海底大型多金属硫化物矿体内的流体过程

海底多金属硫化物矿体内热场和流场分布控制着多金属硫化物矿体的形成过程和成矿机制.在大洋钻探计划(ODP)和已有模拟实验研究的基础上,构建了一个具有三层结构的非均质海底多金属硫化物矿体模型,并利用地下热水系统体系模拟软件(Hydrothermal)模拟了不同渗透率情况下多金属硫化物矿体内部热场和流场的形态特征.模拟结果表...     

海底热液多金属硫化物分布及控矿因素

基于最新公布的全球热液矿点数据讨论了海底热液多金属硫化物矿体形成的构造环境,探讨了深部岩浆活动、断裂构造以及沉积物盖层等控矿因素对洋中脊多金属硫化物矿体成矿的影响。研究结果表明:海底热液多金属硫化物矿点主要分布于离散型板块边界和汇聚型板块边界;深部岩浆活动和断裂构造是洋中脊热液多金属硫化物成矿最主要的控矿因素;快、慢扩张洋中脊环境深部岩浆活动和断裂构造的差异导致在海底形成了不同规模的多金属硫化物矿体。对认识海底热液多金属硫化物矿床分布与成矿规律、以及开展海底多金属硫化物资源勘查具有一定的指导意义。     

电磁方法在海底多金属硫化物探测中的应用

海底硫化物矿体的三维展布是当前大洋调查急需解决的关键问题,在陆地上电磁方法一直是解决矿产资源三维问题的重要手段之一。2011年我国自主研发了调查海底多金属硫化物的瞬变电磁设备,并于2011年6月在中国大洋第22航次第5航段中的大西洋中脊“贝利珠”热液区( 13.2°S、14.4°W)进行了试验,取得了我国首批海底热液区的瞬变电磁资料。本文对这批资料进行初步分析,阐述一种新的海底硫化物探测方法及其试用结果,得到的视电阻率断面与热液区的实际有很好的对应关系,从2条测线的实测结果来看,设备的探测深度达到海底面以下50~100 m。在本次试用过程中,较好验证了自主研发的深海瞬变电磁设备、获得的数据以及探测深度的可靠性。     

深海多金属硫化物瞬变电磁激电效应初探

瞬变电磁法是深海多金属硫化物勘探的有效手段。海底多金属硫化物中高品位的金属组分会引起极强的激电效应，且对瞬变电磁响应产生显著影响。本文通过实验室测量和数值模拟对深海多金属硫化物的激电效应进行了探讨和分析。首先对西南印度洋中脊热液区的岩矿石样品进行了较为系统的电性测试，典型硫化物的复电阻率在频率域有最大达160 mrad相位移动，时间域与频率域的测量结果表明，极化率参数可以很好地区分硫化矿物与围岩。利用Cole-Cole模型对实测复电阻率进行解释，得到复电阻率的特征参数，分析各参数与块状硫化物组分和结构的关系，并根据极化率参数对典型硫化物进行了分类。将典型硫化物的激电参数用于计算层状介质的瞬变电磁响应，计算结果表明，在海底多金属硫化物矿床瞬变电磁法响应的最佳观测时窗内可同时观测到激电效应的影响。虽然在采集时窗晚期瞬变响应发生畸变，但在信号接收早期，激电效应能有效增强瞬变电磁法对深海多金属硫化物的探测能力，为瞬变电磁实测数据提供解释依据。     

复杂地形结构下瞬变电磁三维正演模拟

如何确定海底多金属硫化物的空间分布并对其进行资源量评价至关重要。瞬变电磁法是陆地金属矿床勘探的重要手段,但海底的崎岖地形、硫化物的复杂结构以及不稳定的近底观测条件为瞬变电磁在海洋中的应用提出了挑战。为验证瞬变电磁方法对热液区硫化物的勘探应用潜力,本文采用了有限元方法,结合大西洋洋中脊TAG热液区实测地形数据和硫化物深部剖面进行三维正演模拟,通过对比仪器在不同位置、姿态、离底高度的正演模拟结果发现:重叠回线探测装置在离底高度小于60 m时,可以有效探测到TAG丘体的高电导率异常。海底复杂地形以及仪器拖曳方式都会对二次场早期响应产生干扰,同时仪器姿态变化也会改变所探测到的响应,这表明,应结合研究区域的海底地形、仪器海底定位以及姿态数据才能更好的对实测瞬变电磁数据进行合理解释。     

海底承压含水层排泄电阻率法探测效果模拟与分析

海底承压含水层排泄是海底地下水排泄的一种主要形式。由于这一过程发生在海水层下部，探测难度较大。为探讨海洋多电极电阻率法对该过程的探测能力，根据典型海底承压含水层地质模型构建不同排泄阶段地电模型，模拟海面和海床面两种探测情形分别进行多电极电阻率法理论探测结果计算和物理模拟，并对所得电阻率剖面进行对比分析。研究结果表明，水面多电极电阻率探测剖面能够清晰刻画出排泄入海的淡水体在海水中迁移、混合过程，但剖面异常特征和分辨率受探测装置形式、电极极距、海水深度影响；海床面探测则对沉积层中咸淡水交换过程反映能力更强，沉积层中的锲形海水侵入体可得到良好反映。     

