调查方法及其设备
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发布时间：2022-04-25 00:00
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时间：2022-07-10 00:01
大洋多金属结核矿产资源的勘查需要综合应用各类地球物理勘探方法和地质勘查方法。地球物理勘探方法有：海底地形地貌调查，重力、磁力调查，地震调查；多频探测和海底照相以及深拖和多波束回声测深等先进的勘探系统。各类地质勘查方法有：有缆地质采样、无缆地质采样、温度－盐度－深度测量等。在不同的勘探阶段所采用的方法种类以及工作量要求均有所差别。下面对各种调查设备（图版Ⅱ—2）及其方法作进一步阐述。
3.2.1 地球物理勘查方法及其调查设备
1.海底地形地貌测量及其调查设备
海底地形地貌测量是大洋多金属结核调查中必须执行的调查项目之一。通过水深测量，可以了解海底地形特征和海底基本情况，从而为评价和开采矿区提供必须的基本资料。
在区域调查阶段，海底深度测量工作主要采用单波束回声测深仪，以揭示海底地形地貌。传统的做法是运用回声测深仪测量调查区的水深值以获得地形地貌的基本信息。近年来一些先进的测试仪器如SEABEAM等多波束测量装置的运用，使得海底地形地貌测量变得更加精确可靠。有关SEABEAM等仪器设备的性能和有关资料将在下面叙述。这里将阐述运用回声测深仪执行海底地形地貌调查的有关情况。
在区域调查阶段，水深测量常用的仪器为12.5kHz的万米测深仪，其测量精度由航行中船舶的定位精度和测深精度决定。所得的测量数据经过水深校正和声速校正后即可得到相应的水深值，用于绘制海底地形图。这种测深仪的缺点是水深数据采样间距大（1km），难以准确地反映地形地貌形态，常把较小的地形轮廓拉平，使海底起伏平缓化，复杂地区的地形简单化。
2.地震测量及其设备
为了解海底沉积物的分布特征、沉积层的内部结构和基底起伏，在大洋多金属结核勘查工作中往往采用单道地震的声波勘查方法。设备配置方案为NEC-20C单道剖面仪、数字地震仪、气*、漂浮电缆等，资料以模拟方式记录或者数字化方式记录，炮号以数字方式记录在卫星导航系统的磁带上。工作航速常用6kn。测线首尾端点应有合格的导航定位点，单道地震的数字记录常常和其它声波探测结果综合用于多金属结核的分布状况的解释。
单道地震资料与多频探测资料结合往往能获得较好的解释结果，这项调查常用于多金属结核的初期阶段。
3.多频探测及其设备
多频勘探数据处理系统（multi-frequency exploration system）是一种利用多种频率的声波勘探深海多金属结核丰度和粒度大小的计算机数据处理系统。该系统可以在正常的航行速度（10～12kn）下工作，并可以在船上对已获得的数据进行处理，迅速获得多金属结核的丰度和粒度值。
多频勘探数据处理系统主要由声波发射和接收、模拟信号检测和数据处理三部分组成。在声波发射和接收部分配置有浅层剖面仪（SBP）、测深仪（PDR）和窄波束测深仪（NBS）等装置。模拟信号检测部分的功能是对声波信号进行放大、滤波。数据处理部分则对声波信号进行数字化、存储及数据处理。目前，它采用频率为：SBP——3.5kHz,PDR——12kHz,NBS——30kHz三种不同频率的声波发射和对应的接收仪器。
多金属结核呈席状分布于海底表层，表层沉积物一般为硅质粘土、深海粘土、硅质软泥或钙质软泥。这类沉积物富含孔隙水，质地松软均匀，声速接近于水或比水略低，声波在此层的反射率很低，可以近似地认为不受阻碍地穿透这一沉积层（即透声层），多金属结核连同下伏的沉积层在3.5kHz浅层剖面上表现为一席状披盖的无反射带或弱反射带（即透声层）。沉积速率过高或过低的海域都不利于结核的生长，只有特定厚度的声波透声层才有利于多金属结核的赋存。多频探测系统使用MFES-100B多频勘探数据处理系统与3.5kHz浅层剖面仪和12kHz回声测深仪联机的方式测量结核的丰度，若要测量结核的粒度还需配置30kHz窄波束剖面仪。多频探测与单道地震检测资料相结合往往可以得到更好的解释效果。
