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1、海底多金属硫化物自然电位观测方式研究 汪建军 陶春辉 王华军 邓显明 熊威 李泽 国家海洋局第二海洋研究所 国家海洋局海底科学重点实验室 中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院 浙江大学地球科学学院 摘 要： 利用海洋自然电位法可以探测海底多金属硫化物矿体的位置和轮廓。在调查过程中, 可以进行水平观测和垂直观测, 本文对这两种观测方式的探测效果进行数值模拟分析, 结果表明垂直观测异常大, 对矿体的横向分辨率高。但在进行垂直观测时, 电极离底低, 工作风险大。所以在实际调查过程中, 需要根据需求选择合适的观测方式。另外, 在实际测量过程中, 电极对会偏离垂直方向和水平方向, 将导致异常结果发
2、生变化, 因此在数据资料处理与解释过程中要注意。本文可以为海底多金属硫化物自然电位调查提供参考。关键词： 海洋自然电位; 海底多金属硫化物; 数值模拟; 观测方式; 作者简介：汪建军 (1992) , 男, 湖南省邵阳市人, 主要从事海底硫化物电法勘探研究。E-mail:作者简介：陶春辉 (1968) , 男, 研究员, 主要从事海底热液硫化物研究。E-mail:收稿日期：2017-04-04基金：国际海域资源调查与开发“十二五”重大项目 (DY125-11-R-01, DY125-11-R-03) Study of self-potential observation ways in the
3、 seafloor polymetallic sulfide depositsWang Jianjun Tao Chunhui Wang Huajun Deng Xianming Xiong Wei Li Ze Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration; School of Earth Sciences, Zhejiang University; Abstract： Using the marine self-potential method could explore the position and siz
4、e of the seafloor hydrothermal polymetallic sulfide ore body.In the practical marine investigation, we could use the horizontal and vertical measurements.Here we used the numerical simulation method to analyze the detection effection of these two measuring ways.The analysis result indicates that ver
5、tical measurements could get a bigger anomaly than horizontal measurements.And the lateral resolution of vertical measurements is higher than horizontal.While vertical observation systems electrode is more close to the seafloor and have bigger operating risk than horizontal measurements.We need choo
6、se applicable detection system and observation way according to actual requirements.In the actual detection, there will be an angle between the electrodes and the horizontal direction.It will lead to a change of anomalies.We need to notice it in the data processing and interpretation.It can provide
7、us with some reference about the marine exploration of the seafloor polymetallic sulfide.Keyword： marine self-potential; seafloor polymetallic sulfide; numerical simulation; observation method; Received： 2017-04-041 引言自然电位法是最早应用于陆地找矿的地球物理勘探方法之一, 在硫化物矿体圈定及资源评价方面有着重要的作用1-2。海洋自然电位法不仅可以探测出露的海底多金属硫化物, 同样
8、可以探测被沉积物覆盖的海底多金属硫化物3。自然电位法应用经历了从陆地找矿到浅海调查再到海底多金属硫化物勘查这 3 个主要发展阶段。20 世纪 70 年代开始, 鉴于陆地自然电位调查在硫化物勘探上的有效应用以及独特效果, 研究人员开始开展自然电位海上应用的研究。1973 年Corwin 等开始相关探测系统的研究, 并于 1976 年在缅因州佩诺布斯特海湾硫化物矿床的海岸延伸部位发现了约 300mV 的自然电位异常4-5。1975 年Brewitt-Taylor6首次将类似的设备应用到深海调查中, 虽未取得结论性结果, 但为自然电位在深海中的应用打下了基础。随着深海拖曳技术和设备的发展, 自然电位
