側(cè)掃聲吶在富鈷結(jié)殼探測中的應(yīng)用前景

馮強(qiáng)強(qiáng)， 溫明明， 牟澤霖， 柴　祎

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州510075)

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側(cè)掃聲吶在富鈷結(jié)殼探測中的應(yīng)用前景

馮強(qiáng)強(qiáng)， 溫明明， 牟澤霖， 柴祎

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州510075)

摘要：隨著富鈷結(jié)殼勘查工作的深入和我國深水調(diào)查設(shè)備的快速發(fā)展，側(cè)掃聲吶將會廣泛應(yīng)用于結(jié)殼區(qū)的調(diào)查中。介紹了聲學(xué)遙測方法側(cè)掃聲吶的工作原理，分析了已經(jīng)在結(jié)殼區(qū)獲取的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)，列舉了在將來的勘查中可能用到的新的側(cè)掃聲吶技術(shù)和數(shù)據(jù)解釋技術(shù)。認(rèn)為傳統(tǒng)的調(diào)查手段存在一定的局限性，側(cè)掃聲吶的使用將會豐富結(jié)殼區(qū)的勘查手段，促進(jìn)富鈷結(jié)殼區(qū)的資源評價和圈礦工作。

關(guān)鍵詞：側(cè)掃聲吶；圈礦；富鈷結(jié)殼

0引言

富鈷結(jié)殼又稱富鈷鐵錳結(jié)殼、鐵錳結(jié)殼、鈷結(jié)殼等，是一種錳鐵氧化物和氫氧化物沉積礦產(chǎn)，主要以板狀、礫狀、結(jié)核狀、碎塊狀等形態(tài)分布于海山區(qū)平緩的裸露基巖上或者鈣質(zhì)沉積物之下(潘家華等，2002)，富含F(xiàn)e、Mn、Cu、Co、Ni、Zn、稀土等多種元素，是許多金屬和稀土元素的重要潛在來源。另外，富鈷結(jié)殼對于古海洋和古氣候以及海洋學(xué)的研究也有著重要意義。因此，自20世紀(jì)80年代以來，美國、俄羅斯、德國、日本、法國、韓國、中國等針對富鈷結(jié)殼相繼開展了一系列綜合調(diào)查和研究工作。隨著《聯(lián)合國海洋法公約》以及聯(lián)合國國際海底管理局制定的相關(guān)勘探規(guī)章的出臺，各國開始對除一些大洋島嶼國家專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)外的富鈷結(jié)殼資源展開了國際海域海底結(jié)殼礦區(qū)的調(diào)查和評價工作,被稱作藍(lán)色圈地運(yùn)動(楊勝雄等，2006)。我國從20世紀(jì)90年代后期開始在太平洋麥哲倫海山區(qū)、馬紹爾群島海山區(qū)、馬爾庫斯海脊、威克海嶺、中太平洋海山區(qū)和萊恩群島海山區(qū)等國際海底區(qū)域持續(xù)開展了富鈷結(jié)殼資源調(diào)查(馬維林等，2007)，從地形地貌、地球物理、海洋環(huán)境、基巖及表層沉積物、礦石礦物學(xué)、地球化學(xué)等方面對富鈷結(jié)殼資源進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

目前，在富鈷結(jié)殼調(diào)查中使用的手段主要有衛(wèi)星遙感系統(tǒng)、多波束水深測量、深海攝像、電視抓斗、拖網(wǎng)、淺鉆、淺地層剖面測量等。側(cè)掃聲吶測量是一種聲學(xué)遙測方法，具有精確、經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對其資料處理和海底特征提取及分類技術(shù)已經(jīng)開展了一系列的研究工作，是一種成熟且有效的海底分類方法。但是，受水深以及設(shè)備開發(fā)的制約，這種方法在富鈷結(jié)殼的勘查中只進(jìn)行過試驗(yàn)性的使用。隨著海洋調(diào)查技術(shù)的快速發(fā)展，側(cè)掃聲吶的廣泛使用將會對富鈷結(jié)殼區(qū)的礦區(qū)邊界識別、結(jié)殼覆蓋率的計算有很大幫助，對于整個富鈷結(jié)殼資源的評價和圈礦工作有著重要的意義。

