結(jié)殼礦層聲學(xué)測厚儀在大洋富鈷結(jié)殼資源勘察中的應(yīng)用*

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70%是海洋，海洋中蘊藏的各種資源十分豐富。隨著人類對陸地資源的不斷開發(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，世界上主要海洋強國均積極進行海底資源勘察等工作，紛紛在國際海底資源區(qū)域“劃地盤”[2]，我國目前也在積極的進行海底資源勘察工作，爭取獲得更多國際海底資源區(qū)優(yōu)先開采權(quán)[3]。富鈷結(jié)殼資源勘查是我國目前正在進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。陸地上較容易進行的工作在海底變得舉步維艱，比如本文中涉及到的評估富鈷結(jié)殼資源量中需要進行對富鈷結(jié)殼厚度的測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)測厚儀就是近年來在富鈷結(jié)殼資源勘察中涌現(xiàn)出來的新設(shè)備之一。

1 結(jié)殼礦層聲學(xué)測厚儀應(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技術(shù)通過多波速反射回波強度確定富鈷結(jié)殼資源區(qū)的覆蓋面積，海底攝像則是通過深海攝像頭和照相機對海底進行直接的光學(xué)測線觀察來驗證多波速等間接勘查手段的結(jié)果，深海淺鉆通過對海底進行鉆探獲取海底巖心樣品，是一種“點作業(yè)”的手段。目前，深海淺鉆鉆探是評估富鈷結(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)過程較為復(fù)雜，單個站位作業(yè)耗時較長，效率較低，無法大規(guī)模應(yīng)用，目前一個為期40天的中國大洋資源調(diào)查航次設(shè)計的深海淺鉆站位最多40～50個[6]，這使得獲取的富鈷結(jié)殼厚度數(shù)據(jù)點較為有限，對評估區(qū)域富鈷結(jié)殼資源進度有較大影響。因而，富鈷結(jié)殼資源勘察工作急需一種能夠進行近底富鈷結(jié)殼厚度間接測量的聲學(xué)探測儀器。通過聲學(xué)探測儀器進行一條線上的測厚作業(yè)，加上少量深海淺鉆鉆探獲取巖心驗證聲學(xué)探測儀器的測量結(jié)果，兩者搭配使用，相得益彰，對加快區(qū)域富鈷結(jié)殼資源評估工作進度有著積極作用。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站研制的結(jié)殼礦層聲學(xué)測厚儀在這一背景下應(yīng)運而生，并通過搭載我國自主研發(fā)的4 500米級ROV“海馬”號隨“海洋六號”母船在中國大洋科考第41B航次進行了試驗性應(yīng)用。

2 設(shè)備簡介

中國科學(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“海馬”號ROV的通訊鏈路實時傳到水面甲板控制計算機。該設(shè)備采用非線性參量陣來對富鈷結(jié)殼進行測厚。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)系實質(zhì)是：原頻為調(diào)制波，而差頻是原頻的包絡(luò)。其探測基本原理如圖1所示。

圖1 聲探設(shè)備探測原理框圖

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

原頻波與差頻波同時到達復(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；

原頻波衰減過大無法穿透結(jié)殼層，而差頻波的部分能量穿過結(jié)殼層繼續(xù)傳播到達結(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

本次試驗性應(yīng)用中，聲學(xué)測厚儀隨“海馬”號ROV在某海山頂共進行6個站位作業(yè)，在富鈷結(jié)殼區(qū)域進行了定點測量。并且在其中三個測厚點，通過“海馬”ROV搭載的小型鉆機成功獲取富鈷結(jié)殼巖心樣品，MCROV01A、MCROV05兩個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，但對聲學(xué)測厚儀的測量精確度也是重要參考。

3.1 定點測厚

（1）MCROV01A

該站位點底質(zhì)為板狀結(jié)殼區(qū)域，圖2為該點獲取的巖心樣品，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)測厚儀測量的直接參數(shù)為富鈷結(jié)殼上下表面回波時延差，還需乘以結(jié)殼的聲速值才能得到結(jié)殼厚度。由于未進行本區(qū)域結(jié)殼的聲速測量，只能以國外相關(guān)研究中的結(jié)殼聲速值作為參考，本文以國外文獻中出現(xiàn)的2 500 m/s、3 000 m/s、3 500 m/s[7-8]三個聲速值作為參考。

