日本利用SBP数据勘探深海稀土的方法总结

2019-04-16宋韦剑吴西顺杨添天黄文斌王庆志

中国矿业 2019年4期

宋韦剑，吴西顺，杨添天，黄文斌，王庆志

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221008； 2.中国地质调查局地学文献中心，北京100083； 3.中国地质图书馆，北京100083； 4.中国地质调查局，北京 100037； 5.内蒙古大学，内蒙古呼和浩特 010000)

0 引言

富REY[注]REY是英语Rare-earth elements and yttrium的缩写，即稀土元素和钇元素的合称，是国际学术界一种比较通用的专业术语。洋泥(作为一种资源，其与陆上含REY矿床相比有5个明显的优势：①分布广泛，资源潜力巨大；②REY浓度高，重稀土元素显著富集；③层状分布，利于低成本勘探，经济可行；④钍铀等放射性元素低；⑤可通过酸浸方法提取[1]。自2011年日本在太平洋区域发现了富含稀土和钇(REY)元素的深海沉积物(又称为富REY洋泥)，海洋稀土就受到了全世界的高度关注[2-3]。

最近，日本利用SBP技术结合多波速测深和波速强度数据，高分辨率探测稀土的富集区和高富集区，这种勘探深海洋泥的方法值得研究和借鉴。

2012年，日本又在西太平洋南鸟礁附近的周围海域发现了富REY的软泥[4]。这一发现基于南鸟礁周围海域深海钻探项目(DSDP)和海洋钻探计划(ODP)(深海钻探孔198A和海洋钻探孔800A)的岩芯样品化学分析。然而，富REY软泥的精细分层受到岩芯回收率较差的严重制约。最近，从该区域获得了超过10个活塞式岩芯，这些新活塞岩芯样品的化学分析表明，在海底以下10 m内赋存着富REY软泥，包括IIJIMA等[5]在2016年报道的高浓度富REY软泥在内，然而，这些岩芯钻探资料都呈点状分布。即使在今天，富REY软泥在南鸟礁周围海域的广域分布仍然无法弄清。

鉴于此，SBP[注]SBP是英语Sub-bottom profiling的缩写，意思是浅层海底剖面分析，在国内又称为浅地层剖面分析，是海洋地质学界新兴的一种专业探测技术。(浅地层海底剖面分析)可以发挥所长，这项技术长期以来用于研究深水环境中海底沉积物的特征和分布[6-9]。本文所展示的声相图是稀土资源专属的反射特性。SBP与钻探相比，可提供高密度而连续的信息，而且比活塞岩芯采样效率要高，探及深度(高达约100 m)也远远大于活塞式取芯(<20 m)。为了阐明富REY软泥在南鸟礁周围海域的地层位置和分布，日本研究组分析了在南鸟礁附近进行的浅地层剖面数据，并将其与多波束声呐测深和波束振幅以及沉积岩芯样品的岩性和地球化学数据结合进行分析。

1 地质背景

研究区域是位于太平洋板块西部的南鸟礁周围海域，小笠原群岛以东约1 000 km处(图1)。根据磁性条带和生物地层学数据可知，该区域海洋地壳的年龄为150～160 Ma[10]。由于海洋地质的数据极其有限，本文根据现有材料，列出了初步的地层层位柱状图(钻孔编号参见图2)，含矿层位主要是粉红色的磷酸盐和沸石黏土，这些地层是在漫长的地质时期里在太平洋的不同区域形成的。

图1 日本南鸟礁周围海域地理位置示意图(虚线)Fig.1 Schematic diagram of the geographical location around the South Bird Reef in Japan(dashed line)

图2 研究区的地层柱状示意图Fig.2 Schematic diagram of the stratum of the study area

研究表明，使用Gplates软件重建的板块运动轨迹[11]显示，南鸟礁周围海域的洋壳起源于东南太平洋，然后向西北移动(图3)。来自南鸟礁周围海域内部和周围的DSDP/ODP钻场岩芯样品表明：75 Ma以前的洋壳沉积为硅质软泥，后期燧石构成了研究区域中的声学基底；75 Ma以后为远洋棕色黏土沉积。从约75 Ma到约25 Ma，南鸟礁所在板块穿过中北太平洋。日本认为富含REY的软泥沉积就恰好发生在这个时期(图3)，之后到达西太平洋。图3中的椭圆形为YASUH IRO等于2011年公布的富REY软泥沉积区域[12]。

上文描述的南鸟礁周围海域的板块运动历史意味着富REY软泥总是被在此区域中的非富REY沉积物所覆盖，并且因此富REY软泥有可能存在于比现在富REY软泥沉积区域更深的地层当中(图3)。因此，今后该区域富REY软泥的开发取决于富REY软泥位于海底浅部区域的地质图绘制。

