深海拖曳式瞬变电磁的响应规律

周胜^{1, 2}，席振铢¹，宋刚²，李波³，左立标³，侯海涛²

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；

2. 长沙五维地科勘查技术有限责任公司，湖南 长沙，410205；

3. 北京先驱高科技开发公司，北京，100081)

摘要：通过分析深海堆积型热液硫化矿的电性特征，建立探测深海热液金属硫化物矿床地电模型；运用瞬变电磁全空间理论计算方法，模拟计算深海热液金属硫化物矿床瞬变电磁响应，为设计深海拖曳式瞬变电磁系统提供依据。计算结果表明：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，响应幅值显著增加；拖曳高度严重降低了低阻矿化层的瞬变电磁响应幅值；随着拖曳高度的增加，低阻矿化层的异常响应向后延迟并迅速衰减，当拖曳高度超过50 m时异常响应将难以分辨；在一般情况下，在 1~100 ms时窗内可以探测到海底金属硫化矿层引起的异常。

关键词：拖曳式瞬变电磁；深海热液硫化矿；拖曳高度；观测时窗

中图分类号：P319.1⁺2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)02-605-06

Responses of the towed transient electromagnetic sounding on deep seafloor

ZHOU Sheng^{1, 2}, XI Zhen-zhu¹, SONG Gang², LI Bo³, ZUO Li-biao³, HOU Hai-tao²

(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;2. Changsha 5D Geo-survey & Technical Co. Ltd., Changsha 410205, China;

3. Pioneer Hi-Tech Research & Development Inc. Beijing, Beijing 100081, China)

Abstract: By analyzing the electrical characteristics of the deep-sea hydrothermal sulfide ores, an electrical model was established. The transient electromagnetic (TEM) response to the model was computed according to the theory of the TEM response in full-space, which provided a basis for the deep-sea towed TEM system. The results show that the TEM responses to models in deep-sea are similar in the curve shape to that on the earthground, while the amplitude increases significantly. The towing height seriously reduces the TEM response to the mineralized low-resistivity layer. The abnormal response delays and decreases rapidly when the towing height increases. It is difficult to distinguish the response when the height is more than 50 m. Generally, it is possible to distinguish the response to the mineralized low-resistivity layer within 1-100 m window.

Key words: towed transient electromagnetic; deep-sea hydrothermal sulfide ores; towed height; observation time window

海底热液硫化物矿是继发现锰结核后的又一种海底矿产资源，赋存于水深1.2~3.7 km的热液活动区，富含Cu，Zn，Pb，Ag，Au，Co，Cd和Mn等金属，主要分布在环太平洋构造带中的西太平洋，以及西南太平洋的弧后扩张盆地、东太平洋海隆和大西洋洋中脊区域，堆积在长度为数百米、宽度为近百米的范围内，品位高、埋深浅，资源开发前景广阔，已成为各国海洋资源调查的重点之一^[1]。针对深海堆积型热液硫化矿床的特定环境，实施“快速、有效、便于实施”的深海拖曳式瞬变电磁探测系统十分必要。深海拖曳式瞬变电磁是借鉴陆地瞬变电磁法(Transient electromagnetic methods)，具有快速、有效和便于实施的特点，其整个系统主要包括工作船、水下仪器舱拖体单元和水下发射及接收线圈拖体单元3部分。Edwards等^[2-5]利用电偶源瞬变电磁偶极偶极方法进行了海底电导率填图，开创了海洋瞬变电磁的先河；刘长胜等^[6]计算了海水为均匀半空间的瞬变电磁响应；李慧^[7]计算了浅海瞬变电磁垂直偶极子和中心回线装置的响应曲线，并与陆地情况对比分析了海水对感应电动势的影响；Li等^[8]对浅海瞬变电磁法进行了一维数值模拟，研究了天波对时间域可控源电磁(CSEM)响应的影响。在此，本文作者建立深海热液金属硫化物矿床的地电模型，运用瞬变电磁全空间理论计算方法，模拟计算深海瞬变电磁响应，总结其规律。

