海底钴结壳TEM的响应规律

海底钴结壳TEM的响应规律
李丽;席振铢;王鹤;李瑞雪
【摘要】大洋富钴结壳是潜在的海底金属资源,为了更快、更准确地对海底钴结壳进行勘探,本文研究了其TEM的响应规律.通过分析深海钴结壳的电性和物性特征,说明了瞬变电磁法满足海底探测的物化条件,进而建立探测深海钴结壳的地电模型,证明了本方法应用于海底钻结壳勘探的可行性;采用瞬变电磁全空间理论,计算了深海钴结壳瞬变电磁响应,这为瞬变电磁探测深海钴结壳的反演提供了依据.计算结果表明:海底瞬变电磁测深能很好地探测到海底钴结壳的存在,且异常峰值对应钴结壳的中心在海面的投影位置;深海与无海水情况下的瞬变电磁相比,响应曲线形态变化不大,响应幅值明显增加;地形对探测有一定的影响.
【期刊名称】《工程地球物理学报》
【年(卷),期】2015(012)003
【总页数】5页(P283-287)
【关键词】富钴结壳;海洋瞬变电磁法;全空间
【作者】李丽;席振铢;王鹤;李瑞雪
【作者单位】中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙410083;中南大学海洋矿产探测技术与装备研究所,湖南长沙410083;中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙410083;中南大学海洋矿产探测技术与装备研究所,湖南长沙410083;中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙410083;中南大学海洋矿产探测技术与装备研究所,湖南长沙410083;中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙410083;中南大学海洋矿产探测技术与装备研究所,湖南长沙410083
【正文语种】中文
【中图分类】P631.3
海底富钴结壳是近几十年来新发现的、具有重要战略意义的一种海底矿产资源。

钴结壳赋存水深较浅，广泛分布于水深800～3000m的海山、岛屿斜坡上，开采基本不会对海洋环境造成危害。

富钴结壳富含钴、镍、铅、铈、铂等金属，平均厚度2～8cm。

钴是一种高熔点和稳定性良好的磁性硬金属，是制造硬质合金、耐热合金、耐磨合金、磁性合金、特种合金和各种钴盐或钴化合物的重要原料[1]。

我国是钴消耗大国，主要依赖进口。

因此开发大洋富钴结壳资源，具有极大的实际意义和经济价值。

目前我国钴结壳调查工作尚处于资源勘探及矿区圈定的初期阶段，对海底钴结壳资源进行勘探的主要手段为大量的拖网等地质取样和海底视像资料的分析。

地质取样一般是按一定网络间距定点离散地取样，并通过资料内插与外延来了解区域内海底底质的特性[2]。

然而，地质取样设备庞大复杂，在海底工作时效率很低，不能在海底现场自动地快速分析样品，需要把样品送回至作业船上进行物理化学检测，结合专家经验判定样品类型[3]。

海底照像与水下摄影等光学方法获取的海底资料虽最直观，但由于设备昂贵、操作复杂、效率低，且后续的图像数据处理繁琐复杂，效果往往易受到水下光线的影响，很难从所得的结果中分辨出沉积物、基岩和钴结壳以及水下拍摄时所形成的阴影区[2]。

最重要的是海底照相与水下摄影仅仅得到海底表层资料，无法识别被薄层沉积物埋藏的钴结壳。

海洋瞬变电磁法具有探测深度大、实施简单、快速、探测准确等优点。

由于富钴结壳的生长条件独特，不同于陆地矿产资源，为了更快、更准确地对海底钴结壳进行勘探，本文研究了海底钴结壳TEM(Transient Electromagnetic Method)的响应规律，建立探测深海钴结壳的地电模型，运用瞬变电磁全空间理论计算方法，模拟
计算深海钴结壳瞬变电磁响应，结果表明海洋TEM能很好地探测到海底钴结壳的存在。

