日本利用SBP數據勘探深海稀土的方法總結

宋韋劍，吳西順，楊添天，黃文斌，王慶志

(1.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221008； 2.中國地質調查局地學文獻中心，北京100083； 3.中國地質圖書館，北京100083； 4.中國地質調查局，北京 100037； 5.內蒙古大學，內蒙古 呼和浩特 010000)

0 引 言

富REY[注]REY是英語Rare-earth elements and yttrium的縮寫，即稀土元素和釔元素的合稱，是國際學術界一種比較通用的專業術語。洋泥(作為一種資源，其與陸上含REY礦床相比有5個明顯的優勢：①分布廣泛，資源潛力巨大；②REY濃度高，重稀土元素顯著富集；③層狀分布，利于低成本勘探，經濟可行；④釷鈾等放射性元素低；⑤可通過酸浸方法提取[1]。自2011年日本在太平洋區域發現了富含稀土和釔(REY)元素的深海沉積物(又稱為富REY洋泥)，海洋稀土就受到了全世界的高度關注[2-3]。

最近，日本利用SBP技術結合多波速測深和波速強度數據，高分辨率探測稀土的富集區和高富集區，這種勘探深海洋泥的方法值得研究和借鑒。

2012年，日本又在西太平洋南鳥礁附近的周圍海域發現了富REY的軟泥[4]。這一發現基于南鳥礁周圍海域深海鉆探項目(DSDP)和海洋鉆探計劃(ODP)(深海鉆探孔198A和海洋鉆探孔800A)的巖芯樣品化學分析。然而，富REY軟泥的精細分層受到巖芯回收率較差的嚴重制約。最近，從該區域獲得了超過10個活塞式巖芯，這些新活塞巖芯樣品的化學分析表明，在海底以下10 m內賦存著富REY軟泥，包括IIJIMA等[5]在2016年報道的高濃度富REY軟泥在內，然而，這些巖芯鉆探資料都呈點狀分布。即使在今天，富REY軟泥在南鳥礁周圍海域的廣域分布仍然無法弄清。

鑒于此，SBP[注]SBP是英語Sub-bottom profiling的縮寫，意思是淺層海底剖面分析，在國內又稱為淺地層剖面分析，是海洋地質學界新興的一種專業探測技術。(淺地層海底剖面分析)可以發揮所長，這項技術長期以來用于研究深水環境中海底沉積物的特征和分布[6-9]。本文所展示的聲相圖是稀土資源專屬的反射特性。SBP與鉆探相比，可提供高密度而連續的信息，而且比活塞巖芯采樣效率要高，探及深度(高達約100 m)也遠遠大于活塞式取芯(<20 m)。為了闡明富REY軟泥在南鳥礁周圍海域的地層位置和分布，日本研究組分析了在南鳥礁附近進行的淺地層剖面數據，并將其與多波束聲吶測深和波束振幅以及沉積巖芯樣品的巖性和地球化學數據結合進行分析。

1 地質背景

研究區域是位于太平洋板塊西部的南鳥礁周圍海域，小笠原群島以東約1 000 km處(圖1)。根據磁性條帶和生物地層學數據可知，該區域海洋地殼的年齡為150～160 Ma[10]。由于海洋地質的數據極其有限，本文根據現有材料，列出了初步的地層層位柱狀圖(鉆孔編號參見圖2)，含礦層位主要是粉紅色的磷酸鹽和沸石黏土，這些地層是在漫長的地質時期里在太平洋的不同區域形成的。

圖1 日本南鳥礁周圍海域地理位置示意圖(虛線)Fig.1 Schematic diagram of the geographical location around the South Bird Reef in Japan(dashed line)

圖2 研究區的地層柱狀示意圖Fig.2 Schematic diagram of the stratum of the study area

研究表明，使用Gplates軟件重建的板塊運動軌跡[11]顯示，南鳥礁周圍海域的洋殼起源于東南太平洋，然后向西北移動(圖3)。來自南鳥礁周圍海域內部和周圍的DSDP/ODP鉆場巖芯樣品表明：75 Ma以前的洋殼沉積為硅質軟泥，后期燧石構成了研究區域中的聲學基底；75 Ma以后為遠洋棕色黏土沉積。從約75 Ma到約25 Ma，南鳥礁所在板塊穿過中北太平洋。日本認為富含REY的軟泥沉積就恰好發生在這個時期(圖3)，之后到達西太平洋。圖3中的橢圓形為YASUH IRO等于2011年公布的富REY軟泥沉積區域[12]。

