重磁方法在海底热液硫化物勘探中的应用研究
杨永，姚会强，邓希光
(广州海洋地质调查局，广东 广州，510760)
摘要：海底热液多金属硫化物的发现已成为继多金属结核和富钴结壳之后在海底矿产勘查方面的又一重要发现。就勘探方法而言，重磁方法在热液硫化物勘探中发挥着重要作用。本研究从重磁调查方式、数据处理及热液硫化物的重磁异常特征3个方面总结了重磁方法在热液硫化物勘探中的应用。通过分析前人研究成果，形成以下几点认识：(1) 磁法测量主要采用海底拖曳调查，重力测量主要采用海底站点观测方式，海底拖曳重力测量目前运用较少，但具有一定的应用前景；(2) 磁化强度反演中，海水及沉积层的重力异常影响校正是重磁数据处理的关键；(3) 海底热液硫化物区在磁化强度反演结果上多表现为等轴状低值异常，在剩余基底布格重力异常上表现为局部重力高异常，这是重磁方法在热液硫化物勘探方面的2个重要找矿标志；(4) 就找矿效果来说，磁法勘探优于重力勘探，故其在热液硫化物勘探方面的应用前景更好。总之，重磁方法在海底热液硫化物勘探中能够发挥重要作用，特别是磁法勘探，不仅在活动热液区勘探中能够发挥作用，而且能够在非活动热液区的勘探中发挥一定作用。
关键词：热液硫化物；拖曳调查；磁化强度；局部重力；反演
中图分类号：TD982 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S2-0127-08
Application of gravity and magnetic methods in exploration of seafloor hydrothermal sulfide
YANG Yong, YAO Hui-qiang, DENG Xi-guang
(Guangzhou Marine Geological Survey Bureau, Guangzhou 510760, China)
Abstract: Following the discovery of polymetallic nodules and cobalt-rich crust, seafloor hydrothermal polymetallic sulfide has become another important discovery of seafloor resource exploration. Gravity and magnetic investigation play a significant role in hydrothermal polymetallic sulfide exploration, therefore, the application of gravity and magnetic methods in hydrothermal sulfide exploration was summarized in three aspects: survey means, data processing and gravity and magnetic anomalies characters of seafloor polymetallic sulfide deposit. According to previous studies, some suggestions are obtained and followed as below: (1) Deep-towed survey has widely been used in magnetic survey, but rarely in gravity survey, which is mainly by seafloor site survey. However, it is inferred that deep-towed gravity survey will be widely used in the future. (2) The magnetization inversion and gravity correction of sea-water and sediment layer is crucial to the data processing. (3) Low circular magnetization and high local residual gravity are two important characteristics of seafloor hydrothermal polymetallic sulfide area. (4) Magnetic is better than gravity in hydrothermal sulfide exploration. Therefore, gravity and magnetic methods can play an important role in hydrothermal sulfide exploration, especially magnetic method, which is useful in active and non-active area.