对钴结壳样品进行分析和研究，可知钴结壳可划分为板状结壳、砾状结壳和结核状结壳3类，均具有微晶质结构。

富钴结壳宏观构造主要呈板层状和圈层状构造；
显微构造在形态上可大体分为柱状构造、平行纹理状构造和致密块状构造3种基
本类型[4]。

同时对钴结壳标本进行元素分析可知其主要由锰矿物、铁矿物和杂质
矿物组成。

在深海环境中，富钴结壳被海水包围，其基岩主要有玄武岩。

海水电导率取决于海水温度和含盐度，由Accerboni等[5]总结出的经验公式可得海底海水的电导率变化范围为3.2～3.4S/m。

玄武岩的导电性主要取决于孔隙度、年代、温度等，其
变化范围分别为0.03～0.001S/m。

海底钴结壳的纵向电导变化范围为20～400S。

在一般情况下，海底钴结壳的电导率比海水和基岩高得多，具备基于电导率差异的电磁法勘探的物性条件，使得运用瞬变电磁法有效探测海底钴结壳成为可能。

根据海水和基岩的电性特征以及海底钴结壳的分布特征，可建立如图1所示的地电模型。

模型为海水和海底两个均匀的半空间，σ1、σ2分别为海水、海底两种均匀介质的电导率，纵向电导为S的钴结壳矿体嵌入海底基岩之上。

钴结壳分布在海山上，钴结壳与基岩分界面的起伏剧烈程度对钴结壳的探测有很大的影响。

根据地形对钴结壳探测的影响，海底拖曳方式有装置沿地形线拖过和装置沿山顶拖过两种。

如图2和图3。

海底TEM探测建模如图1所示，在此模式下，需要通过利用推导的理论公式进行正演计算。

采用积分方程算法计算层状介质中三维异常体的瞬变电磁响应[6，7]。

首先利用层状介质中偶极源的递推算法计算层状模型的频率域电磁响应，即一次场Hp。

在深海环境中，瞬变电磁传播是一个全空间的过程，向上在海水中传播，向
下传播到海底地层，如图4所示。

Krivochieva等人[8]讨论了层状模型下TEM全
空间的理论计算方法，本文借鉴其方法模拟计算层状模型瞬变电磁响应。

由于源可以置放于层状地层中，所以积分方程算法适用于海洋瞬变电磁法中源置于海底的情况[9,10]。

三维异常体限于某一层地层内，其散射场(即二次场)利用积分
方程计算：
式中：v为异常体所包含的空间区域；r为异常体的位置矢量；r′为源的位置矢量；Js=ΔσHp为异常体的散射电流； G为张量Green函数。

为了提高计算精度，需
要按一定的格式对三维异常体进行离散化。

这样，式(1)的离散化形式则为：
式中为Green函数的离散形式，也需要采用数值积分的办法计算；σj为三维异常体所在的第j层的地层电导率；σn和H(rn)分别为第n个离散单元的电导率和总
场值；rn为异常体离散单元的位置矢量；rm为离散源的位置矢量。

在观测点得到的场值是一次场和散射场相加的结果。

计算出频率域响应后，可根据拉氏变换的关系计算出相应的瞬变响应。

在算法实现中，采用快速滤波的Hankel 变换算法实现频率域和时间域的转换[11]。

建立如图1的深海钴结壳电性模型，取导电率σ1=3S/m，h1=1km；
σ2=0.01S/m；h3→∞；钴结壳的厚度为10cm，其纵向电导为200S，I=10A，
发送线圈半径为1m，回线匝数为50匝，采用中心回线装置。

需说明的是h2为
拖曳高度，周胜[12]等人已经讨论了拖曳高度对瞬变电磁响应的影响，此处不再赘述。

当发射源位于海底，不存在低阻钴结壳时，得到深海瞬变电磁衰减曲线和不考虑海水影响的瞬变电磁衰减曲线如图5所示。

从图5可以看出：海水的作用对瞬
变电磁衰减曲线的形态影响较小，曲线形态与不考虑海水影响的瞬变电磁的形态基本相似，但海水的存在导致 TEM响应衰减较慢，响应幅值变大。

当发射源位于海底且存在钴结壳时，得到如图6所示的瞬变电磁衰减曲线。

从图6可见：深海瞬
变电磁响应与不考虑海水影响的瞬变电磁衰减曲线的变化趋势一致，但是，深海瞬变电磁早延时和晚延时阶段的响应幅值显著增强，异常基本一致。

钴结壳的纵向电导取为200S装置沿地形线拖过时得到的多测道剖面图如图7所示。

从图7可以看出：钴结壳响应曲线表现为一单峰正异常,异常峰值对应钴结壳的中
心在海面的投影位置。

图8为装置沿山顶拖过时钴结壳的多测道剖面图，从图中
可看出：钴结壳的响应曲线表现为一双峰正异常，两个正峰值异常中间夹一低谷异常，低谷中心对应钴结壳的中心在海面的投影位置。

由图7和图8可知：地形对
钴结壳的探测有影响，表现为瞬变电磁响应曲线形态不同。

1)采用海洋瞬变电磁法探测海底钴结壳是可行的。

对于所设计的模型，计算结果表明，海底瞬变电磁测深能很好地探测到海底钴结壳的存在，且异常峰值对应钴结壳的中心在海面的投影位置。

2)海水的存在虽然吸收了部分电磁能量，但也净化了测量环境，减少了噪声的影响。

深海与无海水情况下的瞬变电磁相比，响应曲线形态变化不大，海水的存在导致TEM响应衰减较慢，响应幅值明显增加。

3)通过对比装置沿地形线拖过和装置沿山顶拖过时钴结壳的多测道剖面图，可知地形对钴结壳勘探有一定的影响，表现为瞬变电磁响应曲线形态不同。

致谢：感谢牛之琏老师、赖刘宝、蒋欢和刘愿愿同学对本文提供的帮助。

【相关文献】
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