上文描述的南鳥礁周圍海域的板塊運動歷史意味著富REY軟泥總是被在此區域中的非富REY沉積物所覆蓋，并且因此富REY軟泥有可能存在于比現在富REY軟泥沉積區域更深的地層當中(圖3)。因此，今后該區域富REY軟泥的開發取決于富REY軟泥位于海底淺部區域的地質圖繪制。

圖3 140 Ma以來南鳥礁的漂移路徑重建Fig.3 Drift path reconstruction of the South Bird Reef since 140 Ma

2 研究方法

從日本的經驗看，設備可以不是最先進的，高質量的成果來自精細的操作和細致的數據處理。2013～2015年，日本“Kairei”調查船的KR13-02和KR14-02航次以及“Mirai”調查船的MR13-E02第2航段、MR14-E02、MR15-E01第2航段、MR15-E01第3航段和KR14-02航次，均進行了淺地層剖面調查。

在儀器設備方面，調查航次使用了2種不同的淺地層剖面儀：Sea Beam 2112.004(SeaBeam儀器公司)和Bathy 2010(SyQwest公司提供)。僅在航次KR13-02期間用過多波束測深儀Sea Beam 2112.004，使用60 TR-109投影儀，在4 kHz頻率下操作，以形成在前后方向上跨越45°、橫向5°的發射波束模式。在其他航次期間使用Bathy 2010系統，在3.5 kHz下操作，并且其主能量以頂角約23°的錐體輻射。

通過對這些航次連續地運行回聲測深儀并進行記錄，獲得了聲波反射等原始數據，其基本覆蓋了整個南鳥礁周圍海域的上部沉積地層(圖4)。圖4(A)為7個研究航次的淺地層剖面軌跡;圖4(B)為相應淺地層剖面圖的水深。

圖4 南鳥礁周圍海域的水深圖Fig.4 Water depth map of the sea around the South Bird Reef

數據處理中，研究人員首先使用多波束測深和波束強度數據來表征海底地形，這些數據是日本海岸警衛隊于1998～2008年使用Sea Beam 210和Sea Beam 2112多波束回聲測深儀在12 kHz頻率下進行采集的，將其作為大陸架調查的一部分。研究組從OIKAWA和MORISHITA(2009年)報告的最初原始數據中去除了錯誤的探測，并以0.1弧分為間隔對數據進行網格化，基于1.74 km/s的震波速度計算沉積厚度。編制了如圖5所示的地形圖。圖4中給出了圖5和圖6中所呈現的聲學剖面的位置。

圖5 南鳥礁周圍海域多波束測深和波束振幅Fig.5 Multi-beam sounding and beam amplitude in the sea around the South Bird Reef

圖6 各種聲相類型之間的轉換Fig.6 Conversion between various pan types

數據分析過程，基于反射面的形狀和圖案，結合測深數據，將淺地層剖面按照數據類型劃分成3種不同的聲相類型：非穿透型(O型)、透明型(T型)和分層型(L型)。其中，后兩種聲相類型富含一定濃度的稀土礦產資源。具體來講，O型相是聲學非穿透和高反射性的。這一相帶僅在海山或其附近被識別，并且結構表明在沉積物表面以下沒有發現沉積。聲學特征與分布表明：O型相沒有軟沉積物覆蓋的硬巖露頭；T型相是聲學透明的，在其上邊界和來自下面聲學基底的強反射物之間沒有任何可見的內部結構(圖5(A))。根據上邊界的形態細分為不規則(TI)和平滑(TS)類型。TI型相具有不規則的上邊界，其通常平行于聲學基底的地形(圖5和圖6)；TS型相具有完全獨立于基底地形的平坦上邊界。兩者除了上表面不同之外，其他完全相同。L型相的特征是具有多個反射面，通常是連續的并且平行于海底，但不總是與基底的形狀一致。L型相總是覆蓋在T型相特別是TS型相之上。

