结壳矿层声学测厚仪在大洋富钴结壳资源勘察中的应用*

张 旭

（广州海洋地质调查局，广东广州 510075）

0 前言

地球表面超过70%是海洋，海洋中蕴藏的各种资源十分丰富。随着人类对陆地资源的不断开发消耗，部分资源日渐减少，不得不让人们把眼光投向海洋，寻找潜在的替代资源[1]。

深海海底富含多种资源比如：多金属结核、稀土、富钴结壳等，世界上主要海洋强国均积极进行海底资源勘察等工作，纷纷在国际海底资源区域“划地盘”[2]，我国目前也在积极的进行海底资源勘察工作，争取获得更多国际海底资源区优先开采权[3]。富钴结壳资源勘查是我国目前正在进行的大洋资源勘察工作之一。

与陆地资源勘察相比，由于与海底之间隔着一层厚厚的海水，勘察工作也变得困难很多。陆地上较容易进行的工作在海底变得举步维艰，比如本文中涉及到的评估富钴结壳资源量中需要进行对富钴结壳厚度的测量工作就是很好的例子。特殊的应用环境需要特殊的手段和创新的设备，本文中的结壳矿层声学测厚仪就是近年来在富钴结壳资源勘察中涌现出来的新设备之一。

1 结壳矿层声学测厚仪应用背景

目前，富钴结壳资源勘察手段主要有多波速回波探测技术、海底摄像、深海浅钻[4]和浅剖[5]等。其中多波速回波探测技术通过多波速反射回波强度确定富钴结壳资源区的覆盖面积，海底摄像则是通过深海摄像头和照相机对海底进行直接的光学测线观察来验证多波速等间接勘查手段的结果，深海浅钻通过对海底进行钻探获取海底岩心样品，是一种“点作业”的手段。目前，深海浅钻钻探是评估富钴结壳厚度最直接也是最常规的方式。但是通常深海浅钻设备本身较为笨重，作业难度较高，且作业过程较为复杂，单个站位作业耗时较长，效率较低，无法大规模应用，目前一个为期40天的中国大洋资源调查航次设计的深海浅钻站位最多40～50个[6]，这使得获取的富钴结壳厚度数据点较为有限，对评估区域富钴结壳资源进度有较大影响。因而，富钴结壳资源勘察工作急需一种能够进行近底富钴结壳厚度间接测量的声学探测仪器。通过声学探测仪器进行一条线上的测厚作业，加上少量深海浅钻钻探获取岩心验证声学探测仪器的测量结果，两者搭配使用，相得益彰，对加快区域富钴结壳资源评估工作进度有着积极作用。中国科学院声学研究所东海研究站研制的结壳矿层声学测厚仪在这一背景下应运而生，并通过搭载我国自主研发的4 500米级ROV“海马”号随“海洋六号”母船在中国大洋科考第41B航次进行了试验性应用。

2 设备简介

中国科学院声学研究所东海研究站研制的结壳矿层声学测厚仪如图1所示。设备硬件部分由控制罐、声学基阵探头组成，其数据通过“海马”号ROV的通讯链路实时传到水面甲板控制计算机。该设备采用非线性参量阵来对富钴结壳进行测厚。其基本原理是利用大振幅的频率相近的声波在阵列轴向发生叠加产生差频。差频具有比原频更佳尖锐的指向性，使得足印更小，获得更佳空间分辨率；同时差频比原频频率低，所以穿透性也更佳。原频和差频的关系实质是：原频为调制波，而差频是原频的包络。其探测基本原理如图1所示。

图1 声探设备探测原理框图

换能器发射1 MHz原频大功率调制波。在水中传播过程中累积产生100 kHz差频波；

原频波与差频波同时到达复钴结壳上表面后发生一次反射形成回波，接收换能器接收到第一次回波；

原频波衰减过大无法穿透结壳层，而差频波的部分能量穿过结壳层继续传播到达结壳与基岩面发生二次反射形成回波，之后接收到二次回波；

第二回波与第一次回波之间的时延差乘以富钴结壳的声速即可获得富钴结壳的厚度。

3 应用成果

本次试验性应用中，声学测厚仪随“海马”号ROV在某海山顶共进行6个站位作业，在富钴结壳区域进行了定点测量。并且在其中三个测厚点，通过“海马”ROV搭载的小型钻机成功获取富钴结壳岩心样品，MCROV01A、MCROV05两个站位获取的岩心样品成功钻透结壳层，MCROV04A站位获取的岩心样品虽未钻透结壳层，但对声学测厚仪的测量精确度也是重要参考。

