1 引言

深海热液多金属硫化物富含Cu、Pb、Zn、Au、Ag等金属元素，赋存于水深1200~3700 m的海底，广泛分布于大洋中脊、岛弧和弧后盆地等地质环境(Baker and German, 2004).这种矿体堆积在几百米范围内，富而浅，便于海底开采，资源开发前景十分诱人.随着陆地资源日益枯竭，国际海洋强国对海底矿产资源勘探开发，尤其是国际海底区域的矿产资源开发，表现出了浓厚兴趣.2011年俄罗斯申请的北大西洋洋脊硫化物矿区获得了国际海底管理局批准，2012年韩国和法国分别在中印度洋洋脊和北大西洋洋中脊获得了硫化物矿区勘探权.2011年中国申请的西南印度洋洋脊1×10⁴ km²热液硫化物矿区勘探权获准.依据合同，8年后须放弃50%，10年后须放弃75%(Tao et al., 2014)，可谓时间紧任务重，因此快速有效发现海底热液硫化物矿异常是首要地质任务.

目前而言, 海洋可控源电磁法在海底油气层勘探中发挥了重要的作用(Edwards, 2005; Holten et al., 2009, Constable, 2010)，然而将海洋可控源电磁法成功用于深海硫化物矿勘探的报道比较少.2005年鹦鹉螺矿业公司对巴布亚新几内亚专属经济区内的硫化物进行了商业化勘探，并于2013年运用ROV(遥控深潜器)搭载OFEM(Ocean Floor Electromagnetic)电磁法对矿区进行了电性评价，取得了良好的效果(Nautilus Minerals，2012).Imamura等(2012)利用垂直电偶源和水平电偶源海洋瞬变电磁法相配合的方法，得到了海底硫化物覆盖层的电导率以及硫化物矿的厚度.Nakayama等(2011)将同轴的5 m×5 m的发射接收线圈搭载到ROV，在海底1~10 m范围内进行测量，结果表明海洋时域瞬变电磁可以有效探测海底矿体的边界和埋深(Nakayama et al., 2011).2014年，Nakayama和Saito通过改进线圈测量系统发现海底硫化物矿IP响应非常明显.

国内同济大学海洋地质与地球物理系的王一新等(1998)在浙江舟山群岛的马迹山海湾进行了瞬变电磁轴向磁偶极装置浅海底电导率测量试验.2006年开始，吉林大学林君课题组研究了海洋瞬变电磁中心回线、重叠回线和垂直磁偶极装置理论响应，并分析了接收天线和关断时间对海洋瞬变电磁响应信号的影响(刘长胜和林君，2006；李慧，2007；刘长胜等，2010；周逢道等，2012)

针对深海特殊勘查环境、海底热液硫化物矿“富而浅”的特征以及“发现异常”的首要地质任务要求，深海探测系统必须“有效、快速、便于实施”，对此，2006年研制了深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统(MTEM-8)；2008年MTEM-08系统在洞庭湖开展湖验，验证了仪器在水下拖曳状态、工作稳定性以及对低阻异常体的探测能力；2010年大洋第22航次海试，MTEM-08系统在南海某海域成功探测到了海底光缆；同年该系统参加了“大洋一号”第22航次大洋科考，获得了“贝利珠”热液区金属硫化物矿电磁异常；2012年，MTEM-08系统在“大洋一号”第26航次大洋科考中有效探测到TAG热液区金属硫化物的瞬变电磁响应；2013—2014年MTEM-08系统在大洋30航次中作为重大装备在西南印度洋勘探合同区进行了调查研究，并在49.6°E区域获得了良好的电磁异常；2014—2015年的大洋34航次以及2015—2016年的大洋第39航次，MTEM-08系统作为重大装备，在海底获得了西南印度洋合同区上百公里的有效数据.

2 系统重要参数的选择 2.1 装置选择

深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统首要地质任务是发现异常，为了选择有效、快速、便于实施的装置，须对瞬变电磁法各种装置(图 1)进行比较，选择相对最优装置.水平共轴磁偶极装置(图 1a)、垂直水平共面磁偶极装置(图 1b)和垂直发射水平接收磁偶极装置(图 1c)具有对矿体边界、规模和产状影响灵敏的特点，但同时其异常响应剖面曲线形态复杂(Cheesman et al., 1987)，在发射磁矩和磁偶极距不能保证足够的情况下，异常响应幅值低，不便于快速识别和后期处理.相对于偶极装置，中心回线装置(图 1d)或重叠回线装置(图 1e)对于装置下方的异常体呈现最佳耦合，在增加磁矩的情况下，可有效提高二次场信号的信噪比，可有效识别异常体边界和埋深，并且异常剖面的响应曲线简单，可满足以发现异常为首要地质任务的要求，是相对最优的装置.

