日本利用SBP數(shù)據(jù)勘探深海稀土的方法總結(jié)

宋韋劍，吳西順，楊添天，黃文斌，王慶志

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221008； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京100083； 3.中國地質(zhì)圖書館，北京100083； 4.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037； 5.內(nèi)蒙古大學(xué)，內(nèi)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(xué)術(shù)界一種比較通用的專業(yè)術(shù)語。洋泥(作為一種資源，其與陸上含REY礦床相比有5個(gè)明顯的優(yōu)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(jīng)濟(jì)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(qū)域發(fā)現(xiàn)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(guān)注[2-3]。

最近，日本利用SBP技術(shù)結(jié)合多波速測深和波速強(qiáng)度數(shù)據(jù)，高分辨率探測稀土的富集區(qū)和高富集區(qū)，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(fā)現(xiàn)了富REY的軟泥[4]。這一發(fā)現(xiàn)基于南鳥礁周圍海域深海鉆探項(xiàng)目(DSDP)和海洋鉆探計(jì)劃(ODP)(深海鉆探孔198A和海洋鉆探孔800A)的巖芯樣品化學(xué)分析。然而，富REY軟泥的精細(xì)分層受到巖芯回收率較差的嚴(yán)重制約。最近，從該區(qū)域獲得了超過10個(gè)活塞式巖芯，這些新活塞巖芯樣品的化學(xué)分析表明，在海底以下10 m內(nèi)賦存著富REY軟泥，包括IIJIMA等[5]在2016年報(bào)道的高濃度富REY軟泥在內(nèi)，然而，這些巖芯鉆探資料都呈點(diǎn)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(nèi)又稱為淺地層剖面分析，是海洋地質(zhì)學(xué)界新興的一種專業(yè)探測技術(shù)。(淺地層海底剖面分析)可以發(fā)揮所長，這項(xiàng)技術(shù)長期以來用于研究深水環(huán)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(xù)的信息，而且比活塞巖芯采樣效率要高，探及深度(高達(dá)約100 m)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)行的淺地層剖面數(shù)據(jù)，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(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)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(jù)磁性條帶和生物地層學(xué)數(shù)據(jù)可知，該區(qū)域海洋地殼的年齡為150～160 Ma[10]。由于海洋地質(zhì)的數(shù)據(jù)極其有限，本文根據(jù)現(xiàn)有材料，列出了初步的地層層位柱狀圖(鉆孔編號(hào)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(zhì)時(shí)期里在太平洋的不同區(qū)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(qū)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(yùn)動(dòng)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(dòng)(圖3)。來自南鳥礁周圍海域內(nèi)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(zhì)軟泥，后期燧石構(gòu)成了研究區(qū)域中的聲學(xué)基底；75 Ma以后為遠(yuǎn)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(rèn)為富含REY的軟泥沉積就恰好發(fā)生在這個(gè)時(shí)期(圖3)，之后到達(dá)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(qū)域[12]。

上文描述的南鳥礁周圍海域的板塊運(yùn)動(dòng)歷史意味著富REY軟泥總是被在此區(qū)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(xiàn)在富REY軟泥沉積區(qū)域更深的地層當(dāng)中(圖3)。因此，今后該區(qū)域富REY軟泥的開發(fā)取決于富REY軟泥位于海底淺部區(qū)域的地質(zhì)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(jīng)驗(yàn)看，設(shè)備可以不是最先進(jìn)的，高質(zhì)量的成果來自精細(xì)的操作和細(xì)致的數(shù)據(jù)處理。2013～2015年，日本“Kairei”調(diào)查船的KR13-02和KR14-02航次以及“Mirai”調(diào)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(jìn)行了淺地層剖面調(diào)查。

在儀器設(shè)備方面，調(diào)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(fā)射波束模式。在其他航次期間使用Bathy 2010系統(tǒng)，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(xù)地運(yùn)行回聲測深儀并進(jìn)行記錄，獲得了聲波反射等原始數(shù)據(jù)，其基本覆蓋了整個(gè)南鳥礁周圍海域的上部沉積地層(圖4)。圖4(A)為7個(gè)研究航次的淺地層剖面軌跡;圖4(B)為相應(yīng)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(shù)據(jù)處理中，研究人員首先使用多波束測深和波束強(qiáng)度數(shù)據(jù)來表征海底地形，這些數(shù)據(jù)是日本海岸警衛(wèi)隊(duì)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(jìn)行采集的，將其作為大陸架調(diào)查的一部分。研究組從OIKAWA和MORISHITA(2009年)報(bào)告的最初原始數(shù)據(jù)中去除了錯(cuò)誤的探測，并以0.1弧分為間隔對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，基于1.74 km/s的震波速度計(jì)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(xiàn)的聲學(xué)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(zhuǎn)換Fig.6 Conversion between various pan types