1  深海堆积型热液硫化矿的电性模型

在深海环境中，海底堆积型热液硫化矿被海水包围，其主要围岩为海底沉积物、碎玄武岩和完整玄武岩。深海近海底水温基本保持在2~4 ℃。根据Accerboni等^[9]提出的海水电导半经验估算公式可以得到深海近海底海水的电导率变化范围为3.2~3.4 S/m。海底沉积物、碎玄武岩和完整玄武岩的电导率主要取决于孔隙度、渗透率、温度、年代和各向异性等因素，其变化范围分别为0.750~2.00，0.100~0.500和0.030~0.001 S/m(表1)。海底热液硫化矿电导率变化范围为0.800~10.000 S/m，这取决于矿物类型、金属含量、温度和孔隙密度等因素。但在通常情况下，堆积型热液硫化矿的电导率大约是海水的3倍，是海底沉积物和基岩的5倍多，具备基于电导率为基础的电法勘探的物性条件，可以运用瞬变电磁法等方法方法有效探测深海堆积型热液硫化矿。海水的浸泡作用使得近海底电性比裸露在空气介质中近地表电性均匀得多。根据海水电导率和深海堆积型热液硫化矿及其围岩电性特征，以及深海堆积型热液型硫化矿的分布特征，可以建立如图1所示的近似层状地电模型。

表1  海底岩矿石电导率

Table 1  Conductivities of rocks on seafloor

图1  深海堆积型热液硫化矿电性模型

Fig.1  Electrical model of deep-sea hydrothermal sulfide ore deposit

2  深海瞬变电磁计算方法

深海环境中瞬变电磁传播是一个全空间过程，见图2。当水平发送回线处于深海环境时，电磁波既向海底地层中传播，也向上在海水中传播，由于海水不同于空气，其电阻率低，感应产生二次场很强，因此，海水感应的二次场的影响是不可忽略的。Krivochieva等^[10-11]讨论了层状介质中瞬变电磁全空间计算方法，借鉴其计算方法，分析深海环境下瞬变电磁场的传播过程(见图2)，建立深海堆积型热液硫化矿层状的电性模型(见图1)，模拟计算拖曳式深海瞬变电磁响应。需说明的是：深海拖曳式瞬变电磁发送回线的面积是有限的，相对于在深海水平方向上有100 m延伸的硫化物矿床，发送回线的面积小得多，可以将深海硫化物矿床简化为层状模型进行模拟计算。

如模型4，当发射源位于海水中的第i分层时，矢量位A^*在每一层介质中都满足亥姆霍兹方程^[12-16]，并且A^*只有Z分量。

图2  全空间瞬变场的传播示意图

Fig.2  Diagram of whole space transient spread

图3  瞬变电磁全空间层模型

Fig.3  Whole space layer model of transient electromagnetic

           (1)

则：

 (2)

其中：j为层数；P_M=ISN为磁偶极距；I为发射电流；S为发射线圈面积；N为发射线圈匝数；C_j和D_j为待求系数，，。当z→-∞时，D₁=0；当z→∞时，C_n=0，根据边界条件：

            (3)

建立方程组，可以求得，j=1，2，3，…，n；Z⁽⁰⁾=Z₀；Z⁽⁵⁾=Z₅；

m=1，2，…，i-1            (4)

k=i+1，i+2，…，n-1           (5)

    (6)

     (7)

  (8)

由快速汉克尔变换^[14]计算频率域电磁场H_z，用余弦变换多项式法计算。

3  深海拖曳式瞬变电磁响应规律

建立一维深海地电模型，如图1所示。取导电率σ₀=0.000 01 S/m，深度h₀→-∞；σ₁=3 S/m，h₁=2 km；σ₂=3 S/m；σ₄=0.1 S/m，h₄=500 m；σ₅=0.002 S/m，h₅→∞，I=10 A，发送回线半径为5 m，回线匝数50匝，采用重叠回线装置。当发射源位于海底即h₂=h₃=0 m，不存在低阻热液硫化矿层时，得到深海瞬变电磁响应曲线和不考虑海水影响的瞬变电磁响应如图4所示。从图4可以看出：海水的作用对瞬变电磁响应曲线形态影响较小，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，响应幅值增大，尤其是在晚延时阶段，深海瞬变电磁相比无海水情况的瞬变电磁响应幅值增加了近2个数量级。当发射源位于海底且存在硫化矿层时，取h₂=0 m，h₃=20 m，得到如图5所示的瞬变电磁响应曲线。从图5可见：深海瞬变电磁响应与不考虑海水影响的瞬变电磁响应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响应幅值显著增强，为不考虑海水情况的2倍多，海洋与不考虑海水影响的瞬变电磁响应在1~100 ms时窗内，异常基本一致。