洋中脊热液羽状流的分布特征及其在多金属硫化物找矿中的指示作用

热液羽状流是海底热液活动的重要标志，海底多金属硫化物是热液活动的产物。现阶段洋中脊多金属硫化物勘探工作的第一步是开展热液羽状流的近底探测；综合各类异常信息，实现从发现热液活动喷口到发现矿床的突破。本文以热液羽状流为研究对象，从羽状流的近底探测、扩散机制和分布特征3个方面，概述了最新的研究进展和有待完善的方面，阐述了羽状流在洋中脊多金属硫化物找矿中的指示作用，最后总结性地指出时空连续性、参数多元化将是热液探测的发展趋势，有助于提升对热液羽状流分布特征的认识，将为热液区分布模式的研究提供更加精细的探测资料。     

西南印度洋中脊51°E(#26洋脊段)地质特征及其对海底热液活动的指示

在海底多金属硫化物调查过程中，对于已知热液区需要精细地质填图工作，而这种填图往往存在覆盖面积较小、所包含的地质要素较少以及与区域构造作用和岩浆活动联系不足等问题。基于历年大洋航次在西南印度洋中脊#26洋脊段（51°E区域）所获得的深海光学拖曳系统的资料，结合高精度多波束水深数据，提出一种系统的底质热液异常划分原则，识别出热液蚀变岩石或角砾、疑似热液沉积物、热液生物及其遗骸富集和胶结碳酸盐4种底质热液异常类型。高分辨率海底地质填图结果表明，本区存在4处热液活动的异常区。#26洋脊段热液活动频率值为2～10，至少是全球海底热液活动频率经验公式的1.8倍以上。我们认为在超慢速扩张脊局部熔融异常或者发育非转换不连续带的洋脊段，可能存在更多的海底热液活动，也具有形成大型多金属硫化物矿床的潜力。     

高海水围压下多金属硫化物切削动力学分析

为研究高海水围压条件下截齿切削多金属硫化物(SMS)的动力学特性,根据深海环境构建了镐形单截齿破碎多金属硫化物的切削力数学模型,同时考虑海底多金属硫化物高孔隙、非线性等特点,选取合适的材料本构模型及其相关参数,基于LS-DYNA数值模拟平台,利用有限单元法建立高海水围压条件下截齿切削多金属硫化物的数值仿真模型,模拟了不同海水围压条件下多金属硫化物的切削破碎过程。研究结果表明:截齿上的海水围压对矿体破碎的影响很小,矿体上的海水围压对矿体破碎影响较大;在高海水围压条件下,多金属硫化物的强度明显增大,切屑更难从基岩剥离,截齿受到的三向阻力明显增大,高围压作用限制了截齿切削破碎过程中的振动,截齿载荷波动性显著减小。     

国际海底观测网络的发展及现状

海底观测网络是推动海洋科学技术发展，了解地球环境系统的重要基础，也是帮助人类了解海洋从而促进全球经济发展的重要方法。文章回顾了各国在海底观测系统发展过程中的研究计划和建设情况；介绍了当前各国海底观测网络及其投入业务应用后，在多学科综合观测、多网络交互融合、数据交换利用以及海洋科学应用等方面的发展方向，对我国海底观测探测网络建设，深海新型传感器发展，海底观测网标准化体系完善等方向进行了分析展望。     

基于地形的海底热液区沉积物分布趋势预测方法研究

热液区沉积物接受了大量热液物质的输入,其矿物组成及地球化学空间分布特征是多金属硫化物勘探的有效指标。由于重力作用,洋中脊区域沉积物主要分布于低洼和平坦地形区。为了探索地形因素对热液区沉积物分布的影响规律,本文通过ArcGIS提出了一种基于地形数据的海底热液区沉积物分布趋势预测方法,并对西南印度洋中脊龙角区地形数据进行了分析,包括沉积物重力搬运方向提取、沉积物汇集量估算、海底沟谷提取和沉积物源区划分。通过与研究区底质解译结果进行对比验证发现,预测结果与研究区内沉积物的实际分布范围较为吻合,表明本方法在一定程度上可以有效地指示地形影响下海底热液区沉积物的分布情况。本方法对海底硫化物矿产勘探工作具有一定指导意义,可为海底沉积物取样站位设置与海底硫化物成矿远景区圈定提供参考依据。     

TEM investigations of South Atlantic Ridge 13.2°S hydrothermal area

According to the exploration contract about polymetallic sulfides in the SWIR （Southwest Indian Ridge） signed by China with the International Seabed Authority, to delineate sulfide minerals and estimate resource quantity are urgent tasks. We independently developed our first coincident loop Transient Electromagnetic Method （TEM） device in 2010, and gained the TEM data for seafloor sulfide at South Atlantic Ridge 13.2°S in June 2011. In contrast with the widely applied CSEM （Marine controlled-source electromagnetic） method, whose goal is to explore hydrocarbons （oil/gas） of higher resistivity than seawater from 102 to 103 m below the sea floor, the TEM is for low resistivity minerals, and the target depth is from 0 to 100 m below the sea floor. Based on the development of complex sulfide geoelectrial models, this paper analyzed the TEM data obtained, proposing a new method for seafloor sulfide detection. We present the preliminary trial results, in the form of apparent resistivity sections for both half-space and full-space conditions. The results cor- respond well with the observations of the actual hydrothermal vent area, and the detection depth reached 50-100m below the bed, which verified the capability of the equipment.     

