2007，16：25－26.

［4］CHAVE A D，CONSTABLE S C，EDWARDS R N.Electrical exploration methods for the seafloor［C］∥NABIGHIAN M.Electromagnetic methods in applied geophysics，Volume 2.Tulsa：Soc Explor Geophys，1991：931－966.

［5］PALSHIN N A.Oceanic electromagnetic studies：A review［J］.Survey in Geophysics，1996，17（4）：455－491.

［6］Nautilus Minerals.Electromagnetic survey results outline continuity and extensions at Solwara 1［EB／OL］.［2009－08－07］.http：／／www.nautilusminerals.com／s／Media－NewsReleases.asp？reportid＝272841.

［7］KAUFMAN A A，KELLER G V.Frequency and transient soundings［M］.WANG Jian－mou，translated.Beijing：Geological Publishing House（in Chinese），1983：282－289.

考夫曼A A，凯勒G V.频率域和时间域电磁测深［M］.王建谋，译.北京：地质出版社，1987：282－289.

［8］YU Jing－cun.Mine transient electromagnetic prospecting［M］.Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2007：134－135.

于景邨.矿井瞬变电磁法勘探［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007：134－135.