Key words: hydrothermal sulfide; tow survey; magnetization; local gravity; inversion
自1948年瑞典科学家利用“信天翁号”(Albatross)科学考察船在红海中部的Atlantis II深渊附近发现了海底热液活动的存在以来，各国科学家先后在东太平洋靠近厄瓜多尔的Galápagos扩张中心、Gorda洋脊、Juan de Fuca洋脊、Explorer洋脊、大西洋中脊等区域发现了众多热液活动区及相关的多金属硫化物。海底热液多金属硫化物已成为人类继多金属结核、富钴结壳之后海底资源勘查方面的又一重要发现[1]。
海底热液多金属硫化物主要指闪锌矿、黄铁矿、黄铜矿及磁黄铁矿等，其围岩及基岩主要为大洋玄武岩，或被沉积层覆盖。就密度而言，热液硫化物较玄武岩要大，其中，黄铁矿密度为4.9~5.2 g/cm3，黄铜矿密度为4.1~4.3 g/cm3，磁黄铁矿密度为4.3~4.8 g/cm3，而玄武岩密度为2.6~3.3 g/cm3[2]。另外，若热液硫化物区域存在较厚沉积层且厚度变化较大，则密度差异更大。就磁性而言，年轻洋壳的磁化强度主要是由喷发的玄武熔岩引起的。这主要是由富含铁的钛磁铁矿颗粒产生的热剩余磁化强度引起的，该富钛磁铁矿易于蚀变。形成海底热液喷发系统的酸性流体易蚀变该富铁磁铁矿物，从而降低地壳岩石的磁铁矿含量，甚至降低为0。因此，海底热液喷发系统可能位于孤立的蚀变地壳之下，该蚀变地壳的磁化强度较未蚀变地壳要低[3-4]。热液硫化物与其围岩(玄武岩)或沉积层之间密度和磁化强度的差异正是利用重、磁方法进行海底热液硫化物勘探的物性基础。
1 重磁调查及处理方法
目前获取的海洋重、磁力数据主要有卫星测高重力数据、航空磁测数据、船测重磁数据。就数据精度而言，船测重磁数据明显高于前2种；就海底热液硫化物勘探而言，主要采用船测方式。而船测重、磁数据的获取主要有3种方式，即海平面测量、海底拖曳测量，海底站点测量(主要用于重力调查)。
波长(长度)为L的二维地质体产生的重、磁异常信号，随z增大按照exp(-2πz/L)衰减(z为场源体上的观测高度)。因此，当一个狭长的地质体的波长(长度)比水深小时，此地质体在海平面产生的异常会被明显削弱，故在海面上进行重磁观测时很难探测到此地质体。海底热液硫化物矿床规模往往比较小，其波长多数情况下比水深小，故海平面重、磁数据很难满足勘探需求；而当水深较大时，海底站点测量难度较大。因此，磁法测量主要采用海底拖曳调查，重力测量主要采用海底站点观测方式，海底拖曳重力测量目前运用较少，但具有一定应用前景。图1所示为海底拖曳装置，深海拖曳设备主要由磁力仪、重力仪和导航装置组成。重力仪(图2)和磁力仪都通过1个通信接口(即深海装置接口或DSII)配置有连接船的直径为1.73 cm的铠装电缆。通信控制系统、重力和磁力数据以及声纳导航信号多路传达通过电缆连接到仪器上。DSII(Deep Sea Instrument Interface)导航装置包携带多路器和能量分离电子设备沿着声学信号应答器(频宽为10~12 KHz)进行拖曳传感器导航。声学应答器被安置在观测区域内的海底，与DSII上的传感器来交换信号并提供装置包的精确导航。此装置包还携带1个CTD包。海底之上设备的高度是通过1个安置在DSII上3.5 kHz的向下的回音装置进行测量的。通过记录压力并转换为深度来确定仪器的高度[4]。
图1 海底拖曳装置图[4]
Fig.1 Sketch map to seafloor tow configuration
2 重磁力数据处理
2.1 磁力数据处理
为清楚反映热液硫化物的磁异常特征，需对研究区的磁异常数据进行各种处理和反演计算，得到该区的磁化强度分布图。其处理流程如下。
(1) 对原始磁异常数据进行相关预处理(日变校正、正常场及高度校正等)，得到磁异常数据，并对原始磁异常数据进行网格化处理。
图2 海底拖曳重力仪结构简图[5]
Fig.2 Diagram showing major exterior components of towed gravity meter
(2) 对磁异常数据进行化极处理(在低纬度地区采用低纬度化极处理技术)，得到化极磁力异常数据。
(3) 密切结合研究区地质情况，对化极磁力异常数据进行不同高度向上延拓处理的对比分析，选取合理延拓高度的磁异常，将其作为磁化强度反演计算的基础数据。
(4) 进行磁化强度反演计算，目前主要采用频率域(傅里叶变换)迭代反演方法[6]。迭代反演公式如下：
其中：
；M为磁化强度；A为z0高度上的实测磁异常；h0为磁性层的厚度(假定磁性体为固定厚度的层状体，其上表面为基岩)；F表示傅里叶变换。
2.2 重力数据处理
重力异常往往是多种地质体产生的重力异常的叠加，为了得到多金属硫化物矿体产生的重力异常，需要对原始数据进行相关处理，以消除各种重力影响，其处理方法较复杂。具体流程如下：