3.1 定点测厚

（1）MCROV01A

该站位点底质为板状结壳区域，图2为该点获取的岩心样品，其中结壳厚度约15 cm。

图2 ROV01A获取的结壳岩心样品

由于声学测厚仪测量的直接参数为富钴结壳上下表面回波时延差，还需乘以结壳的声速值才能得到结壳厚度。由于未进行本区域结壳的声速测量，只能以国外相关研究中的结壳声速值作为参考，本文以国外文献中出现的2 500 m/s、3 000 m/s、3 500 m/s[7-8]三个声速值作为参考。

该点声学测厚数据经处理，结果如图3所示，图3中从上至下的四条曲线依次为声学探头的离底高度、2 500 m/s、3 000 m/s、3 500 m/s结壳声速[8-9]换算得到的结壳下表面与声学基阵探头的距离，下面三条曲线与最上面的曲线高度之差即为结壳厚度，测得的厚度值分别为13.775 cm、16.53 cm、19.285 cm。

图3 MCROV01A打钻点声学测厚数据处理结果

（2）MCROV05

该站位点底质为板状结壳区域，图4为获取的岩心样品，其中结壳厚度约14 cm。

声学测厚设备在该点测得数据处理结果如图5所示，所测的厚度值分别为13.375 cm、16.05 cm、18.725 cm。

（3）MCROV04A

该站位点底质为板状结壳区域，从图6可知获取的岩心样品全部为结壳层，长度约11 cm。

图4 MCROV05获取的结壳岩心样品

图5 MCROV05打钻点声学测厚数据处理结果

图6 MCROV04A获取的结壳岩心样品

声学测厚仪在该点测得数据处理结果如图7所示，所测结壳厚度值分别为13.4 cm、16.08 cm、18.76 cm。

图7 MCROV04A打钻点声学测厚数据处理结果

3.2 小结

由上述三个站位获得的岩心样品结合声学测厚数据来看，岩心样品的结壳厚度值介于以声速为2 500 m/s和3 000 m/s换算后的厚度值之间，可以认为本区域结壳声速值介于2 500 m/s和3 000 m/s之间。考虑到“海马”ROV搭载的小钻机钻取岩心过程中对结壳表面褐煤层以及中部疏松层[9]等较脆弱部分的磨损，以及取心过程对岩心完整度不可避免的破坏，拼接岩心过程很难将其恢复如初，这给测量岩心结壳厚度带来较大误差，因而对富钴结壳厚度的评估误差通常都是厘米级。本次结壳矿层声学测厚仪的测量结果与岩心样品的结壳真实厚度值差距均在1至2厘米之间，完全可以满足富钴结壳资源的评估要求，可以认为结壳矿层声学测厚仪在“海马”号ROV上的搭载试验性应用取得了良好效果。

4 设备展望

目前中科院声学研究所东海研究站研制的结壳矿层声学测厚仪还处于初步试验阶段，仍有需要完善改进的地方。但该设备的出现实现了我国从无到有的跨越，随着进一步的改进工作，声学测厚仪将会根据现有的深海调查设备衍生出不同的版本，以满足不同的搭载应用任务，对我国大洋富钴结壳资源评估工作有着巨大的促进作用，意义重大。期待这一新设备正式成为我国富钴结壳资源评估工作中的重要一员，为我国大洋资源勘察事业建立新功！

［1］刘永刚，何高文，姚会强，等.世界海底富钴结壳资源分布特征 ［J］.矿床地质，2013，32（06）：1275-1284.

［2］杨胜雄.国际海底富钴结壳资源勘查与评价［A］.中国地质学会、国土资源部地质勘查司。“十五”重要地质科技成果暨重大找矿成果交流会材料三——“十五”地质行业重大找矿成果资料汇编［C］.中国地质学会、国土资源部地质勘查司，2006：1.

［3］简曲.我国已开始对大洋富钴结壳资源的开发研究［J］.矿业研究与开发，1998（05）：53-53.

［4］于彦江，段隆臣，刘方兰，等.深海浅钻在富钴结壳资源勘查中的应用［J］.矿业研究与开发，2015，35（11）：89-92.

［5］李守军，陶春辉，初凤友，等.浅地层剖面在富钴结壳调查研究中的应用［J］.海洋技术，2007（01）：54-57.

［6］徐峙.我国富钴结壳资源勘查步入新阶段［N］.中国矿业报，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，闫仕娟，刘季花，等.富钴结壳结构成因初探——来自DLA模拟的证据［J］.矿物岩石地球化学通报，2015，34（05）：931-937，884.