該點聲學(xué)測厚數(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，測得的厚度值分別為13.775 cm、16.53 cm、19.285 cm。

圖3 MCROV01A打鉆點聲學(xué)測厚數(shù)據(jù)處理結(jié)果

（2）MCROV05

該站位點底質(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)測厚設(shè)備在該點測得數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5所示，所測的厚度值分別為13.375 cm、16.05 cm、18.725 cm。

（3）MCROV04A

該站位點底質(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，長度約11 cm。

圖4 MCROV05獲取的結(jié)殼巖心樣品

圖5 MCROV05打鉆點聲學(xué)測厚數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖6 MCROV04A獲取的結(jié)殼巖心樣品

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

圖7 MCROV04A打鉆點聲學(xué)測厚數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.2 小結(jié)

由上述三個站位獲得的巖心樣品結(jié)合聲學(xué)測厚數(shù)據(jù)來看，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搭載的小鉆機鉆取巖心過程中對結(jié)殼表面褐煤層以及中部疏松層[9]等較脆弱部分的磨損，以及取心過程對巖心完整度不可避免的破壞，拼接巖心過程很難將其恢復(fù)如初，這給測量巖心結(jié)殼厚度帶來較大誤差，因而對富鈷結(jié)殼厚度的評估誤差通常都是厘米級。本次結(jié)殼礦層聲學(xué)測厚儀的測量結(jié)果與巖心樣品的結(jié)殼真實厚度值差距均在1至2厘米之間，完全可以滿足富鈷結(jié)殼資源的評估要求，可以認(rèn)為結(jié)殼礦層聲學(xué)測厚儀在“海馬”號ROV上的搭載試驗性應(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)測厚儀還處于初步試驗階段，仍有需要完善改進的地方。但該設(shè)備的出現(xiàn)實現(xiàn)了我國從無到有的跨越，隨著進一步的改進工作，聲學(xué)測厚儀將會根據(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)，對我國大洋富鈷結(jié)殼資源評估工作有著巨大的促進作用，意義重大。期待這一新設(shè)備正式成為我國富鈷結(jié)殼資源評估工作中的重要一員，為我國大洋資源勘察事業(yè)建立新功！

［1］劉永剛，何高文，姚會強，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.國際海底富鈷結(jié)殼資源勘查與評價［A］.中國地質(zhì)學(xué)會、國土資源部地質(zhì)勘查司?！笆濉敝匾刭|(zhì)科技成果暨重大找礦成果交流會材料三——“十五”地質(zhì)行業(yè)重大找礦成果資料匯編［C］.中國地質(zhì)學(xué)會、國土資源部地質(zhì)勘查司，2006：1.

［3］簡曲.我國已開始對大洋富鈷結(jié)殼資源的開發(fā)研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，1998（05）：53-53.

［4］于彥江，段隆臣，劉方蘭，等.深海淺鉆在富鈷結(jié)殼資源勘查中的應(yīng)用［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35（11）：89-92.

［5］李守軍，陶春輝，初鳳友，等.淺地層剖面在富鈷結(jié)殼調(diào)查研究中的應(yīng)用［J］.海洋技術(shù)，2007（01）：54-57.

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

［7］ Christian Moustier， HaruyoshiMatsumoto.Seafloor acoustic remote sensing with multibeam echo-sounders and bathymetric sidescan sonar systems ［J］.Marine Geophysical Researches，1993（1）：79-87.

［8］V.M.Anokhin，M.E.Mel’nikov.Structural features of the northeastern slope of Govorov Guyot，Magellan Seamounts， Pacific Ocean ［J］.Russian Journal of Pacific Geology，2010（4）：106-115.

［9］任向文，閆仕娟，劉季花，等.富鈷結(jié)殼結(jié)構(gòu)成因初探——來自DLA模擬的證據(jù)［J］.礦物巖石地球化學(xué)通報，2015，34（05）：931-937，884.