在圖7(A)中，最上層位從L型改變為TS型。在過渡處，上覆的L型相逐漸變薄尖滅，并最終淡出。除了厚度變化之外，L型相在邊界處的層狀結構也變得模糊不清楚。因為L型相和TS型相的表面形態基本上相同(即平滑形態)，所以在兩個聲相之間的過渡處海底地形外觀并沒有顯著變化。在圖7(B)中，最上層位從L型改變為TI型(圖幅的右側)。與L型相和TS型相之間的過渡情況類似，上覆的L型相厚度也逐漸減小，并且在TI型和L型的過渡處分層結構也變得模糊。然而，TI型相和L型相的海底外觀形態顯著不同。在TI型相和L型相之間的銜接變化就反映了這個狀況，海底地層從L型相區域中的平滑狀態逐漸變化為TI型相的不規則狀態，其上覆蓋的L型相厚度也逐漸減小。在這兩種過渡情況下(TS型/L型轉變和TI型/L型轉變)，TI相型和TS型相均沒有顯著變化(圖6)。與TI/TS型相與L型相之間的逐漸變化相反，TI型相和TS型相之間的邊界通常是尖銳和清晰的，海底地形急劇變化。此外，也應充分認識到，在這兩個相的分界處，TI型相的海底地形總是高于TS型相的海底高程。

圖7 SBP聲相和多波束振幅的比較Fig.7 Comparison of SBP and multi-beam amplitudes

由淺地層剖面(SBP)識別的聲相通常與多波束回聲測深記錄的波束振幅(即波束背向散射強度)有關。沿著淺地層剖面測線通過對經過濾波的振幅網格(5 km長度中值濾波器)采集數據，即可繪制波束振幅剖面圖。如圖7所示，TS型相和L型相顯示為相對較低的波束振幅(<13.5 dB)，而TI型相以及O型相則是較高的波束振幅(高于13.5 dB)。一方面，L型相和TS型相之間的過渡，無法通過波束振幅來區分(圖7(A))。另一方面，在TI型相和TS型相之間的過渡可以觀察到波束振幅的急劇變化。值得注意的是，TI型到L型的過渡表現為波束振幅逐漸減小(圖7(B)的右側)，可能反映了海底地貌從不規則(TI型相)到平滑的(L型相)逐漸變化是與L型相的厚度增加有關。

3 聲相特征與巖芯樣品對比

為了識別對應T型聲相和L型聲相的沉積物類型，研究人員將這些聲相與沉積巖芯樣品的巖性和地球化學特征進行比對。共使用了T型相和L型相區域的11個活塞巖芯數據，但不包括3個非常短(≤3 m)的巖芯(KR13-02 PC01，KR14-02 PC01和PC03)[3]。巖芯來自早先南鳥礁周圍海域深海鉆探項目(DSDP 198A，1973)和海洋鉆探計劃(ODP 800A，1992)。這種對比之所以重要是因為可以將聲學特征與實際海底巖性和地球化學特征建立直接的聯系。

具體來講，從T型相區域共獲得7個活塞式巖芯。圖8為相關區域回收的沉積巖芯，7個巖芯分別對應于3種聲相類型，圖8(A)為TI型相，圖8(B)為TS型相，圖8(C)為L型相。其中，3個巖芯(KR13-02 PC02，KR14-02 PC02和KR14-02 PC04)來自TI型相區域。巖芯的上部是棕色至深棕色黏土，由黏土礦物與少量石英和鈣十字石組成；而下部由具有沸石和沸石黏土的深棕色黏土組成，其特征是鈣十字石的含量有所增加(圖8(A))。來自TI型相區域的活塞式巖芯的穿透深度相對較短(<10 m)。這是因為在巖芯的最上端存在較硬的成分，含有錳鐵微?；蚧鹕剿槠?<～5 μm)。另外有4個巖芯(KR13-02 PC04、05、06和07)來自TS型相的區域，最上部分是深褐色和棕黑色黏土(圖8(B))，由黏土礦物和少量石英組成。最上面的黏土層底部是褐黑色黏土，帶有明顯鈣十字石含量的沸石或沸石黏土。在沸石黏土層的下面，巖芯中再次出現深棕色和棕黑色黏土。