对于小线圈中心回线装置和重叠回线装置，当接收天线等效面积相等，介质条件相同时，两者的响应规律是一致的.深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统受制于船舶A型架大小、释放方式以及连续拖曳工作模式，其收发线圈不可能做的较大，MTEM-08系统设计的发射天线长1.96 m，宽0.75 m.增加瞬变电磁接收天线的等效面积可以直接提高接收天线的灵敏度(周逢道等，2006)，然而增加接收天线的等效面积必然要增加天线匝数，增加匝数后必然会增加天线的电感及分布电容.接收天线的谐振频率f₀随接收天线的等效电感L以及分布电容C平方根成反比，天线的谐振频率将降低.显然重叠回线装置的接收天线面积远大于中心回线装置接收天线的面积，更有利于控制天线匝数，进而提高天线的谐振频率，有效平衡接收天线灵敏度和带宽.

2.2 观测时窗

Evans和Everett (1994)提出了TAG热液区的玄武岩热液硫化物矿的典型地质模型，主要包括海底沉积物、热液硫化物矿、蚀变玄武岩，以及完整玄武岩(见图 2).通常情况下，热液硫化物矿的电导率大约是海水的3倍，是海底沉积物的5倍多，远大于基底蚀变玄武岩和围岩玄武岩，为瞬变电磁法勘探提供了良好的物性条件.

与陆地半空间环境不同，深海拖曳式瞬变电磁系统处于近海底工作时，海水深度通常大于1200 m，海水电阻率极低，其形成的二次场比较强，而且衰减比较慢，海水对二次场的作用不可忽略.Krivochieva和Chouteau(2002)讨论了层状介质中瞬变电磁全空间计算方法；刘长胜和林君(2006)，刘长胜等(2010)对位于海底表面的中心回线和重叠回线瞬变电磁进行了公式推导，并讨论了海水深度对瞬变电磁的影响；周胜等(2012)利用简化层状模型，讨论了深海拖曳式瞬变电磁对海底热液硫化物矿的响应规律；Swidinsky等(2012)应用数值计算方法计算了中心回线装置在海底的响应特征.

参考Cheesman等(1987)，Nabighian(1992)电磁场理论，以水平层状介质为简化模型，当磁源天线位于海底时，在以磁源中心为原点的柱坐标中，海水中任意一点的瞬变电场和磁场表达式如下：

(1)

(2)

(3)

式中ρ为接收点与源的径向距离，m=IS为发射磁矩.在忽略位移电流和介质的磁性条件下可以利用(1)(2)和(3)式推导出重叠回线产生的感应电压：

(4)

以简单层状模型为例，当海水深度为2000 m，电导率为3.2 S·m^-1；热液硫化物矿厚度为20 m，电导率10 S·m^-1；基底玄武岩厚度无限，电导率为0.1 S·m^-1；计算了离底拖曳高度为0 m、20 m、30 m、40 m、50 m情况下，重叠回线装置的响应曲线，并与海底无热液硫化物矿层进行对比，见图 3.

随拖曳高度的增加，瞬变电磁二次场衰减很快，并逐步逼近无矿层时的响应曲线，在拖曳高度不大于50 m的情况下，衰减延时1~100 ms范围，矿层异常明显，便于识别，大于100 ms的晚期道数据受制于目前仪器自噪声的影响，采集的信号可靠性会降低.为了更好地观测海底热液硫化物矿异常，建议以0.625 Hz观测，观测窗口宽度0.97~396 ms，覆盖了1~100 ms异常最强的时间范围.

2.3 拖曳高度

2.2节计算结果显示，随着拖曳系统距离海底高度的增加，深海低阻矿层的瞬变电磁异常响应向后延时，并迅速衰减接近至深海背景场.拖曳高度在0~100 m范围内变化时，提取29.75 ms时间道响应数据成图 4.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，通过晚延时观测可以探测到海底硫化物矿，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%，已相当微弱.为了突出海底浅部硫化物矿层的异常特征，拖曳高度应尽量接近海底，不宜超过50 m.

