深海拖曳式瞬變電磁的響應規(guī)律

周勝 ，席振銖，宋剛，李波，左立標，侯海濤

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 長沙五維地科勘查技術(shù)有限責任公司，湖南 長沙，410205；3. 北京先驅(qū)高科技開發(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張盆地、東太平洋海隆和大西洋洋中脊區(qū)域，堆積在長度為數(shù)百米、寬度為近百米的范圍內(nèi)，品位高、埋深淺，資源開發(fā)前景廣闊，已成為各國海洋資源調(diào)查的重點之一[1]。針對深海堆積型熱液硫化礦床的特定環(huán)境，實施“快速、有效、便于實施”的深海拖曳式瞬變電磁探測系統(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、有效和便于實施的特點，其整個系統(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行了海底電導率填圖，開創(chuàng)了海洋瞬變電磁的先河；劉長勝等[6]計算了海水為均勻半空間的瞬變電磁響應；李慧[7]計算了淺海瞬變電磁垂直偶極子和中心回線裝置的響應曲線，并與陸地情況對比分析了海水對感應電動勢的影響；Li等[8]對淺海瞬變電磁法進行了一維數(shù)值模擬，研究了天波對時間域可控源電磁(CSEM)響應的影響。在此，本文作者建立深海熱液金屬硫化物礦床的地電模型，運用瞬變電磁全空間理論計算方法，模擬計算深海瞬變電磁響應，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]提出的海水電導半經(jīng)驗估算公式可以得到深海近海底海水的電導率變化范圍為 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率變化范圍為0.800～10.000 S/m，這取決于礦物類型、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，具備基于電導率為基礎(chǔ)的電法勘探的物性條件，可以運用瞬變電磁法等方法方法有效探測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 深海瞬變電磁計算方法

深海環(huán)境中瞬變電磁傳播是一個全空間過程，見圖2。當水平發(fā)送回線處于深海環(huán)境時，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，感應產(chǎn)生二次場很強，因此，海水感應的二次場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算方法，借鑒其計算方法，分析深海環(huán)境下瞬變電磁場的傳播過程(見圖2)，建立深海堆積型熱液硫化礦層狀的電性模型(見圖1)，模擬計算拖曳式深海瞬變電磁響應。需說明的是：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化為層狀模型進行模擬計算。

如模型4，當發(fā)射源位于海水中的第i分層時，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z→?∞時，D1=0；當z→∞時，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]計算頻率域電磁場Hz，用余弦變換多項式法計算

3 深海拖曳式瞬變電磁響應規(guī)律

建立一維深海地電模型，如圖1所示。取導電率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，得到深海瞬變電磁響應曲線和不考慮海水影響的瞬變電磁響應如圖4所示。從圖4可以看出：海水的作用對瞬變電磁響應曲線形態(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，但海水的存在導致 TEM 響應衰減較慢，響應幅值增大，尤其是在晚延時階段，深海瞬變電磁相比無海水情況的瞬變電磁響應幅值增加了近 2個數(shù)量級。當發(fā)射源位于海底且存在硫化礦層時，取h2=0 m，h3=20 m，得到如圖5所示的瞬變電磁響應曲線。從圖5可見：深海瞬變電磁響應與不考慮海水影響的瞬變電磁響應曲線的變化趨勢一致，但是，深海瞬變電磁早延時和晚延時階段響應幅值顯著增強，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在1～100 ms時窗內(nèi)，異常基本一致。

圖4 無礦層瞬變電磁響應對比曲線Fig.4 Contrast response curves of transient electromagnetic sounding

圖5 含礦層時瞬變電磁響應對比曲線Fig.5 Contrast transient electromagnetic response curves of hydrothermal sulfide ores

4 拖曳高度對瞬變電磁響應的影響規(guī)律

如圖1所示，取電導率 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。當發(fā)送回線位于海底即H=0 m時，硫化礦層的異常響應非常明顯(見圖6(a))，從早延時到大約100 ms的觀測窗口都可以觀測到低阻礦層的深海瞬變電磁響應，比深海背景場響應(即不存在低阻熱液硫化礦層是的瞬變電磁響應)高2～3倍；隨著拖曳高度的增加(見圖6(b)，(c)和(d))，深海低阻礦層的瞬變電磁異常響應向后延時，并迅衰減速接深海背景場。拖曳高度在0～100 m范圍內(nèi)變化，對29.75 ms時間道進行抽道，如圖7所示。從圖7可見：隨著拖曳高度的升高，深海低阻層瞬變電磁響應與深海背景場迅速接近。理論上，隨著拖曳高度的增加，通過延時觀測可以達到探測海底硫化礦的目的，但是，海水的電阻率極低，電磁波的衰減嚴重，當拖曳高度超過 50 m時，異常響應幅值只有約為背景場值的7%，已經(jīng)相當微弱。為了突出海底淺部硫化礦層的異常特征，拖曳高度應盡量接近海底，不宜超過50 m。

圖6 不同拖曳高度下深海瞬變電磁響應對比曲線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的時窗范圍

在圖1中，設(shè)參數(shù)與前面的相同，拖曳高度H是可變的，當拖曳高度H為10 m和50 m時含礦層與海洋背景瞬變電磁響應對比曲線如圖8所示。通過分析圖8發(fā)現(xiàn)：海水的影響使得瞬變電磁響應在小于關(guān)斷延時1 ms時，難以與海洋背景場相區(qū)分；從關(guān)斷5 ms左右開始，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；關(guān)斷100 ms以后，瞬變電磁響應又逐漸趨于海洋背景場，難以分辨熱液硫化礦層的異常響應?？梢姡横槍ι詈嵋毫蚧V，深海拖曳式瞬變電磁測深最佳觀測窗口為 1～100 ms時窗。

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

6 結(jié)論

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

(2) 拖曳高度對海洋瞬變電磁探測的影響不可忽略。隨著拖曳高度的升高，低阻層的異常響應向后延遲，并迅速衰減，最后幾乎淹沒在海洋背景場中。當拖曳高度超過50 m時，異常響應極其微弱，在實際應用中將難以觀測。為了探明深海熱液硫化礦，深海拖曳式瞬變的拖曳高度應低于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，為了突出深海熱液硫化礦的瞬變電磁響應，拖曳式瞬變電磁的觀測時窗應滿足涵蓋關(guān)斷后延時1～100 ms的時間窗口。

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

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