多频探测与其它方法结合能得到更完满的结果，这包括用地质采样等多种手段。一些国家利用多频探测系统进行多金属结核调查，其结果与实际抓斗取样结果相比较，相关系数达0.7。
当多频勘探数据处理系统与调查船的其它声波探测器，如回声探测器和深海浅层剖面仪一起使用时，可连续测得海底多金属结核的分布密度和大小等资料。在此种情况下，回声测深仪和深海浅层剖面仪等的频率在理论上应在下列范围：3～5kHz、8～15kHz和25～35kHz。因为所欲探测的结核的大小的直径为几厘米到＞10cm不等，所以多频勘探数据处理系统能与任何一般规格的声波探测仪器结合使用，只要从这些仪器测得的声波输出信号给予线性放大，并加以控制，以避免饱和即可。
多频勘测的具体工作方法与其它物探方法类似，测网的布置要依照不同的调查阶段而定。按不同的精度要求和比例尺选择适当的数据采集时间间隔，通常是每公里采集3～4个点，因而对不同的航速要有不同的采集时间间隔，以保证勘探精度要求。
多频探测系统与无缆式抓斗或有缆抓斗相比较有如下优点：
（1）速度快；
（2）可以获得连续的整条测线的数据；
（3）相关系数为0.7～0.9;
（4）工作方便，安全可靠。
与海底照相和海底电视相比较，多频探测系统成本低、速度快、安全可靠并不受海底地形起伏和海山等障碍物的影响。它适合于在大洋中进行大面积的连续调查。
4.重力、磁力测量及其仪器设备
重力、磁力测量往往在大洋多金属结核调查的初期进行，其目的是了解调查区域的构造特征、岩浆活动以及海底地形、地貌变化的控制因素。我国现有的调查船往往都配置有这类设备，如海洋四号船使用KSS-5型海洋重力仪和G821G型核子磁力梯度仪；向阳红16号船配置有KSS-5型海洋重力仪和CHHK-2型海洋核子磁力仪。
5.海底照相及其设备
通过海底照相，在照片上可直接观察到多金属结核在大洋表面的赋存状态，求得其覆盖率、粒径和丰度，并了解洋底表层沉积物的特征、底栖生物的活动等信息。海底照相通常采用两种方法和设备：
（1）自返式海底照相系统 该设备配合自返式采样装置可以拍摄采样点的海底沉积物和多金属结核的分布特征。美国Boathos公司生产的改进型4201自返式抓斗配备有海底照相系统。这种系统把袖珍的135相机装在一高压密封罐中，照相机系有2.0kg的重物，当与海底接触时启动电磁快门。在取样前触发一次照相，拍摄的海底面积最大为2.1m×1.4m。
图3—1 海底照相系统
（2）拖曳式海底照相系统 该系统的作用是探明海底多金属结核赋存状态，照片供研究人员计算结核覆盖率、推算丰度及其它解释使用。海洋四号采用英国Camera Alive公司生产的CI800和CI256型海底照相系统（图3—1），两系统的结构和原理相同，均由照相机、闪光灯、声脉冲发生器、触发器、直流电源和同步控制器组成。前者可以连续拍摄800张135彩色胶片，后者可以连续拍摄256张135彩色胶片（照相机镜头离海底距离3m，每张胶片的画面最大覆盖面积3.9rn×2.6m）。照相系统工作时，钢缆连结，万米绞车收放，声脉冲发生器和回声测深仪的应答器确定和控制海底照相机到达海底预定深度，每触发一次拍摄相片一张。系统结构合理，性能良好，成功率达到80%左右。
亦有一些国家将海底电视勘查系统用于大洋多金属结核海区海床勘查，当然这些设备的技术性能亦应满足如下要求：①作业深度——6000m；②拖曳速度——2.5kn；③电视离海底距离——3～10m；④像帧数——2×3150；⑤电视系统——慢速扫描标准。
6.先进的勘查系统及其设备