1側(cè)掃聲吶探測的基本原理

側(cè)掃聲吶主要用于海底測繪研究，這種技術(shù)初始用來探測潛水艇和海底目標(biāo)物，隨后被廣泛應(yīng)用于海洋地球物理和地質(zhì)工作中，如海底形態(tài)和沉積分類、生物群落和珊瑚礁的分布、特殊目標(biāo)物的識別(沉船、水雷等)(Sakellariou，2007)、工程施工(疏浚、海上平臺建設(shè)、海底光纜鋪設(shè))、環(huán)境調(diào)查等(Savini, 2011)。

典型的側(cè)掃聲吶裝置主要由數(shù)據(jù)顯示和記錄單元、數(shù)據(jù)傳輸和拖曳電纜、水下聲波發(fā)射和接收換能器組成(圖1)。其探測原理是利用海底表面物質(zhì)背散射特征的差異來判斷目標(biāo)物的沉積屬性或形態(tài)特征。側(cè)掃聲吶作業(yè)時向兩側(cè)發(fā)送寬角度(垂直方向)聲波波束,可以覆蓋海底大面積區(qū)域，通常單側(cè)每個條帶探測寬度可以達(dá)到數(shù)十米到數(shù)百米，然后接收海底返回的背散射數(shù)據(jù)對海底進(jìn)行成像。根據(jù)不同的探測目的，可以選擇不同頻率的發(fā)射波束，范圍從1kHz到1MHz，例如，對海底底棲環(huán)境的探測一般選擇較高頻率(>50kHz)的側(cè)掃聲吶才能獲得海底表層特征，如沉積類型、出露巖石、海底形態(tài)(沙坡、溝壑等)和其他海底表面的結(jié)構(gòu)體。

圖1　拖曳式聲吶拖魚作業(yè)圖(據(jù)Sakellariou，2007)Fig.1　Towed fish diagram using towed sonar(after Sakellariou, 2007)

為了獲得高分辨率和大覆蓋范圍的背散射數(shù)據(jù)，這些聲信號被設(shè)計成沿船航行軌跡方向很窄而垂直于船航行軌跡方向很寬的聲波束。每一次發(fā)射聲學(xué)信號，換能器會接收到1個“腳印”數(shù)據(jù)，顯示單元會將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并建立1張實(shí)時的海底結(jié)構(gòu)圖(圖2)。

圖2　側(cè)掃聲吶實(shí)測剖面圖Fig.2　Measured profile using side-scan sonar

背散射信號的能量比發(fā)射信號小幾個量級(Blondel, 2009)，且信號的衰減隨頻率的增加而變快，低頻發(fā)射信號(5～12kHz)可以傳播較遠(yuǎn)的距離，從而獲得寬接收條帶，但是分辨率低，高頻(>100kHz)則相反。

背散射信號的能量大小不僅與海底的地形相關(guān)，還與發(fā)射信號的入射余角有關(guān)。為了滿足合適的入射余角，聲吶拖魚需要在一個相對海底的固定高度，通常為水平量程的10%～20%，這樣可以利用由于目標(biāo)物阻擋產(chǎn)生的聲學(xué)陰影，有效探測到海底出露的小的目標(biāo)物或者海底小尺度的形態(tài)特征。

分辨率是側(cè)掃聲吶的一個重要指標(biāo)，它指的是在聲吶圖像中能區(qū)分2個目標(biāo)物的最小距離，可以分成沿航跡分辨率和垂直于航跡分辨率(圖3)。沿航跡方向分辨率Δrx是指測量平行于船航向的分辨能力，與水平波束的寬度θhx和量程R有關(guān)，它們的關(guān)系表示如下：

Δrx=θhxR

(1)

