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。     

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。     

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。     

海洋CSEM法探测高阻储层的勘探参数设计

对选定测区运用海洋CSEM法进行实际探测之前,需综合考虑影响高阻储层探测的主要勘探参数,以确保探测的可行性及有效性。设计通用的一维模型,针对不同的勘探参数进行正演模拟,利用快速汉克尔变换计算其电磁响应,通过分析电磁响应曲线及异常特征,探讨海洋CSEM法探测高阻储层的勘探参数设计。研究表明,根据趋肤深度的计算结果结合频率-收发距归一化振幅图,可确定出合适的发射频率范围,而收发距范围可以由频率-收发距归一化振幅图确定,发射天线离海底越近接收到的电磁信号越强,越有利于高阻储层的探测。研究结果可为实际勘探参数的设计提供参考。     

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。     

海底热液硫化物矿体内部流体混合过程的数值模拟:以大西洋TAG热液活动区为例

大型海底热液硫化物矿体的形成机制是涉及多种控制因素的复杂地质过程,其中热液流体同海水的混合扮演着重要角色。大洋钻探计划(ODP)资料表明在大西洋TAG区热液硫化物矿体内部,热液流体同经过改造的海水之间发生着广泛的混合作用,这个过程在很大程度上控制着海底热液硫化物矿体的内部结构和化学组成。以TAG热液硫化物矿体为例,利用数值模拟方法模拟了热液流体与经过不同程度改造的海水的混合过程,试图探讨海水与热液流体混合在热液硫化物矿体形成中的作用。模拟计算结果表明:(1)来自矿体深部的热液流体与经围岩加热的下渗海水的混合是造成TAG热液活动区硬石膏大量沉淀的重要原因;(2)在热液流体与海水的混合过程中,混合流体的化学性质和矿物沉淀情况在330~310℃上下发生了较大变化,330~310℃是一个特殊的温度区域;(3)利用数值计算结果探讨了TAG热液活动区不同区块(TAG-1,TAG-2和TAG-5等)的流体混合作用和热液活动过程。     

深海热液区底栖生态环境探测技术研究进展

针对热液区生态科学研究和海底硫化物可持续开采所需的底栖生态环境探测,本文阐述了热液区的生态环境特点,以及热液区多金属硫化物开采存在的潜在环境问题。之后,归纳海底取样和光学影像调查等常用方法并指出存在调查点原有生态的破坏问题。梳理国内外发展的光学类和化学类深海原位生态环境探测传感器及国内投入海洋科考的深海着陆原位探测平台。对比当前应用于海洋发声物种识别的模式识别算法,分析虾蟹类栖息地声信号的探测方法。最后,对降低取样及影像调查对环境的影响、深海生态环境原位探测传感器的性能优化和虾蟹类栖息地生境声学探测技术等进行展望。本文将为热液区底栖生态环境探测方法研究提供参考。     

基于GEBCO的海底热液区地形复杂度分析方法研究

海底热液区地形复杂度是热液活动场的重要指标数据,获取地形复杂度指标数据,为系统研究全球海底热液区分布特征具有重要意义。阐述了地形复杂度和GEBCO数据的基本应用情况,介绍了基于数字地形模型数据进行地形复杂度计算的基本方法,提出了海底热液区地形复杂度计算的窗口序列分析法和基本步骤,实例分析了伊豆—小笠原海底热液活动亚带的地形复杂度情况。     

冲绳海槽中部热液区地形复杂度研究

基于中国科学院海洋研究所“科学”号综合考察船在冲绳海槽中部热液区采集的高分辨率海底地形数据,建立地形复杂度综合分析模型,利用窗口序列分析法以及均值变点分析法,分析了冲绳海槽中部热液区的地形复杂度。结果发现,研究区内平均地形复杂度指数为1.74,热液活动区地形复杂度指数在1.4～3.2之间,热液活动区地形相对复杂。这为计算全球海底热液区地形复杂度和寻找热液活动区位置提供了新的思路。     