KR13-02 PC05和PC06巖芯僅在最低部分發現了含有沸石或沸石黏土的棕黑色黏土。此外，在巖芯KR13-02 PC04、PC05和PC06中出現了含有磷酸鹽的黏土和含有磷酸鹽和沸石的薄層黏土，其特征是富含大量的生物磷酸鈣(BCP)(圖8(B))。這些富BCP層完全對應于高度富含/極其富含REY的軟泥層。

從L型相區域回收了4個活塞式巖芯(KR13-02 PC03和MR13-E02 PC01、PC02和PC03)。在MR13-E02 PC01、PC02和PC03中，上部由具有硅藻(生物硅)的黃棕色至棕色黏土組成(圖8(C))。然而，巖芯的下部主要是棕色至深棕色黏土，主要由黏土礦物和少量石英組成。在這些巖芯中，發現了交替出現的富含硅藻的巖層和富含黏土的巖層。此外，這些巖層當中還夾雜著主要由硅藻組成的許多淺色薄層，約有幾厘米厚。L型相區域的巖芯中發現的這種分層結構導致了L型相中的多個反射面。在KR13-02 PC03巖芯中，由于巖芯襯層的損壞，缺乏部分樣本，而無法完全觀察巖芯淺部的巖性。巖芯的最上部是棕色黏土，由黏土礦物和少量的石英組成。然而，巖芯的較深部分是含有一定量的鈣十字沸石的褐黑色黏土。KR13-02 PC03的較深部分的巖性特征類似于T型相區域的巖芯，而與L型相區域的巖芯不同。

從TI型相和TS型相的海底以下10 m內回收的巖芯，其REY總濃度超過400 ppm(圖8(A)和圖8(B))。這清楚地表明T型聲相對應于富REY軟泥。相比之下，來自巖芯MR13-E02 PC01、PC02和PC03(從L型相區域回收)的所有樣品的REY總濃度小于400 ppm(圖8(C))，表明L型相對應于非富REY沉積物。只有巖芯KR13-02 PC03的下部(也就是來自L型相區域)顯示400～500 ppm的REY總濃度，這與上述樣品的巖性特征一致(即，類似于T型相軟泥)。

圖8 沉積巖芯顏色、巖性和REY深度剖面Fig.8 Sediment core color,lithology and REY depth profile

MR13-E02 PC01、PC02和PC03的3個巖芯來自南鳥礁周圍海域的北部，在回聲圖(圖5(B))中發現數十米厚的L型相，具有清晰的分層結構。事實上，在大約15 m長的活塞巖芯中沒有發現富REY軟泥(圖8(C))。但是，巖芯KR13-02 PC03發現了L型相和TS型相的過渡層，其上覆蓋的L型相變薄(假定震波速度為1.74 km/s，約10 m厚)，層狀結構變得不清晰(圖6(A))。據此，研究人員認為活塞巖芯穿透了L型相薄層并且采樣到了下面的富REY軟泥(T型相)。

經過對比分析，認為T型相海底軟泥富含稀土元素，由于板塊的漂移，其沉積發生在中北太平洋。聲相特征和沉積物巖性與稀土元素地球化學的比較可證實：T型相對應于富REY軟泥，L型相對應于非富REY沉積。此外，綜合考慮巖性/地球化學結果以及自75 Ma以后的南鳥礁的重建路徑(在黑矽沉積結束后)(圖2)，可認為T型相(富REY軟泥)和L型相(上覆的非富REY沉積物)分別對應中北太平洋的深海泥沉積和北太平洋西緣的半遠洋沉積。

4 聲相分布圖

聲相分布圖是聲相學探測的成果匯總圖件，可以直觀反映海底的基本情況。日本研究人員在該研究中沿著測線繪制了海底的不同聲相(圖9(A))。圖9(A)為包含淺地層剖面測線軌跡下方聲相的波束振幅圖，圖9(B)是研究中使用沉積巖芯的位置和聲相分布的水深圖，其中的未著色區域代表O型相。如上所述，將聲相與回聲測探結果進行比較顯示，TI型相的特征在于波束振幅相對較高，而TS型和L型相則波束振幅較低。在此基礎上，再使用海底形態和波束振幅圖(圖4)在測量線之間進行插值分析，從而建立整個研究區域的相圖分布(圖9(B))。