深拖系统和多波束回声测深仪等先进勘探系统是西方国家在多金属结核勘探阶段采用的手段，尤其是带有电视/照相装置的深拖系统，它可用于海底表层多金属结核的直接观察和评价。深拖装置所配备的浅层剖面仪、旁侧声纳以及多波束回声测深仪配置的测深仪、浅层剖面仪和旁侧声纳等均可以快速、精确地提供海底有关地形起伏、成分[1]、海底结构和构造等信息。这些设备往往在勘查的后期阶段使用。我国现已引进了这类设备，在开辟区内结核勘查的中、后期阶段，可以利用这些勘查系统获得精确可靠的资料。
（1）深拖系统 深拖系统主要由声学拖体和光学拖体两部分组成。以美国Simrad公司制作的AMS-60SI型深拖系统为例，该装置的声学拖体配备有浅层剖面仪（4.5kHz）、旁侧声纳（56.7kHz）等测量系统，具有旁侧声纳、条带水深测量和浅地层剖面测量等多种声学测量功能；光学拖体配置有一套电视/照相系统。工作水深可达6000m。该设备还备有为旁侧声纳和浅层剖面资料归位校正的传感器。当作业中因拖鱼深度变化而引起的地形畸变时，可通过联机自动归位校正。拖鱼结构设计最大拖速为8kn，然而，该系统在运用浅层剖面仪（4.5kHz）、旁侧声纳（56.7kHz）等测量系统进行工作时，则将深拖装置置于海底之上50m处，以拖速1.5kn进行航行。
我国购置的深拖设备，包括一套AMS-60SI标准配置的声学拖体和一套电视/照相光学拖体、甲板控制和数据采集工作站、后处理工作站以及Dynacon柴油机－液压绞车系统和万米同轴电缆。在声学和光学拖体中，各种设备的技术指标分别如下：
旁侧声纳
发射频率 56.7kHz
发射功率 2000W（RMS,Hi设置） 150W（RMS,Lo设置）
带宽 水平 1.5°±0.1° 垂直600
最小旁辨压缩20dB
信号带宽 .8kHz
磁通门罗经 KVHC100,0.10分辨率
横纵摇传感器 0.1°分辨率
压力/深度传感器 0.01m分辨率
条带水深测量系统为同相干涉测量，增加了一组换能器和相关电路，包括波束寻找和波束正常化特征电路。
海底剖面仪
发射频率 4.5kHz
发射功率 500W（RMS）
带宽 ±25°
光学拖体的配置
Colmek TVTM 多路传输系统
Simrad photosea 5000D照相机
Simrad photosea 1500SD闪光灯①成分泛指地层分层、分层结构等。
Osprey sitoe 1323 电视摄像机
600TV线 5×10-4LUX
电视照明灯
高度计 Simrad Mesotech Mode 1807
电视信号传输速率 实时黑白传输30帧/s
这项装置应能满足多金属结核后阶段详查工作的要求。
（2）多波束回声测深仪 海底多波束测量系统能提供较高密度和较高质量的地形测量资料。目前在一些先进国家，该设备的使用已经逐渐取代了单波束的深海测深仪。法国从1980年开始在“让·夏尔科”号海洋科考船使用Sea Beam多波束回声测深仪，在认识海底含多金属结核地区的地貌方面取得了重大进展。这个系统发出16束狭窄的声波（每束2°40′），构成一个复杂的系列，能自动补偿船的纵横摇动。在进入船只本身的航行数据后可以得出航道两侧相当于海底深度2/3的长条的海底地形图。在5000m水深的海域其测量的分辨率不大于20～30m。多波束回声测深仪的优点是能在相对较短的时间内进行大面积的探测，在5000m水深的海域内可以在25天内完成面积为3万km2的测区。利用多波束回声测深仪可以显现回声测深仪不能显现的一些地貌和构造特征。但在勘探的最后阶段，仍无法取代高分辨率的深拖系统。
这类测量系统的深度测量范围为10～11000m，最新一代的海底多波束测量系统包括：海底测深系统、旁侧声纳和浅层剖面仪。目前已有德国的ATLAS公司、挪威的SINRAD公司和美国的SEABEAM仪器公司生产制作这类系统。
以SEABEAM仪器公司制作的SEABEAM2100型为例，其主要装置有：发射换能器子系统、水听器子系统、发射机子系统、接受机和声纳处理机子系统、工作站以及绘图处理机和显示储存子系统。