基于ROV的近海底地形测量及其在马努斯盆地热液区的应用

针对重点的特殊深海研究区（如热液冷泉、洋中脊区域）,在船载多波束数据获得研究区大面积地形资料的基础上,有必要选取典型深海小靶区进行高分辨率地形测量为进一步深入研究提供保障。根据船载多波束实测数据选取PACMANUS热液区作为靶区,基于长基线定位,利用“发现”ROV搭载多波束系统进行近海底全覆盖地形测量。结果表明,依托于船动力定位系统及差分GPS,长基线为ROV提供了可靠的高精度定位,使得近海底测量的地形数据分辨率数倍优于船载多波束测得的地形数据的分辨率。高分辨率地形清晰的显示了PACMANUS热液区锥形丘体等特殊微地形,与已发现的热液点和火山区有很好的对应。进一步分析发现,该区域活动的热液区主要发育于坡度大于30°斜坡上的地形突变区,其成因仍需深入研究。利用ROV搭载多波束近底测量是获取深海小靶区高分辨率地形的可靠途径和方法,有利于提高深海海底研究的针对性,将促进我国深海科学研究的发展。     

大西洋洋中脊海底表层热液沉积物的铅同位素组成及其地质意义

新测得 TAG热液区中 6件海底表层热液沉积物样品的铅同位素组成 ,其变化范围不大 ,具有均一性的特征。在 Pb- Pb图解上 ,热液沉积物的铅同位素数据大多落在 MARB的铅同位素组成范围内 ,与大西洋沉积物和 Fe- Mn结核相比明显具较少的放射成因铅 ,反映其上部洋壳岩石为该区热液沉积物的形成提供了铅。对比研究表明 ,因不同地质 -构造环境中的海底热液区为热液沉积物形成提供物源的情况不同 ,是导致有沉积物覆盖洋中脊中热液沉积物的铅同位素组成与无沉积物覆盖洋中脊不同的主要原因。海底扩张中心的扩张速率与热液沉积物的铅同位素组成有一定的对应关系 ,但其并不是热液沉积物铅同位素组成的唯一控制因素     

Control of the stress field on shallow seafloor hydrothermal paths: A case study of the TAG hydrothermal field

The stress state and rock mechanical properties govern the growth of faults and fractures, which constitute shallow hydrothermal pathways and control the distribution of seafloor massive sulfide (SMS) mounds in the seafloor hydrothermal field. The stress field has an important influence on the formation and persistence of hydrothermal pathways. Based on multibeam bathymetric data from the Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) field, we establish two three-dimensional geological models with different scales to simulate the stress field, which investigate the characteristics of hydrothermal pathways and associated SMS mounds. The simulation results show that oblique faults and fissures form in the tensile stress zone and that mounds, including active and inactive hydrothermal mounds form in the compressive stress zone. Fault activity, which is related to the stress field, affects the opening and closing of hydrothermal channels and changes the permeability structure of subseafloor wall rock. Therefore, the stress field controls the development and persistence of shallow hydrothermal pathways. The features of shallow hydrothermal pathways in the stress field can provide geomechanical information that is useful for identifying favorable zone for SMS deposit formation.     

利用应力场预测热液区域——以TAG区为例

本文根据TAG区的钻探资料及岩心测试结果,建立了双层地质模型,在此基础上利用ANSYS应力软件并结合TAG热液区的地形数据对该区进行应力模拟。结果表明:热液喷口区域与最大水平应力低值区有较好的对应关系。其中仍处于活动状态的TAG丘状体区呈现明显的局部最大水平应力低值;而已经停止活动并且不具有典型喷口地形的MIR丘状体区域则处于最大水平应力的非封闭低值区域。据此,本文在TAG丘状体区域圈定了5个喷口可能区域,钻探结果揭示区内存在较好的矿化和蚀变现象,表明应力场预测法可能是一种有效的成矿预测方法。     

基于水深分段选择因子的多光谱影像反演水深

岛礁周边海底地形精密测量是海洋测绘的难点问题之一,利用多光谱卫星能精确测定岛礁周边水深地形,是传统岛礁水深测量有效的补充方式之一。本文以蜈支洲岛周围水域为研究区域,提出了基于BP神经网络水深分段选取反演因子的方法,利用WorldView-2数据和多波束实测数据建立多模型,整合预测的各段水深获得海底地形。实验表明,本文方法能充分利用水体的光谱特性,与单一BP神经网络模型结果相比,MRE降低了6.4%,RMSE降低了1.2 m,是一种可行的多光谱水深反演的方法     