2.4 拖曳深度的影响

深海全空间环境不同于半空间的陆地环境，在衰减延时和衰减幅值上，海水对瞬变电磁二次场响应非常大.刘长胜等(2010)利用数值解计算了海底表面中心回线和重叠回线的响应，并讨论了海水深度对瞬变电磁的影响.深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统在大洋第39航次第一航段39I-SWIR-L005TEM02站位工作时，进行了仪器下放过程的数据采集试验，目的是完成不同深度瞬变电磁二次场的数据采集，总结海水深度对瞬变电磁的影响.

如图 5所示，拖曳深度在300 m以浅时，随着拖曳深度增加，3.525~105.9 ms范围内的重叠回线的响应信号逐渐增强，其中拖曳深度7~100 m范围内响应信号上升速率较快，100~300 m范围内响应信号上升速率渐缓，当拖曳深度超过300 m后，响应信号与背景场无限接近，可忽略不计.因此当拖曳深度超过300 m时，响应信号可以忽略拖曳深度影响，空气层可以忽略不计.

3 系统组成与性能指标 3.1 系统组成

深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统由甲板控制系统、万米光电复合缆、仪器舱拖体和天线拖体组成.其中水上甲板控制系统包括控制中心(高性能服务器)、光纤通讯机、船载GPS、多功能辅助显示(蔽障声呐信息，离地高度、实时视频)，导航信息(母船位置，水下仪器舱位置)、TEM快速成像、TEM数据采集(发射机监控、数据采集)；水下仪器舱拖体内放置了光纤通讯模块连接有TEM发射机、TEM接收机、超短基线应答器、姿态传感器、CTD、蔽障声呐、离地高度计；水下天线拖体内放置了发射天线，接收天线，姿态传感器、以及前置放大器，系统总体的组成(图 6).图 7为深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统现场实际应用施放图.

3.2 性能指标

(1) 深海6000 m拖曳式瞬变电磁主要技术指标

·系统工作最大水深：6000 m；

·工作航速：2~4节；

·工作海况：风力和浪高不大于3级

·最长连续工作时间：12 h；

·海底拖曳高度：最大50 m；

·最大探测地层深度：150 m；

·温度范围：-40~85 ℃

(2) 接收机主要技术指标

·采样率：625KSPS；

·分辨率：24 bit；

·系统动态范围：最大170 dB；

·动态增益：0~60 dB；

·输入阻抗：1 MΩ；

·输入噪声：

(3) 发送机主要技术指标

·最大发送电流：100 A；

·最大发送电压：110 V；

·发射天线：1.96 m×0.75 m×40 N；

·关断时间小于：350 μs；

·发送波形：双极性方波；

·工作频率：0.1~10 kHz可调；

(4) 磁场传感器主要技术指标

·归一化灵敏度：10 μV /(nT×Hz)；

·频率范围：1~500 kHz；

·输出电压范围：-5~5 V.

4 西南印度洋合同区调查应用

深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统跟随大洋一号在西南印度洋脊热液区进行了第30航次科考，其第2航段测量任务从2014年2月13日开始，到2014年2月14日结束，完成TEM测线2条.TEM01测线使用频率0.625 Hz，由起点49°41.2211′W，37°50.1218′N以1.5节的速度向终点49°37.6156′W，37°45.0265′N拖曳，测线长度7.62 km.TEM01测线在19:57:07—20:00:01时间范围内，响应剖面在点号30~60号异常之间呈现幅值隆起，由3.525 ms一直持续到51.48 ms，异常形态呈山丘状，异常特征明显(图 8a).经过视电阻率快速成像，得到拟二维视电阻率断面(图 8b)，再结合典型的热液硫化物矿地质模型，推测对应的地质断面(图 8c).海底表面主要为浅部沉积物；在30~60号点异常区浅部-40 m范围内呈帽状覆盖，电阻率极低，推测为热液硫化物矿堆，宽约30 m，厚度约30 m；在30~60号点异常区的-40~-120 m范围内电阻率低，且向下延伸成管状异常，推测为蚀变岩；在管状异常两侧视电阻率呈现较大梯度变化，推测为弱蚀变岩；异常两侧视电阻率相对较高，推测为玄武岩围岩.

5 结论

深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统采用小线圈重叠回线装置，观测时间窗口覆盖1~100 ms范围，在距海底拖曳高度不大于50 m的情况下，可以快速有效的识别热液硫化物矿异常.实测试验表明，当系统拖曳深度超过300 m后，空气层对瞬变电磁的影响可以忽略不计.该系统在大洋30航次第二航段的TEM01测线探测到了西南印度洋合同区的热液硫化物矿的异常响应，表明了方法和仪器能有效用于探测深海热液硫化物矿，且满足深海探测的快速和便捷等要求.