最新一代的多波束测量系统集测深、旁侧声纳和浅地层剖面仪功能于一体，可以同时测量并获得海底宽幅的地形资料、旁侧声纳图像资料、海底浅地层剖面资料，绘制海底等深线图，并揭示有关地形起伏、成分、海底结构和构造等有用信息。
SEABEAM 2100型多波束测量系统的主要技术指标：
深度范围 10～11000m
频率 2～7kHz
声源电平 233dB/（μPa·m）
发射功率 30kW（峰值线性）
TX动态范围 70dB
TX脉冲射窗口 矩形、余弦
3.2.2 地质勘查方法及其调查设备
在各个阶段的多金属结核调查中，都必须按测站系统地采集地质样品用于直接的观察、描述和测试研究。研究目的不同，调查要求不同，所采用的采样设备也不同。以下将列举各种样品采集装置及其用途。
1.有缆地质采样器
有缆地质采样的项目包括抓斗、箱式取样器、拖网、重力取样器和重力活塞取样器等多种采样手段。
（1）抓斗 抓斗是采集多金属结核或表层沉积物样品最常用的设备。有缆抓斗的配套装置是带钢缆的深海绞车和供取样器投放和回收的倒L型吊架或A型架。在离取样器50～100m处的钢缆上装上声脉冲发生器，它产生的脉冲信号及海底反射信号由测深仪接收，以便操作人员掌握抓斗到达海底的情况，及时进行定位和回收。通常采用的抓斗的开口面积为0.25m2（50cm×50cm）。目前我国大洋多金属结核调查所采用的抓斗多选用中国科学院（青岛）海洋研究所制作的大洋50型抓斗。
（2）箱式取样器 箱式取样器（图版Ⅰ—1）用于采集不受扰动的海底沉积物样品，其取样面积为0.25m2（50cm×50cm）。箱式取样器用钢缆连结，由万米绞车释放和回收。在投放海底采集样品时，根据声脉冲发生器发出的信号确认取样器是否已抵达海底。
（3）拖网 拖网（图版Ⅰ—2）用于海底拖曳采集多金属结核和岩石样品，其网口为1.2m×0.6m，钢质。网身为尼龙绳编织，网眼一般为1.5cm×1.5cm，长度2m左右。网尾固定一重锤，以维持网身伸展状态。收放及拖曳作业则用钢缆及万米绞车进行，必要时船舶配合以低速移动。
（4）重力取样器 重力取样器用于采集柱状沉积物样品，取心直径为7.3cm，长度为3.2m。用钢缆连接，由万米绞车控制释放和回收。重力取样器和其它有缆采样器一样，需要在钢缆上安装一声脉冲发生器，作为取样器到达海底的应答手段，便于操作人员控制释放和回收。目前我国在大洋多金属结核矿产资源调查中常用的重力取样器为美国Benthos公司所产的2175型重力取样器。
（5）重力活塞取样器 在采集长柱状沉积物岩心时往往需要采用大型重力活塞取样器（图版Ⅰ—3）。这种取样器的优点是被采集的沉积物样品不被扰动，而且能获得有足够长度的沉积物岩心。Benthos公司生产的2450型重力活塞取心器能获得15.2m长的岩心，经过一定的改装还可获得更长的岩心。岩心的长度取决于研究工作的需要以及调查船工作面的大小。在安装有声脉冲发生器的重力活塞取心器到达海底时，取样器巨大的自重和活塞底局部真空所造成的压差将柱状沉积物压入样管，即可获得这种长柱状沉积物样品。声脉冲发生器和回声测深仪的应答，将保证操作人员能正确了解重力活塞取心管到达海底的时间，以便控制它的收放。
这种取心器只是在对某些地点进行详细勘探时才系统地使用。它既能从沉积物表层，也能从较深的地层采集样品。这些样品不仅能用于土质特性的研究，还可以对这些含结核地区的地质史进行科学研究（例如：沉积学、地球化学、生物学、年代测量等）。
2.无缆地质采样
无缆地质采样包括自返式抓斗和自返式重力取心器等多种采样手段，现分别叙述如下：
（1）自返式抓斗 自返式抓斗是取多金属结核的最主要手段。我国采用的是美制4201型自返式抓斗（图版Ⅰ—4），取样面积为0.2m2。自返式抓斗的工作原理为：用载有压载物（铁砂）的抓斗沉入海底后，自动触发装置把装有沉积物样品的抓斗取样网合拢，同时释放压载物。由于浮球的作用，网中的样品被带出水面。依靠导航定位、信号旗、闪光灯、无线电信标等装置的帮助回收自返式抓斗。这种抓斗在5000m左右水深的海域作业时每个站位的作业时间约为3～4h。采用自返式抓斗作业的最大优点是调查船可以在连续航行中采集样品。因此，这是获取多金属结核的主要设备。