圖9 波束振幅圖及水深Fig.9 Beam amplitude map and water depth

將測線下觀測到的聲相和波束振幅納入考慮范圍，研究人員首先提取了海山的頂部和斜坡，因為這些可歸類為O型相，對應沒有軟沉積物覆蓋的硬巖露頭。接著，提取波束振幅顯示較高的區域，其對應觀察到的TI型相區域。最后，將其余區域作為L型相或TS型相區域。由于這兩個聲相不能基于回聲測探結果來區分，所以只能基于淺地層剖面數據來確定L型相和TS型相之間的邊界。

如圖9(B)所示，南鳥礁周圍海域南部和東南部的大部分海底由T型相構成，而這一相帶只在北半部的一小部分區域內出現。這些聲相幾乎全部是TI型。TS型相僅出現在研究區南部的一小塊面積中，盡管研究人員不能排除L型相區域內存在其他小塊TS型相的可能性(兩個聲相的特行都是低波束振幅，因此是不易區分)。

如上所述，TI型相的上邊界與聲學基底的地形大體平行，這與TS型相的情況完全不同(圖6和圖7)。此外，在TI型相和TS型相的交接處，TI型區域的海底地形總是高于TS型(圖7(B)和圖7(C))。這啟發我們思考TI型的不規則表面可能代表了原始地形，而TS型相的平滑表面則是由TI型相侵蝕后產生。因為TI型相和TS型相都被L型相覆蓋，所以認為侵蝕發生在L型聲相的沉積之前。

L型相廣泛地暴露在研究區域的北半部和西部海底。如上所述，這一相帶始終覆蓋T型相(圖6(A)、圖7(A)和圖7(B))。這與從板塊重建推斷的地層序列一致(圖2)，其中沉積在太平洋中心區域的富REY軟泥總是被沉積在當前南鳥礁位置的非富REY沉積物所覆蓋。在研究區域的部分中不存在L型相，可能說明L型相沉積期間或沉積之后發生了區域性的沉積間斷/侵蝕。

因此，在南鳥礁周圍海域的南部和東南部廣泛存在T型，且沒有L型覆蓋(圖9(B))，富REY軟泥存在于淺部地層(約小于10 m)。據此，研究人員建議這些區域應成為今后在南鳥礁周圍海域開發富REY軟泥的主要目標區域。此外，L型相的區域也存在富REY軟泥，但可能埋藏較深，因為L型相(非富REY沉積物)總是覆蓋在T型(富REY軟泥)之上。

5 結 論

1) 聲學信號處理時，區分為3個類型的聲相：非穿透相(O型)、穿透相(T型)和分層相(L型)等。其中T型相還再次細分為不規則相(TI)和平滑相(TS)兩種類型。

2) 不同類型的聲學信號各有特點。O型相是聲學非穿透和高反射性的，無沉積結構；T型相具有聲學穿透性并且受聲學基底反射界面影響，TI型相的不規則表面形態一般與聲學基底的形狀平行，而TS型的形態平滑與基底地形無關；L型相通常覆蓋T型相，分層序列形成多反射面。

3) 與實際海底底質和巖芯采樣相關聯和比對：O型相對應于沒有軟沉積物覆蓋的硬巖露頭；T型相對應于富REY軟泥；L型相代表非富REY的半遠洋沉積物。

4) 具有經濟價值的礦產資源應重點關注。其中，T型相(富REY軟泥)主要分布在南鳥礁周圍海域的南部和東南部，而L型相(非富REY沉積物)大量存在于北部和西部。

由于海洋稀土勘探的特殊性[13]，綜合使用包括SBP技術在內的多種勘探方法將可以提高工作效率和覆蓋的廣度與深度。中國也已開始采用這種技術調查海底稀土礦產[14-15]，充分說明這種技術的現實有效性。

致謝衷心感謝中國地質大學的姚翔博士以及中國地質圖書館王銘晗女士在本論文撰寫和繪圖過程中所給予的寶貴指導意見和熱情幫助。