图3 140 Ma以来南鸟礁的漂移路径重建Fig.3 Drift path reconstruction of the South Bird Reef since 140 Ma

2 研究方法

从日本的经验看，设备可以不是最先进的，高质量的成果来自精细的操作和细致的数据处理。2013～2015年，日本“Kairei”调查船的KR13-02和KR14-02航次以及“Mirai”调查船的MR13-E02第2航段、MR14-E02、MR15-E01第2航段、MR15-E01第3航段和KR14-02航次，均进行了浅地层剖面调查。

在仪器设备方面，调查航次使用了2种不同的浅地层剖面仪：Sea Beam 2112.004(SeaBeam仪器公司)和Bathy 2010(SyQwest公司提供)。仅在航次KR13-02期间用过多波束测深仪Sea Beam 2112.004，使用60 TR-109投影仪，在4 kHz频率下操作，以形成在前后方向上跨越45°、横向5°的发射波束模式。在其他航次期间使用Bathy 2010系统，在3.5 kHz下操作，并且其主能量以顶角约23°的锥体辐射。

通过对这些航次连续地运行回声测深仪并进行记录，获得了声波反射等原始数据，其基本覆盖了整个南鸟礁周围海域的上部沉积地层(图4)。图4(A)为7个研究航次的浅地层剖面轨迹;图4(B)为相应浅地层剖面图的水深。

图4 南鸟礁周围海域的水深图Fig.4 Water depth map of the sea around the South Bird Reef

数据处理中，研究人员首先使用多波束测深和波束强度数据来表征海底地形，这些数据是日本海岸警卫队于1998～2008年使用Sea Beam 210和Sea Beam 2112多波束回声测深仪在12 kHz频率下进行采集的，将其作为大陆架调查的一部分。研究组从OIKAWA和MORISHITA(2009年)报告的最初原始数据中去除了错误的探测，并以0.1弧分为间隔对数据进行网格化，基于1.74 km/s的震波速度计算沉积厚度。编制了如图5所示的地形图。图4中给出了图5和图6中所呈现的声学剖面的位置。

图5 南鸟礁周围海域多波束测深和波束振幅Fig.5 Multi-beam sounding and beam amplitude in the sea around the South Bird Reef

图6 各种声相类型之间的转换Fig.6 Conversion between various pan types

数据分析过程，基于反射面的形状和图案，结合测深数据，将浅地层剖面按照数据类型划分成3种不同的声相类型：非穿透型(O型)、透明型(T型)和分层型(L型)。其中，后两种声相类型富含一定浓度的稀土矿产资源。具体来讲，O型相是声学非穿透和高反射性的。这一相带仅在海山或其附近被识别，并且结构表明在沉积物表面以下没有发现沉积。声学特征与分布表明：O型相没有软沉积物覆盖的硬岩露头；T型相是声学透明的，在其上边界和来自下面声学基底的强反射物之间没有任何可见的内部结构(图5(A))。根据上边界的形态细分为不规则(TI)和平滑(TS)类型。TI型相具有不规则的上边界，其通常平行于声学基底的地形(图5和图6)；TS型相具有完全独立于基底地形的平坦上边界。两者除了上表面不同之外，其他完全相同。L型相的特征是具有多个反射面，通常是连续的并且平行于海底，但不总是与基底的形状一致。L型相总是覆盖在T型相特别是TS型相之上。

在图7(A)中，最上层位从L型改变为TS型。在过渡处，上覆的L型相逐渐变薄尖灭，并最终淡出。除了厚度变化之外，L型相在边界处的层状结构也变得模糊不清楚。因为L型相和TS型相的表面形态基本上相同(即平滑形态)，所以在两个声相之间的过渡处海底地形外观并没有显著变化。在图7(B)中，最上层位从L型改变为TI型(图幅的右侧)。与L型相和TS型相之间的过渡情况类似，上覆的L型相厚度也逐渐减小，并且在TI型和L型的过渡处分层结构也变得模糊。然而，TI型相和L型相的海底外观形态显著不同。在TI型相和L型相之间的衔接变化就反映了这个状况，海底地层从L型相区域中的平滑状态逐渐变化为TI型相的不规则状态，其上覆盖的L型相厚度也逐渐减小。在这两种过渡情况下(TS型/L型转变和TI型/L型转变)，TI相型和TS型相均没有显著变化(图6)。与TI/TS型相与L型相之间的逐渐变化相反，TI型相和TS型相之间的边界通常是尖锐和清晰的，海底地形急剧变化。此外，也应充分认识到，在这两个相的分界处，TI型相的海底地形总是高于TS型相的海底高程。