海水层对地磁日变的影响

在海洋地磁测量中地磁日变的影响不可忽视,由于海底地磁日变观测站可建在测区内或附近,通常情况下能较好地反映测区范围内的地磁日变状况.但从实际观测资料对比发现,海底地磁观测站站位水深对地磁有效信息的保留存在一定的相关性.随着水深增大,其保留的信息量逐渐减少,即水层对地磁信息有着明显的衰减作用.     

多波束海底声像图的形成及应用研究

在探讨多波束海底声像图形成原理基础上,重点研究多个扇面、多个条带的反向散射强度数据拼接、镶嵌方法,将海底反向散射强度值向图像灰度值转换,最后形成海底声像图,为海底地貌解译、海底目标物探测以及海底底质类型划分提供判读依据。     

Acoustic monitoring of gas emissions from the seafloor. Part I: quantifying the volumetric flow of bubbles

Three decades of continuous ocean exploration have led us to identify subsurface fluid related processes as a key phenomenon in marine earth science research. The number of seep areas located on the seafloor has been constantly increasing with the use of multi-scale imagery techniques. Due to recent advances in transducer technology and computer processing, multibeam echosounders are now commonly used to detect submarine gas seeps escaping from the seafloor into the water column. A growing number of en-route surveys shows that sites of gas emissions escaping from the seafloor are much more numerous than previously thought. Estimating the temporal variability of the gas flow rate and volumes escaping from the seafloor has thus become a challenge of relevant interest which could be addressed by sea-floor continuous acoustic monitoring. Here, we investigate the feasibility of estimating the volumetric flow rates of gas emissions from horizontal backscattered acoustic signals. Different models based on the acoustic backscattering theory of bubbles are presented. The forward volume backscattering strength and the inversion volumetric flow rate solutions were validated with acoustic measurements from artificial gas flow rates generated in controlled sea-water tank experiments. A sensitivity analysis was carried out to investigate the behavior of the 120-kHz forward solution with respect to model input parameters (horizontal distance between transducer and bubble stream, bubble size distribution and ascent rate). The most sensitive parameter was found to be the distance of the bubble stream which can affect the volume backscattering strength by 20 dB within the horizontal range of 0–200 m. Results were used to derive the detection probability of a bubble stream for a given volume backscattering strength threshold according to different bubble flow rates and horizontal distance.     

A global barotropic ocean model driven by synoptic atmospheric disturbances for detecting seafloor vertical displacements from in situ ocean bottom pressure measurements

A global barotropic ocean model forced by atmospheric disturbances is developed for the detection of seafloor vertical displacements from in situ ocean bottom pressure (OBP) data. The model accuracy is validated by deep-sea OBP data at more than 100 sites obtained over the global ocean. Parameters and boundary conditions including the horizontal resolution incorporated in the ocean model are tested in order to accurately simulate the nontidal (>2 days) OBP variations. The horizontal resolution is found to the factor that most significantly affects the simulated result. The finer the horizontal resolution applied, the smaller the model variability is. The model accuracy is highest when the horizontal resolution is 1/12°, but deteriorates when the horizontal resolution is finer than 1/12°. This may indicate a failure of the energy dissipation parameterization in the barotropic ocean model. Using the developed 1/12° model, the root-mean-square of the observed nontidal OBP component can be reduced by 18 % as an average of all the OBP data used. It is found that the 1/12° model is useful for the detection of a slow seafloor vertical displacement of centimeters related to the 2011 Tohoku-Oki earthquake from in situ OBP records near the hypocenter of the earthquake.     

海底热液活动的环境与产物

近23年的调查研究，使我们认识到分布于洋中脊、弧后盆地、岛弧和热点等环境的海底热液活动发育在多种围岩类型之上，包括超基性岩石、基性岩石、中性岩石、酸性岩石和沉积物。海底热液活动经历了岩浆去气作用、流体-岩石/沉积物相互作用和流体-海水混合，获取了岩浆、岩石、海水和沉积物的物质，构成了热液循环，产生了高温、低氧、高或低pH值、富含Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Hg、As等元素以及气体组分（甲烷、氢等）的喷口流体，影响了海水、沉积、岩石和生物环境，形成了热液柱、硫化物、含金属沉积物和蚀变岩石等热液产物，组成了海底热液系统。未来，促进海底热液活动探测技术和热液产物测试方法的发展，对海底热液区的岩石、喷口流体、热液柱、硫化物、含金属沉积物以及热液循环、生物活动的持续观测与研究，无疑将为人类探知海底地质过程及生命活动、保护海底热液环境和合理开发利用海底资源提供有力的工作支撑。