(1) 对原始数据进行正常场和高度校正，得到自由空间重力异常；
(2) 对自由空间重力异常进行海水校正，消除海水影响，并进行地形校正，得到布格重力异常；
(3) 若研究区沉积层较厚，且厚度分布不均匀，需消除沉积层的影响，得到基底布格重力异常；
(4) 结合地质情况，对基底布格重力异常进行位场分离(通常采用向上延拓方法)，消除区域重力异常，得到仅由多金属硫化物矿体产生的剩余基底布格重力异常。
3 海底热液硫化物的重磁异常特征
3.1 磁力异常特征
3.1.1 Middle Valley多金属硫化物区
Middle Valley位于美国Vancouver Island以西约150 km，是Juan de Fuca 洋脊最北部的一段，为少数几个被沉积物覆盖的扩张中心。在该区存在3个主要的热液硫化物区域，分别为AAV(Area of Active Venting)，Bent Hill和距离Bent Hill南部约300 m处单独的1个喷发点。其中，Bent Hill是一个被抬升的向东翘起的地块，表层覆盖有半固结的沉积物。在Bent Hill南部有1个显著的块状硫化物丘，高约30 m，直径大于100 m[4]。
Gee等[4]对Middle Valley的海底拖曳磁测数据进行了相关处理(化极、延拓等)，利用延拓磁异常进行磁化强度反演计算。化极磁异常结果如图3所示。从图3可见：高磁异常刚好位于BHMS堆积体之上，最大值为525 nT。图4所示为用于磁异常反演的沉积-基底界面等深图和磁化强度反演结果图。磁化强度反演结果(图4(b))显示，在Bent Hill硫化物堆积体周围区域，其磁化强度接近零(小于3 A/m)，表明此区域在矿床形成过程中热液蚀变程度较高。Dead Dog热液场之下的磁化强度也很低，它可能比Bent Hill之下的磁化强度要高(其值为6 A/m)，这在某种程度上反映了基底岩石的热液蚀变程度较低。此外，Dead Dog热液场(站点858) 之下的基底磁化强度较站点857附近的低。虽然这2个站点目前的热液蚀变条件相同，但站点858较低的磁化强度可能反映了蚀变程度更强烈。
图3 Bent Hill附近的高精度近海底化极磁异常图[4]
Fig.3 High-resolution near-bottom magnetic anomaly data near Bent Hill area
此外，Tivey等[7]对整个胡安德富卡热液区进行了磁化强度反演计算，反演结果如图5所示。已知的热液点都表现为近圆形的磁化强度低值区，如DANTE-GROTTO，BASTILLE和RELICT FIELD等均表现为磁化强度低值，但Hulk-Crypto区例外。这几个磁化强度低值区具有以下几个特点：
(1) 与热液喷发区有很好的对应关系；
(2) 大多数异常形状近圆形；
(3) 磁化强度低不仅与活动热液喷口有较好的对应关系，也与非活动热液喷口对应较好，这表明低磁化强度主要是由热液蚀变引起的；
(4) 这些磁化强度低值区彼此孤立，有较清晰的边界。
Hulk-Crypto热液喷发区并未表现出低磁化强度，Tivey等[7]指出这可能是热液上升流规模小，且蚀变程度程度不高造成的，此处热液流也可能来自附近的Dante-Grotto热液区，而非发育其下的地壳中，且热流温度较低，在330~350 ℃之间。这表明热液蚀变区并非都在其所处位置发展起来的，Hulk-Crypto热液区相对比较年轻，尽管其形态上已经是一个成熟的喷发结构，但还没有发展为一个根系统。
3.1.2 TAG多金属硫化物区
TAG热液场是位于大西洋洋脊的大西洋断裂带(30°N)和Kane断裂带(24°N)之间的扩张段。中心区在26°08′N和26°11′N之间，向西凸出约3 km，靠近无沉积物覆盖洋中脊裂谷东壁的谷底，是大西洋慢速扩张裂谷中主要的活动和非活动火山热液作用区。
图4 用于磁异常反演的沉积-基底界面等深图(a)和磁化强度反演结果图(b)[4]
Fig.4 Contour map of sediment-basement interface used for magnetic inversion (a) and contour map of magnetization inversion result (b)
Tivey等[8]对TAG活动热液区的近底磁异常数据进行相关处理和磁化强度反演，得到该区的磁化强度反演结果(如图6所示)。研究结果显示，在已发现的热液活动的区域(图中十字标识位置)西南100 m附近，其磁化强度接近于零，整个TAG岩丘均表现为低值，且向南延伸。TAG岩丘以北表现为明显的高磁化强度区，这表明此处可能存在熔岩流。
图5 胡安德富卡洋脊磁异常及其反演结果[7]
Fig.5 Magnetic anomaly and result of inversion of Juan de Fuca Ridge
图6 TAG热液区磁异常及其反演结果[8]
Fig.6 Magnetic anomalies and results of inversion of TAG hydrothermal area