图7 SBP声相和多波束振幅的比较Fig.7 Comparison of SBP and multi-beam amplitudes

由浅地层剖面(SBP)识别的声相通常与多波束回声测深记录的波束振幅(即波束背向散射强度)有关。沿着浅地层剖面测线通过对经过滤波的振幅网格(5 km长度中值滤波器)采集数据，即可绘制波束振幅剖面图。如图7所示，TS型相和L型相显示为相对较低的波束振幅(<13.5 dB)，而TI型相以及O型相则是较高的波束振幅(高于13.5 dB)。一方面，L型相和TS型相之间的过渡，无法通过波束振幅来区分(图7(A))。另一方面，在TI型相和TS型相之间的过渡可以观察到波束振幅的急剧变化。值得注意的是，TI型到L型的过渡表现为波束振幅逐渐减小(图7(B)的右侧)，可能反映了海底地貌从不规则(TI型相)到平滑的(L型相)逐渐变化是与L型相的厚度增加有关。

3 声相特征与岩芯样品对比

为了识别对应T型声相和L型声相的沉积物类型，研究人员将这些声相与沉积岩芯样品的岩性和地球化学特征进行比对。共使用了T型相和L型相区域的11个活塞岩芯数据，但不包括3个非常短(≤3 m)的岩芯(KR13-02 PC01，KR14-02 PC01和PC03)[3]。岩芯来自早先南鸟礁周围海域深海钻探项目(DSDP 198A，1973)和海洋钻探计划(ODP 800A，1992)。这种对比之所以重要是因为可以将声学特征与实际海底岩性和地球化学特征建立直接的联系。

具体来讲，从T型相区域共获得7个活塞式岩芯。图8为相关区域回收的沉积岩芯，7个岩芯分别对应于3种声相类型，图8(A)为TI型相，图8(B)为TS型相，图8(C)为L型相。其中，3个岩芯(KR13-02 PC02，KR14-02 PC02和KR14-02 PC04)来自TI型相区域。岩芯的上部是棕色至深棕色黏土，由黏土矿物与少量石英和钙十字石组成；而下部由具有沸石和沸石黏土的深棕色黏土组成，其特征是钙十字石的含量有所增加(图8(A))。来自TI型相区域的活塞式岩芯的穿透深度相对较短(<10 m)。这是因为在岩芯的最上端存在较硬的成分，含有锰铁微粒或火山碎片(<～5 μm)。另外有4个岩芯(KR13-02 PC04、05、06和07)来自TS型相的区域，最上部分是深褐色和棕黑色黏土(图8(B))，由黏土矿物和少量石英组成。最上面的黏土层底部是褐黑色黏土，带有明显钙十字石含量的沸石或沸石黏土。在沸石黏土层的下面，岩芯中再次出现深棕色和棕黑色黏土。

KR13-02 PC05和PC06岩芯仅在最低部分发现了含有沸石或沸石黏土的棕黑色黏土。此外，在岩芯KR13-02 PC04、PC05和PC06中出现了含有磷酸盐的黏土和含有磷酸盐和沸石的薄层黏土，其特征是富含大量的生物磷酸钙(BCP)(图8(B))。这些富BCP层完全对应于高度富含/极其富含REY的软泥层。

从L型相区域回收了4个活塞式岩芯(KR13-02 PC03和MR13-E02 PC01、PC02和PC03)。在MR13-E02 PC01、PC02和PC03中，上部由具有硅藻(生物硅)的黄棕色至棕色黏土组成(图8(C))。然而，岩芯的下部主要是棕色至深棕色黏土，主要由黏土矿物和少量石英组成。在这些岩芯中，发现了交替出现的富含硅藻的岩层和富含黏土的岩层。此外，这些岩层当中还夹杂着主要由硅藻组成的许多浅色薄层，约有几厘米厚。L型相区域的岩芯中发现的这种分层结构导致了L型相中的多个反射面。在KR13-02 PC03岩芯中，由于岩芯衬层的损坏，缺乏部分样本，而无法完全观察岩芯浅部的岩性。岩芯的最上部是棕色黏土，由黏土矿物和少量的石英组成。然而，岩芯的较深部分是含有一定量的钙十字沸石的褐黑色黏土。KR13-02 PC03的较深部分的岩性特征类似于T型相区域的岩芯，而与L型相区域的岩芯不同。

