結殼礦層聲學測厚儀在大洋富鈷結殼資源勘察中的應用*

張 旭

（廣州海洋地質調查局，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：多金屬結核、稀土、富鈷結殼等，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優先開采權[3]。富鈷結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殼資源量中需要進行對富鈷結殼厚度的測量工作就是很好的例子。特殊的應用環境需要特殊的手段和創新的設備，本文中的結殼礦層聲學測厚儀就是近年來在富鈷結殼資源勘察中涌現出來的新設備之一。

1 結殼礦層聲學測厚儀應用背景

目前，富鈷結殼資源勘察手段主要有多波速回波探測技術、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通過多波速反射回波強度確定富鈷結殼資源區的覆蓋面積，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測線觀察來驗證多波速等間接勘查手段的結果，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”的手段。目前，深海淺鉆鉆探是評估富鈷結殼厚度最直接也是最常規的方式。但是通常深海淺鉆設備本身較為笨重，作業難度較高，且作業過程較為復雜，單個站位作業耗時較長，效率較低，無法大規模應用，目前一個為期40天的中國大洋資源調查航次設計的深海淺鉆站位最多40～50個[6]，這使得獲取的富鈷結殼厚度數據點較為有限，對評估區域富鈷結殼資源進度有較大影響。因而，富鈷結殼資源勘察工作急需一種能夠進行近底富鈷結殼厚度間接測量的聲學探測儀器。通過聲學探測儀器進行一條線上的測厚作業，加上少量深海淺鉆鉆探獲取巖心驗證聲學探測儀器的測量結果，兩者搭配使用，相得益彰，對加快區域富鈷結殼資源評估工作進度有著積極作用。中國科學院聲學研究所東海研究站研制的結殼礦層聲學測厚儀在這一背景下應運而生，并通過搭載我國自主研發的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用。

2 設備簡介

中國科學院聲學研究所東海研究站研制的結殼礦層聲學測厚儀如圖1所示。設備硬件部分由控制罐、聲學基陣探頭組成，其數據通過“海馬”號ROV的通訊鏈路實時傳到水面甲板控制計算機。該設備采用非線性參量陣來對富鈷結殼進行測厚。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生疊加產生差頻。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。原頻和差頻的關系實質是：原頻為調制波，而差頻是原頻的包絡。其探測基本原理如圖1所示。

圖1 聲探設備探測原理框圖

換能器發射1 MHz原頻大功率調制波。在水中傳播過程中累積產生100 kHz差頻波；

原頻波與差頻波同時到達復鈷結殼上表面后發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殼層，而差頻波的部分能量穿過結殼層繼續傳播到達結殼與基巖面發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殼的聲速即可獲得富鈷結殼的厚度。

3 應用成果

本次試驗性應用中，聲學測厚儀隨“海馬”號ROV在某海山頂共進行6個站位作業，在富鈷結殼區域進行了定點測量。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殼巖心樣品，MCROV01A、MCROV05兩個站位獲取的巖心樣品成功鉆透結殼層，MCROV04A站位獲取的巖心樣品雖未鉆透結殼層，但對聲學測厚儀的測量精確度也是重要參考。

3.1 定點測厚

（1）MCROV01A

該站位點底質為板狀結殼區域，圖2為該點獲取的巖心樣品，其中結殼厚度約15 cm。

圖2 ROV01A獲取的結殼巖心樣品

由于聲學測厚儀測量的直接參數為富鈷結殼上下表面回波時延差，還需乘以結殼的聲速值才能得到結殼厚度。由于未進行本區域結殼的聲速測量，只能以國外相關研究中的結殼聲速值作為參考，本文以國外文獻中出現的2 500 m/s、3 000 m/s、3 500 m/s[7-8]三個聲速值作為參考。

該點聲學測厚數據經處理，結果如圖3所示，圖3中從上至下的四條曲線依次為聲學探頭的離底高度、2 500 m/s、3 000 m/s、3 500 m/s結殼聲速[8-9]換算得到的結殼下表面與聲學基陣探頭的距離，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打鉆點聲學測厚數據處理結果

（2）MCROV05

該站位點底質為板狀結殼區域，圖4為獲取的巖心樣品，其中結殼厚度約14 cm。

聲學測厚設備在該點測得數據處理結果如圖5所示，所測的厚度值分別為13.375 cm、16.05 cm、18.725 cm。

（3）MCROV04A

該站位點底質為板狀結殼區域，從圖6可知獲取的巖心樣品全部為結殼層，長度約11 cm。

圖4 MCROV05獲取的結殼巖心樣品

圖5 MCROV05打鉆點聲學測厚數據處理結果

圖6 MCROV04A獲取的結殼巖心樣品

聲學測厚儀在該點測得數據處理結果如圖7所示，所測結殼厚度值分別為13.4 cm、16.08 cm、18.76 cm。

圖7 MCROV04A打鉆點聲學測厚數據處理結果

3.2 小結

由上述三個站位獲得的巖心樣品結合聲學測厚數據來看，巖心樣品的結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，可以認為本區域結殼聲速值介于2 500 m/s和3 000 m/s之間。考慮到“海馬”ROV搭載的小鉆機鉆取巖心過程中對結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如初，這給測量巖心結殼厚度帶來較大誤差，因而對富鈷結殼厚度的評估誤差通常都是厘米級。本次結殼礦層聲學測厚儀的測量結果與巖心樣品的結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殼資源的評估要求，可以認為結殼礦層聲學測厚儀在“海馬”號ROV上的搭載試驗性應用取得了良好效果。

4 設備展望

目前中科院聲學研究所東海研究站研制的結殼礦層聲學測厚儀還處于初步試驗階段，仍有需要完善改進的地方。但該設備的出現實現了我國從無到有的跨越，隨著進一步的改進工作，聲學測厚儀將會根據現有的深海調查設備衍生出不同的版本，以滿足不同的搭載應用任務，對我國大洋富鈷結殼資源評估工作有著巨大的促進作用，意義重大。期待這一新設備正式成為我國富鈷結殼資源評估工作中的重要一員，為我國大洋資源勘察事業建立新功！

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

［2］楊勝雄.國際海底富鈷結殼資源勘查與評價［A］.中國地質學會、國土資源部地質勘查司。“十五”重要地質科技成果暨重大找礦成果交流會材料三——“十五”地質行業重大找礦成果資料匯編［C］.中國地質學會、國土資源部地質勘查司，2006：1.

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

［4］于彥江，段隆臣，劉方蘭，等.深海淺鉆在富鈷結殼資源勘查中的應用［J］.礦業研究與開發，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殼調查研究中的應用［J］.海洋技術，2007（01）：54-57.

［6］徐峙.我國富鈷結殼資源勘查步入新階段［N］.中國礦業報，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.富鈷結殼結構成因初探——來自DLA模擬的證據［J］.礦物巖石地球化學通報，2015，34（05）：931-937，884.