根據(jù)公式(1)，沿航跡方向的分辨率隨離拖魚之間距離的增大而減小。因此，2個目標(biāo)物只有在它們之間的距離小于所在位置的Δrx時才會被區(qū)分開。

垂直于航跡的分辨率是指在垂直于船航行方向的2個目標(biāo)物被區(qū)分的能力，信號的脈沖長度(T)是最大的影響因素。由于聲波是斜入射到海底的，因此表示為：

(2)

式(2)中，θ為入射余角，c為聲波在水中的速度。

圖3　側(cè)掃聲吶分辨率示意圖(據(jù)Mazel, 1985)(a) resolution horizontal to the track; (b) resolution vertical to the track Fig.3　Sketch showing resolution of side-scan sonar(after Mazel, 1985)

2側(cè)掃聲吶在我國富鈷結(jié)殼調(diào)查中的應(yīng)用

我國在大洋科考第21航次和第29航次分別使用SIS-3000XL型(Benthos公司)和國產(chǎn)DTA-6000型聲學(xué)深拖在富鈷結(jié)殼區(qū)進(jìn)行了高分辨率的微地貌地形探測。其中，第21航次利用搭載的側(cè)掃聲吶的數(shù)據(jù)對結(jié)殼區(qū)的地形地貌進(jìn)行了初步識別，利用背反射信號強(qiáng)度的差別區(qū)分不同的地形地貌特征，如圓形平底坑、臺狀凸起、陡坎、平緩區(qū)等(圖4)。另外，對于地形相對平緩的區(qū)域，結(jié)合海底攝像和淺鉆資料對不同聲強(qiáng)反射信號結(jié)果中的沉積物、基巖和結(jié)殼區(qū)進(jìn)行了初步判讀(徐建等，2011)。

圖4　大洋第21航次特征地形地貌的側(cè)掃聲吶灰度圖(據(jù)徐建等，2011)Fig.4　Side-scan sonar grayscale images of typical topography during the 21st ocean voyage(after Xu et al., 2011)

在大洋第29航次富鈷結(jié)殼的調(diào)查中，使用我國自行研制的DTA-6000型聲學(xué)深拖在采薇海山區(qū)域進(jìn)行了2條測線的測量，側(cè)掃聲吶的工作頻率為150kHz，發(fā)射線性調(diào)制的Chirp信號，側(cè)掃聲吶結(jié)果可以區(qū)分均勻的沉積物區(qū)域和沉積物與基巖、結(jié)殼混合區(qū)域(圖5)。

圖5　大洋第29航次側(cè)掃聲吶灰度圖(據(jù)曹金亮，2013)Fig.5　Side-scan sonar grayscale images of the 29th ocean voyage(after Cao, 2013)(a) side-scan image of sediment area; (b) side-scan image of sediment and basement/crust areas

3技術(shù)發(fā)展

自19世紀(jì)中期以來，側(cè)掃聲吶設(shè)備經(jīng)歷了長足的發(fā)展，從單一頻率到雙頻率，從二維海底成像到三維立體成像，此外還有更高分辨率的合成孔徑聲吶、參量側(cè)掃聲吶。由于目前在富鈷結(jié)殼調(diào)查中獲取的側(cè)掃聲吶的數(shù)據(jù)量較少，一些成熟的解釋手段也無法得到應(yīng)用，隨著設(shè)備的發(fā)展應(yīng)用以及調(diào)查的深入，這些方法也將會在富鈷結(jié)殼資源的勘查中發(fā)揮更大的作用。

3.1合成孔徑聲吶

合成孔徑聲吶技術(shù)自合成孔徑雷達(dá)技術(shù)演化而來，利用小尺寸基陣沿空間的勻速直線運(yùn)動來虛擬大孔經(jīng)的基陣，從而獲得沿運(yùn)動方向的高分辨率的掃描圖像。從一定角度上講，合成孔徑聲吶是扇形聲吶和傳統(tǒng)側(cè)掃聲吶的一種結(jié)合。合成孔徑聲吶具有以下優(yōu)勢：沿航跡方向分辨率與孔徑大小有關(guān)，與距離和工作頻率無關(guān)，遠(yuǎn)近距離都可以高分辨成像；在分辨率相等的條件下，測繪效率高于傳統(tǒng)側(cè)掃聲吶，更加適合深水復(fù)雜海域作業(yè)。圖6為合成孔徑聲吶以及傳統(tǒng)側(cè)掃聲吶的工作示意圖。