现代海底热液活动的热和物质通量估算

对现代海底热液活动所导致的热和物质的通量研究是非常重要的,因为这不仅涉及到海洋环境研究的基础,而且涉及到海水性质的历史演化.当前对热通量估算的主要依据是来自对热液烟囱、低温扩散流及洋中脊的观测数据, 然而在对烟囱体热通量的估算中很少考虑同时存在的传导项,半空间冷却模型的热通量密度函数与实际数据误差较大.因此,应用了三种方法重新估算了热液活动的热通量:(1)通过烟囱体及扩散流估算的热液热通量为97.359 GW;(2)通过热液羽状体估算的热通量为84.895 GW;(3)利用所提出的指数衰减法,通过洋壳传导通量估算的热通量为4.11 TW.对物质通量估算的研究较少,其原因是现场观测数据太少.以大西洋中脊TAG区热液流体为代表首次估算了不同元素的物质通量.用不同方法所得估算值的差异反映了人类对热液活动的认知程度,系统地现场观测将有助于准确估算热液活动对海洋的贡献.     

Seafloor acoustic remote sensing with multibeam echo-sounders and bathymetric sidescan sonar systems

This paper examines the potential for remote classification of seafloor terrains using a combination of quantitative acoustic backscatter measurements and high resolution bathymetry derived from two classes of sonar systems currently used by the marine research community: multibeam echo-sounders and bathymetric sidescans sonar systems. The high-resolution bathymetry is important, not only to determine the topography of the area surveyed, but to provide accurate bottom slope corrections needed to convert the arrival angles of the seafloor echoes received by the sonars into true angles of incidence. An angular dependence of seafloor acoustic backscatter can then be derived for each region surveyed, making it possible to construct maps of acoustic backscattering strength in geographic coordinates over the areas of interest. Such maps, when combined with the high-resolution bathymetric maps normally compiled from the data output by the above sonar systems, could be very effective tools to quantify bottom types on a regional basis, and to develop automatic seafloor classification routines.     

Heat and mass flux estimation of modem seafloor hydrothermal activity

Research on heat and mass flux yielded by modern seafloor hydrothermal activity is very important, because it is involved not only in the base of ocean environment research, but also in the historical evolution of seawater properties. Currently, estimating heat flux is based on the observation data of hydrothermal smokers, low-temperature diffusive flow and mid-ocean ridge mainly. But there are some faults, for example, there is lack of a concurrent conductive item in estimating the heat flux by smokers and the error between the half-space cooling model and the observation data is too large. So, three kinds of methods are applied to re-estimating the heat flux of hydrothermal activity resepectively, corresponding estimation is 97. 359 GW by hydrothermal smoker and diffusive flow, 84.895 GW by hydrothermal plume, and 4. 11 TW by exponential attenuation method put forward by this paper. Research on mass flux estimation is relatively rare, the main reason for this is insufficient field observation data. Mass fluxes of different elements are calculated using hydrothermal vent fluid data from the TAG hydrothermal area on the Mid-Atlantic Ridge for the first time. Difference of estimations by different methods reflects the researching extent of hydrothermal activity, and systematically in - situ observation will help to estimate the contribution of hydrothermal activity to ocean chemical environment, ocean circulation and global climate precisely.     

Heat and mass flux estimation of modern seafloor hydrothermal activity

1Introduction Heat flux yielded by modern seafloor hydrother-mal activity could be next only to heat radiation fromthe sun to the earth, and be similar to energy pro-duced by volcanism. And mass flux of hydrothermalactivity could be close to that of river…     

Automatic Sounding Generalization in Nautical Chart Considering Bathymetry Complexity Variations

Sounding acts as the main feature in a digital nautical chart as it describes the concerned marine topography for the safety of navigation. Unlike the geometry-oriented selection of point feature, the generalization of soundings for chart compiling is expected to be context-oriented, which means bathymetry complexity variations across the study region should be preserved in the sounding selection process. However, such variations are not explicitly accessible to automated systems. This paper proposes an approach that effectively analyzes and measures bathymetry complexity from sounding data, with a focus on topography variations among different regions. The presented approach first divides the exploring region into several subregions, by adopting techniques of computational geometry and graph theory. Then, the approach quantitatively measures the bathymetry complexity of the subregions from grid-based digital terrain model. Finally, a composite bathymetry complexity index integrating aspects of steepness and depth variation is developed to guide the operation of sounding selection in different subregions. Generally, when seafloor is rugged with steep slopes, the number of soundings is high. While in flatter areas, a smaller amount of soundings is retained. The potential of our approach is demonstrated by an application to a real data set.