3.1.3 西南印度洋洋中脊A区
西南印度洋洋中脊(SWIR)长约8 000 km，其西端为布维三联点(Bouvet Triple Junction，BTJ)，东端为罗得里格斯三联点(Rodrigues Triple Junction，RTJ)，构成了非洲板块和南极洲板块之间的主要边界，其扩张速率非常缓慢。我国在西南印度洋洋中脊发现了多个热液异常证据，并在A区发现了世界上首个超慢速洋中脊活动的热液喷口[9]。
Zhu等[10]对西南印度洋洋脊A区磁异常进行了磁化强度反演，其反演结果如图7所示，图中表明Mound 2及邻区存在低磁化强度带(Low crustal magnetization zone, LMZ)，LMZ面积可达6.7×104 m2。结果还显示：Mound 2处磁化强度明显比Mound 1的低，这表明前者的热液蚀变程度要高于后者。
对TAG、西南印度洋洋中脊A区及胡安德富卡热液区几个热液点(New Field，Dante-Grotto，Bastille和Relict Field)磁化强度反演结果的对比分析(图7(f)、图5(c)、图6(d))后可以看出：热液点在磁化强度图上多表现为近等轴状的低磁化强度区，这正是磁法勘探在热液硫化物勘探中的一个重要找矿标志。
3.2 重力异常特征
3.2.1 Middle Valley多金属硫化物区
Ballu等[11]对Middle Valley热液区的海底和海平面重力数据进行相关处理后，得到了该区的剩余基底布格重力异常图，如图8所示。结果显示了3个主要的重力高异常：
异常A， Bent Hill之上为一重力高异常(此站点已钻遇高密度块状硫化物)，该异常与Tivey等[12]的海底磁测结果和Nobes等[13]的海底电磁调查结果对应较好。
异常B，东部断裂底部此解释结果与该处其他3个观测结果相吻合：(1) 接近断裂处有一强高热流异常，表明热液流带的存在[14]；(2) SeaMARC IA影像上显示为一个高反射区(黑点)[15]，表明沉积层表面物质特征的变化。(3) 多道反射剖面显示存在高海底反射系数，Rohr等[16]将其解释为热液蚀变；异常C，沿着南北走滑带，向西的断裂，谷内地堑边界，这个解释结果与Rohr等[16]的多道地震数据分析结果(揭示沿主断裂海底反射系数较高)一致。
3.2.2 TAG多金属硫化物区
Evans等[17]对穿过TAG多金属硫化物区的海底重力剖面进行相关处理，处理结果显示在该硫化物丘之上，出现约2 mGal的重力高异常，之后利用该数据进行了模型分析，模型分析结果(如图9所示)显示在TAG区域有一热液硫化物矿体(图9(b))。
可以看出：热液硫化物矿体在重力异常上多表现为局部重力高异常，这是重力勘探在热液硫化物矿床勘探中的1个重要找矿标志。
图7 西南印度洋洋脊A区磁异常及其反演结果[10]
Fig.7 Magnetic anomaly and result of inversion of A hydrothermal area in Southwest India Ocean Ridge(SWIR)
图8 海底地形起伏三维图(图中A、B和C为三个重力异常高)[11]
Fig.8 Southward looking 3D view of the bathymetry, A, B and C are three residual gravity anomalies
图9 穿过TAG的重力异常剖面及反演结果
Fig.9 Gravity anomaly profiles and its inversion results profile across TAG
4 结论
(1) 磁法测量主要采用海底拖曳调查，重力测量主要采用海底站点观测方式，海底拖曳重力测量目前运用较少，但具有一定应用前景。以上调查手段数据精度能够满足热液硫化物勘探需求。海平面重磁测量应用也较为普遍，但其精度难以满足热液硫化物勘探要求。
(2) 磁化强度反演中，海水及沉积层的重力异常影响校正是重磁数据处理的关键，磁化强度反演目前主要采用频率域(傅里叶变换)迭代反演方法。
(3) 海底热液硫化物区在磁化强度反演结果上多表现为等轴状低值异常，在剩余基底布格重力异常结果上表现为局部重力高异常，这是重磁方法在热液硫化物勘探中的2个重要找矿标志。
(4) 就找矿效果来说，磁法勘探优于重力勘探，故磁法勘探在热液硫化物勘探方面的应用前景更好。
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(编辑 何运斌)
收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15
基金项目：国际海底区域研究开发“十五”项目(DYXM115-2-1-06，DYXM115-2-1-07)
通信作者：杨永(1982-)，男，陕西渭南人，硕士，助理工程师，从事海洋地球物理研究；电话：020-82020229；E-mail：yong0913029@163.com