圖6　合成孔徑側(cè)掃聲吶和傳統(tǒng)聲吶示意圖(據(jù)Hansen, 2011)Fig.6　Sketch showing synthetic aperture sonar and conventional sonar(after Hansen, 2011)(a) fan-shaped sonar; (b) side-scan sonar; (c) synthetic aperture sonar

3.2參量側(cè)掃聲吶

不同于傳統(tǒng)的線性聲學(xué)聲吶參量側(cè)掃聲吶，利用非線性的差頻原理，即設(shè)計1個參量陣列，向水體發(fā)射2個頻率接近的高頻聲波主頻信號(f1,f2)，這2個信號在水體發(fā)生干涉，生成一系列二次頻率聲波信號，如f1、f2、f1+f2、f1-f2、2f1、2f2等聲波信號雖然只有約1%的能量轉(zhuǎn)換為二次頻率的信號，但是仍然可以獲得良好的高分辨率背散射數(shù)據(jù)。對上述具有不同分辨率和穿透深度的聲吶圖像進(jìn)行對比分析，不僅可以識別小的結(jié)構(gòu)體，還可以探測一些埋藏地質(zhì)體及其埋藏深度(圖7)。利用這一點(diǎn)可以確定富鈷結(jié)殼的厚度，有益于富鈷結(jié)殼的資源評價。

圖7　參量聲吶與傳統(tǒng)聲吶對比示意圖(據(jù)Blondel，2009)Fig.7　Sketch showing comparison of parametric sonar and conventional sonar(after Blondel, 2009)

3.3解釋方法

在對側(cè)掃聲吶圖像解釋前需要考慮很多影響背散射強(qiáng)度的實(shí)際因素，如信號頻率(100～1 000kHz)、地形因素(決定聲學(xué)信號的入射角)、地質(zhì)因素(決定海底聲學(xué)屬性的參數(shù)，如孔隙度、粗糙度)等。在富鈷結(jié)殼區(qū)，由于結(jié)殼與其附近的沉積物或者裸露的基巖在產(chǎn)狀、孔隙度、粗糙度等聲學(xué)屬性因素等方面存在較大差異，對背散射強(qiáng)度影響不同。因此，可以通過處理后的海底背散射圖像圈定結(jié)殼的分布范圍。

前人對聲吶圖像的分析和解釋進(jìn)行了大量研究，提出了許多識別不同海底類型的圖像處理方法(Atallahetal.，2004；Satyanarayana，2010；Geethalakshmietal.，2011)。聲吶圖像解釋工作的第一步是區(qū)分不同海底類型在聲吶圖像上的聲學(xué)相，此過程可以通過人工分類，也可以使用軟件進(jìn)行聲吶圖像的自動分類，如ESRIArcGIS、ERDASImagine、ENVI和ERMapper等軟件，分類方法包括監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類2種(圖8)。對聲吶圖像的定性解釋依托對背散射數(shù)據(jù)的量化分析以及對海底結(jié)構(gòu)的研究。因此，結(jié)合海底真實(shí)情況(沉積物取樣、海底視頻和圖片資料)有助于正確地進(jìn)行海底分類。在一些富鈷結(jié)殼礦區(qū)已經(jīng)開展了拖網(wǎng)取樣、淺鉆取樣等工作，獲取了大量的富鈷結(jié)殼實(shí)物樣品。因此，可以利用這些樣品和側(cè)掃聲吶背散射數(shù)據(jù)建立分類數(shù)據(jù)庫，然后對測掃聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類，以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)殼分布范圍。