从TI型相和TS型相的海底以下10 m内回收的岩芯，其REY总浓度超过400 ppm(图8(A)和图8(B))。这清楚地表明T型声相对应于富REY软泥。相比之下，来自岩芯MR13-E02 PC01、PC02和PC03(从L型相区域回收)的所有样品的REY总浓度小于400 ppm(图8(C))，表明L型相对应于非富REY沉积物。只有岩芯KR13-02 PC03的下部(也就是来自L型相区域)显示400～500 ppm的REY总浓度，这与上述样品的岩性特征一致(即，类似于T型相软泥)。

图8 沉积岩芯颜色、岩性和REY深度剖面Fig.8 Sediment core color,lithology and REY depth profile

MR13-E02 PC01、PC02和PC03的3个岩芯来自南鸟礁周围海域的北部，在回声图(图5(B))中发现数十米厚的L型相，具有清晰的分层结构。事实上，在大约15 m长的活塞岩芯中没有发现富REY软泥(图8(C))。但是，岩芯KR13-02 PC03发现了L型相和TS型相的过渡层，其上覆盖的L型相变薄(假定震波速度为1.74 km/s，约10 m厚)，层状结构变得不清晰(图6(A))。据此，研究人员认为活塞岩芯穿透了L型相薄层并且采样到了下面的富REY软泥(T型相)。

经过对比分析，认为T型相海底软泥富含稀土元素，由于板块的漂移，其沉积发生在中北太平洋。声相特征和沉积物岩性与稀土元素地球化学的比较可证实：T型相对应于富REY软泥，L型相对应于非富REY沉积。此外，综合考虑岩性/地球化学结果以及自75 Ma以后的南鸟礁的重建路径(在黑矽沉积结束后)(图2)，可认为T型相(富REY软泥)和L型相(上覆的非富REY沉积物)分别对应中北太平洋的深海泥沉积和北太平洋西缘的半远洋沉积。

4 声相分布图

声相分布图是声相学探测的成果汇总图件，可以直观反映海底的基本情况。日本研究人员在该研究中沿着测线绘制了海底的不同声相(图9(A))。图9(A)为包含浅地层剖面测线轨迹下方声相的波束振幅图，图9(B)是研究中使用沉积岩芯的位置和声相分布的水深图，其中的未着色区域代表O型相。如上所述，将声相与回声测探结果进行比较显示，TI型相的特征在于波束振幅相对较高，而TS型和L型相则波束振幅较低。在此基础上，再使用海底形态和波束振幅图(图4)在测量线之间进行插值分析，从而建立整个研究区域的相图分布(图9(B))。

图9 波束振幅图及水深Fig.9 Beam amplitude map and water depth

将测线下观测到的声相和波束振幅纳入考虑范围，研究人员首先提取了海山的顶部和斜坡，因为这些可归类为O型相，对应没有软沉积物覆盖的硬岩露头。接着，提取波束振幅显示较高的区域，其对应观察到的TI型相区域。最后，将其余区域作为L型相或TS型相区域。由于这两个声相不能基于回声测探结果来区分，所以只能基于浅地层剖面数据来确定L型相和TS型相之间的边界。

如图9(B)所示，南鸟礁周围海域南部和东南部的大部分海底由T型相构成，而这一相带只在北半部的一小部分区域内出现。这些声相几乎全部是TI型。TS型相仅出现在研究区南部的一小块面积中，尽管研究人员不能排除L型相区域内存在其他小块TS型相的可能性(两个声相的特行都是低波束振幅，因此是不易区分)。

如上所述，TI型相的上边界与声学基底的地形大体平行，这与TS型相的情况完全不同(图6和图7)。此外，在TI型相和TS型相的交接处，TI型区域的海底地形总是高于TS型(图7(B)和图7(C))。这启发我们思考TI型的不规则表面可能代表了原始地形，而TS型相的平滑表面则是由TI型相侵蚀后产生。因为TI型相和TS型相都被L型相覆盖，所以认为侵蚀发生在L型声相的沉积之前。

L型相广泛地暴露在研究区域的北半部和西部海底。如上所述，这一相带始终覆盖T型相(图6(A)、图7(A)和图7(B))。这与从板块重建推断的地层序列一致(图2)，其中沉积在太平洋中心区域的富REY软泥总是被沉积在当前南鸟礁位置的非富REY沉积物所覆盖。在研究区域的部分中不存在L型相，可能说明L型相沉积期间或沉积之后发生了区域性的沉积间断/侵蚀。

因此，在南鸟礁周围海域的南部和东南部广泛存在T型，且没有L型覆盖(图9(B))，富REY软泥存在于浅部地层(约小于10 m)。据此，研究人员建议这些区域应成为今后在南鸟礁周围海域开发富REY软泥的主要目标区域。此外，L型相的区域也存在富REY软泥，但可能埋藏较深，因为L型相(非富REY沉积物)总是覆盖在T型(富REY软泥)之上。