装在取样器上的照相机，拍摄的每张照片涉及的海底面积约为1m2，拍摄方向稍微偏离垂直线。样品是在近于拍摄的同一时间取得的，取样的理论面积为0.18m2。
取样系统的采获量随结核的大小而变化，不能将所采结核的重量直接折算为丰度（kg/m2）；这一必要数据是通过对样品和海底照片进行严谨的分析比较而得出的。
这种采样装置在矿床勘查初期用得很多，实践证明，其损失率约为1%，颇为有效。每个采样点算作一个站位。一组站位（通常5～7个）构成一个测站。
（2）自返式重力取心器
自返式重力取心器用于采集海底柱状沉积物样品。其取心直径为7.3cm，最大取心长度为1.22m，其工作原理与自返式抓斗相同。采用自返式重力取心器的优点是获得未被扰动的柱状沉积物样品，以便研究这一深度内沉积物的沉积特征等各类地质信息。采集的沉积物样品回收则依靠导航定位以及取心器上所带的闪光灯的帮助，因此在夜间作业效果较好。
自返式取心器虽然容易操作，但是效果不稳定，在作业的可靠性（它不能用于固结沉积物）和测量有效性方面亦是如此。
图3—2 温盐深（CTD）测量系统
3.温度－盐度－深度测量
目前，在大洋多金属结核勘查工作中，对调查站位海水的温度、盐度和水深（简称温盐深）的综合测量，常采用美国EG＆G公司生产的MARK－Ⅲ型温盐深测量系统（图3—2）。其主要功能既满足了部分地质调查项目的要求，亦符合水文调查的需要。测量项目有海水的温度、盐度、深度、电导率、pH值、溶解氧、声速和密度的纵向分布值等，并可以选择12个不同深度水层采集水样。每个水样的体积为500ml，用于不同的研究目的。
3.2.3 水文气象观察
水文气象调查工作虽然是一项辅助工作，但其调查结果对于多金属结核的地质成因及分布的探讨，对于调查规划的制定和实施都有重要意义。水文气象观察的内容应包括温盐深的测量、海流的测量和气象观察等项目。在不同的阶段，调查的内容和要求也不同。
1.水文地质调查
水文地质调查包括温度、盐度、水色透明度、海流和海浪的调查。水文地质调查一般采用定点调查的方式，它又可分为断面观测、大面观测和连续观测等几种。
由于水文地质调查往往是定点观测，采用温盐深仪测量系统（CTD）在测量观测点的水深的同时就可以满足温度和盐度的测量要求，因此，选用的设备必须满足工作区适用的水深范围和所测水文要素的测量要求。
海流观测主要是测定海流的流速和流向，辅助测量风速和风向，在测量过程中，对海流流速的准确度不大于±3cm/s；流向准确度不大于±10°。大洋海流的观测多采用声学多普勒剖面仪或自容式海流计，借助于深海测流浮标系统进行测量。近年来，计算机系统的配置，使得海流观测数据可以进行实时处理，处理后的数据可记录在磁盘上或磁带上。
海浪观测需要测量海浪的波高、周期、波向、波形和海况。海浪的观测既可以用目测，也可以用仪器测量。仪器测量一般采用浮标式加速度型测波仪。配有数据处理系统的测波仪，可借助系统的微机对观测资料进行实时处理，求得波高、有效波周期、最大波高和最大波周期；处理后的资料可以在荧光屏上实时地显现出来，也可以记录在磁盘和磁带上，通过回放机和打印机直接打印出来。
2.气象调查
各个航次的大洋调查都需要进行海面气象调查，因为它是为天气预报和水文地质调查目的服务的。大洋勘查中不断积累的气象调查资料亦将为今后对这一海区的多金属结核矿区的开发评价提供气象方面的依据。
海洋气象调查的内容包括海冰、表层气温、天气现象、能见度、云、风、空气的温度和湿度、气压等气象要素。这些项目均属于常规的调查工作，使用常规的设备就可以完成。在当前大洋多金属结核勘查中亦经常可以借助气象卫星发布的资料指导大洋调查工作的实施，然而在大洋多金属结核勘查工作中坚持进行这项气象调查有助于对气象卫星发布数据的正确性进行判别。不断积累的气象资料将有助于对预定的开发区作气象方面的正确评价。