图4  无矿层瞬变电磁响应对比曲线

Fig.4  Contrast response curves of transient electromagnetic sounding

图5  含矿层时瞬变电磁响应对比曲线

Fig.5  Contrast transient electromagnetic response curves of hydrothermal sulfide ores

4  拖曳高度对瞬变电磁响应的影响规律

如图1所示，取电导率σ₀=0.000 01 S/m，深度h₀→-∞；σ₁=3 S/m，h₁=2 000 m；σ₂=3 S/m；h₂=H(H为拖曳高度)；σ₃=10 S/m，h₃=20 m，σ₄=0.1 S/m，h₄=500 m；σ₅=0.002 S/m，h₅→∞，发送回线半径为5 m，回线匝数50匝，采用重叠回线装置。当发送回线位于海底即H=0 m时，硫化矿层的异常响应非常明显(见图6(a))，从早延时到大约100 ms的观测窗口都可以观测到低阻矿层的深海瞬变电磁响应，比深海背景场响应(即不存在低阻热液硫化矿层是的瞬变电磁响应)高2~3倍；随着拖曳高度的增加(见图6(b)，(c)和(d))，深海低阻矿层的瞬变电磁异常响应向后延时，并迅衰减速接深海背景场。拖曳高度在0~100 m范围内变化，对29.75 ms时间道进行抽道，如图7所示。从图7可见：随着拖曳高度的升高，深海低阻层瞬变电磁响应与深海背景场迅速接近。理论上，随着拖曳高度的增加，通过延时观测可以达到探测海底硫化矿的目的，但是，海水的电阻率极低，电磁波的衰减严重，当拖曳高度超过50 m时，异常响应幅值只有约为背景   场值的7%，已经相当微弱。为了突出海底浅部硫化矿层的异常特征，拖曳高度应尽量接近海底，不宜超过50 m。

图6  不同拖曳高度下深海瞬变电磁响应对比曲线

Fig.6  Contrast of transient electromagnetic responses to different towed heights

图7  不同拖曳高度下29.75 ms含矿层瞬变电磁响应

Fig.7  Transient electromagnetic response of different towed heights at 29.75 ms including ore layer显示对应的拉丁字符的拼音

5  深海拖曳式瞬变电磁响应的时窗范围

在图1中，设参数与前面的相同，拖曳高度H是可变的，当拖曳高度H为10 m和50 m时含矿层与海洋背景瞬变电磁响应对比曲线如图8所示。通过分析图8发现：海水的影响使得瞬变电磁响应在小于关断延时1 ms时，难以与海洋背景场相区分；从关断5 ms左右开始，逐步显示热液硫化矿层的异常，据此可以清楚地分辨硫化矿层异常响应；关断100 ms以后，瞬变电磁响应又逐渐趋于海洋背景场，难以分辨热液硫化矿层的异常响应。可见：针对深海热液硫化矿，深海拖曳式瞬变电磁测深最佳观测窗口为1~100 ms时窗。

图8  不同拖曳高度下深海瞬变电磁响应曲线

Fig.8  Transient electromagnetic responses to different towed heights

6  结论

(1) 深海与无海水瞬变电磁相比，响应衰减曲线的形态相似，但前者明显衰减缓慢且响应幅值明显增强。

(2) 拖曳高度对海洋瞬变电磁探测的影响不可忽略。随着拖曳高度的升高，低阻层的异常响应向后延迟，并迅速衰减，最后几乎淹没在海洋背景场中。当拖曳高度超过50 m时，异常响应极其微弱，在实际应用中将难以观测。为了探明深海热液硫化矿，深海拖曳式瞬变的拖曳高度应低于50 m。

(3) 海水的存在使得深海瞬变电磁衰减缓慢，在拖曳高度不高于50 m时，为了突出深海热液硫化矿的瞬变电磁响应，拖曳式瞬变电磁的观测时窗应满足涵盖关断后延时1~100 ms的时间窗口。

致谢：承蒙牛之琏教授和鲍光淑教授对本文提出了宝贵的修改意见，在此致以诚挚的谢意！

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-02-22；修回日期：2011-04-18

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAB01B07)

通信作者：席振铢(1966-)，男，内蒙古商都人，副教授，从事地球物理电磁法理论及应用研究；电话：13873150690；E-mail：xizhenzhu@163.com