圖8　聲吶圖像分類流程圖Fig.8　Flowchart showing classification of sonar images

4結(jié)論

(1) 傳統(tǒng)的調(diào)查手段都存在自身的局限性。深海攝像資料雖然最直觀, 但從所得的結(jié)果中很難分辨出富鈷結(jié)殼與玄武巖等裸露基巖的界限, 難以判斷富鈷結(jié)殼的厚度(馬維林等，2007)。拖網(wǎng)是較常規(guī)使用的手段, 但同樣無法對富鈷結(jié)殼覆蓋率進(jìn)行準(zhǔn)確判斷, 有時利用拖網(wǎng)在平整的連續(xù)板狀結(jié)殼處采樣時還可能出現(xiàn)空網(wǎng)現(xiàn)象。同時, 拖網(wǎng)這種拖曳式設(shè)備定位困難,要想準(zhǔn)確確定礦塊位置, 必須對所測的站位位置和水深進(jìn)行校正。淺鉆雖然可以準(zhǔn)確測得結(jié)殼的厚度和基底巖石的信息，但有的海山受到后期火山活動的影響，即使有厚層結(jié)殼，也往往成點(diǎn)狀分布，且厚度分布不均勻，很難全面掌握其分布特征(武光海等，2005)，如采薇海山。淺鉆站位的布設(shè)還面臨選址問題，雖然可以結(jié)合海底攝像的結(jié)果，但海底攝像調(diào)查面積有限，短時間內(nèi)很難獲得整個海山的結(jié)殼分布情況。

(2) 相對于上述設(shè)備小面積調(diào)查的特點(diǎn)，側(cè)掃聲吶單側(cè)條幅寬度可以達(dá)到數(shù)十米到幾百米。因此，利用側(cè)掃聲吶可以進(jìn)行大范圍的調(diào)查，快速獲取結(jié)殼區(qū)的資源分布特征。

(3) 隨著我國DTA-6000聲學(xué)深拖、“潛龍?zhí)枴盇UV、“海馬號”ROV設(shè)備的研制成功和投入使用，打破了水深對聲吶設(shè)備的限制，因?yàn)檫@些設(shè)備都可以搭載和擴(kuò)展最新技術(shù)的側(cè)掃聲吶。另外，結(jié)合高精度的超短基線和長基線水下定位技術(shù)，可以在富鈷結(jié)殼區(qū)開展更高密度的側(cè)掃聲吶測量工作，從而獲取高精度側(cè)掃聲吶背散射數(shù)據(jù)，有助于加快結(jié)殼區(qū)的資源評價工作。

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Prospect of side-scan sonar in the detection of cobalt-rich crusts

FENG Qiangqiang， WEN Mingming， MU Zelin， CHAI Yi

(GuangzhouMarineGeologicalSurvey，Guangzhou510075,Guangdong,China)

Abstract：This paper introduces the working principles of side-scan sonar as an acoustic remote-sensing tool, and analyses previously acquired side-scan data in cobalt-rich crusts. We also list the newly developed side-scan sonar technology and data interpretation technology which will be utilized in future exploration. For the limitation of traditional survey methods, it is recommended that side-scan sonar will promote the resource assessment and ore delineation in cobalt-rich crust areas.

Keywords：side-scan sonar； ore delineation； cobalt-rich crust

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.320

收稿日期：2015-06-30；修回日期：2016-02-02；編輯：陳露

基金項(xiàng)目：國家海洋局項(xiàng)目“富鈷結(jié)殼資源勘查技術(shù)方法體系與勘查方案研究”(DY125-13-R-09)、“富鈷結(jié)殼勘探區(qū)資源綜合評價”(DY125-13-R-01)、“富鈷結(jié)殼成礦演化模型研究”(DY125-13-R-05)

作者簡介：馮強(qiáng)強(qiáng)(1987—)，男，工程師，碩士，從事海上探測技術(shù)方面的研究工作，E-mail： jianfeizaixian@163.com

中圖分類號：P631.5+21； P744.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3636(2016)02-0320-06