9、法已经被有效地应用于海底多金属硫化物调查中。2000 年 Sudarikov和 Roumiantsev7在 Logatchev 热液喷口周围进行了自然电位调查, 并结合海水氧化还原电位调查结果, 推断了喷口附近热液羽状流的空间分布特征。2008年, 鹦鹉螺矿业在 Solwara 矿区利用自然电位设备, 对高温热液流体及多金属硫化物矿体产生的氧化还原电位异常进行快速辨别8。2012 年以来, 俄罗斯经济与矿产资源部在大西洋海底多金属硫化物勘探合同区开展了以侧扫声呐和自然电位调查为主的地球物理调查, 并对海底硫化物矿体进行了资源评估9。我国于 2012 年大洋 26 航次在大西洋 TAG 热液区进
10、行了近底拖曳式自然电位试验, 获得了约为 20mV 的与海水电化学异常相关的自然电位异常10。但在海底硫化物的调查中尚未取得较好的成效。这主要是由于海洋自然电位观测方式的选取缺乏理论指导, 尚需进一步研究。海洋自然电位法主要进行水平和垂直方向上的电位梯度观测11-12。为在硫化物区快速开展有效的自然电位调查, 本文对不同的观测方式进行了研究, 为我国在西南印度洋多金属硫化物勘探合同区进行自然电位调查提供参考。2 海底多金属硫化物矿区海水和岩矿石电学特性及自然电位产生机理分析2.1 海水和岩矿石电学特性岩石和矿物之间的电学特性差异是电法勘探的基础, 主要包括岩石和矿物的电阻率、极化特性 (极化率
11、以及自然极化的电位跃变) 等参数13。海水电阻率主要和海水温度、盐度有关, 受压强的影响相对较小14。Becker 等15在前人的基础上, 结合原位测量的结果, 估算了近底海水的平均电阻率约为0.290.31m。海底多金属硫化物主要含闪锌矿、黄铁矿、黄铜矿及磁黄铁矿等, 其围岩及基岩一般为大洋玄武岩、超基性岩, 或被沉积层覆盖16。由于组成和结构的不同, 玄武岩和多金属硫化物的导电机制是不同的, 其电导率存在明显的差异, 主要与矿物类型、岩矿石孔隙度、渗透率以及温度等有关17-18。1992 年 Gramberg 等12利用 DSDP、ODP 钻孔资料, 统计了海底多金属硫化物区主要围岩玄武岩
12、、沉积物和多金属硫化物的电阻率, 其分布范围分别为 331 000m、0.51.3m、0.11.2m。2013 年 Tao 等18采用二极法对西南印度洋脊 49.6E、51E 等热液区部分硫化物和玄武岩样品进行了电阻率测量, 测得硫化物平均电阻率约为 8.4m, 玄武岩平均电阻率约为558.3m。由于海底真实情况是硫化物内部充填着海水, 所以实验过程中硫化物水分会发生流失, 其电阻率值会变大。对其中部分岩石样品进行极化率测量, 结果见图 1。其中玄武岩极化率分布范围为 0.81%6.51%, 平均值为1.91%。硫化物极化率分布范围为 6.71%11.7%, 平均值为 7.94%, 明显高于玄
13、武岩。这说明海底多金属硫化物相对围岩具有较高的激电效应, 利用激发极化法能够对海底多金属硫化物进行探测。电子导电矿体自然极化时, 矿体和溶液的分界面附近会形成双电层, 产生电位跃变 (即溶液中矿体的电极电位) 。电位跃变主要与矿体和溶液的成分有关。斯维什尼柯夫测量了标准 KCl 溶液中, 不同矿石相对标准氢电极的电极电位, 结果见表 119。由此可知, 海底多金属硫化物主要矿物成分, 如磁黄铁矿等与周围溶液接触时, 在其表面的电位跃变可达数百毫伏, 硫化物矿体附近通常会产生较大的自然电位异常。图 1 玄武岩、硫化物样品极化率测试结果 Fig.1 Basalt and sulfide sampl
14、ess susceptibility test results 下载原图表 1 几种矿石的电极电位19Tab.1 Electrode potential of the ore19 下载原表 2.2 多金属硫化物自然电位产生机理在陆地矿区发现的自然电位异常, 有时可达数百毫伏, 自然电位与氧化还原反应密切相关, 尤其是在金属探测中20-21。电子导体的自然极化会产生自然电场, 这方面的研究大多以 Sato 和 Mooney 的工作为基础22。对比海底和陆地环境 (图 2) , 可以看出由于空气中的氧气不断进入地下, 陆地潜水面以上氧气的含量高。海底上覆海水相对于沉积物具有强氧化性。在海底硫化物区
15、产生自然电位异常的原理和陆地类似:在海底多金属硫化物区, 海水和沉积物氧化还原性质刚好相反, 即多金属硫化物上下部分溶液的性质相反, 矿体会发生极化。其上部溶液中的 Fe 等发生还原反应, 下部溶液中的 S (HS) 等发生氧化反应。在硫化物外部形成的电流自下而上。因此与陆地矿区类似, 电流向矿体上方流动, 在海底硫化物矿区发现的自然电位异常通常为负23。图 2 陆地和海洋环境对比 Fig.2 The comparison of land and marine environment 下载原图2.3 深海海底极化体上的自然电位异常通过数值方法模拟自然电位异常源所产生的理论电、位场, 并分析其分
16、布特征以及规律, 可以指导异常的解释以及评价24。由于矿体发生氧化还原反应和自然极化是一个复杂的过程, 关于其自然电位产生的机理存在多种不同的解释, 实际自然电场可能是多种效应的综合作用结果22,25。陆地上, 矿体自然电位分布特征和规律, 主要通过简单极化体的自然电位数值模拟结果获得。相比陆地, 关于海底矿体自然电位分布的研究更少, 而且主要借鉴陆地上的研究结果。1996 年 Jansen 等26利用有限差分方法, 模拟了自然电位异常与海水深度、电阻率、异常源埋深等因素之间的关系, 并对自然电位异常在海水中的衰减进行了快速分析。关于均匀导电介质中的均匀极化体自然电场正演模拟结果表明, 其外部的电位分布可以等效为一个电偶极子。2012 年何继善27在此基础上利用海底等效电偶极子模型对海