數(shù)據(jù)分析過程，基于反射面的形狀和圖案，結(jié)合測深數(shù)據(jù)，將淺地層剖面按照數(shù)據(jù)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(chǎn)資源。具體來講，O型相是聲學(xué)非穿透和高反射性的。這一相帶僅在海山或其附近被識(shí)別，并且結(jié)構(gòu)表明在沉積物表面以下沒有發(fā)現(xiàn)沉積。聲學(xué)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(xué)透明的，在其上邊界和來自下面聲學(xué)基底的強(qiáng)反射物之間沒有任何可見的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖5(A))。根據(jù)上邊界的形態(tài)細(xì)分為不規(guī)則(TI)和平滑(TS)類型。TI型相具有不規(guī)則的上邊界，其通常平行于聲學(xué)基底的地形(圖5和圖6)；TS型相具有完全獨(dú)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(gè)反射面，通常是連續(xù)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?yōu)門S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(jié)構(gòu)也變得模糊不清楚。因?yàn)長型相和TS型相的表面形態(tài)基本上相同(即平滑形態(tài))，所以在兩個(gè)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?yōu)門I型(圖幅的右側(cè))。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(jié)構(gòu)也變得模糊。然而，TI型相和L型相的海底外觀形態(tài)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(gè)狀況，海底地層從L型相區(qū)域中的平滑狀態(tài)逐漸變化為TI型相的不規(guī)則狀態(tài)，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(zhuǎn)變和TI型/L型轉(zhuǎn)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(yīng)充分認(rèn)識(shí)到，在這兩個(gè)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(shí)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(qiáng)度)有關(guān)。沿著淺地層剖面測線通過對經(jīng)過濾波的振幅網(wǎng)格(5 km長度中值濾波器)采集數(shù)據(jù)，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(qū)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(xiàn)為波束振幅逐漸減小(圖7(B)的右側(cè))，可能反映了海底地貌從不規(guī)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(guān)。

3 聲相特征與巖芯樣品對比

為了識(shí)別對應(yīng)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(xué)特征進(jìn)行比對。共使用了T型相和L型相區(qū)域的11個(gè)活塞巖芯數(shù)據(jù)，但不包括3個(gè)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(xiàng)目(DSDP 198A，1973)和海洋鉆探計(jì)劃(ODP 800A，1992)。這種對比之所以重要是因?yàn)榭梢詫⒙晫W(xué)特征與實(shí)際海底巖性和地球化學(xué)特征建立直接的聯(lián)系。

具體來講，從T型相區(qū)域共獲得7個(gè)活塞式巖芯。圖8為相關(guān)區(qū)域回收的沉積巖芯，7個(gè)巖芯分別對應(yīng)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(gè)巖芯(KR13-02 PC02，KR14-02 PC02和KR14-02 PC04)來自TI型相區(qū)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(qū)域的活塞式巖芯的穿透深度相對較短(<10 m)。這是因?yàn)樵趲r芯的最上端存在較硬的成分，含有錳鐵微粒或火山碎片(<～5 μm)。另外有4個(gè)巖芯(KR13-02 PC04、05、06和07)來自TS型相的區(qū)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(xiàn)深棕色和棕黑色黏土。

KR13-02 PC05和PC06巖芯僅在最低部分發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)于高度富含/極其富含REY的軟泥層。

從L型相區(qū)域回收了4個(gè)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(fā)現(xiàn)了交替出現(xiàn)的富含硅藻的巖層和富含黏土的巖層。此外，這些巖層當(dāng)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(qū)域的巖芯中發(fā)現(xiàn)的這種分層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了L型相中的多個(gè)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(qū)域的巖芯，而與L型相區(qū)域的巖芯不同。

從TI型相和TS型相的海底以下10 m內(nèi)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(yīng)于富REY軟泥。相比之下，來自巖芯MR13-E02 PC01、PC02和PC03(從L型相區(qū)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(yīng)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(qū)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(gè)巖芯來自南鳥礁周圍海域的北部，在回聲圖(圖5(B))中發(fā)現(xiàn)數(shù)十米厚的L型相，具有清晰的分層結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，在大約15 m長的活塞巖芯中沒有發(fā)現(xiàn)富REY軟泥(圖8(C))。但是，巖芯KR13-02 PC03發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)變得不清晰(圖6(A))。據(jù)此，研究人員認(rèn)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(jīng)過對比分析，認(rèn)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(fā)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(xué)的比較可證實(shí)：T型相對應(yīng)于富REY軟泥，L型相對應(yīng)于非富REY沉積。此外，綜合考慮巖性/地球化學(xué)結(jié)果以及自75 Ma以后的南鳥礁的重建路徑(在黑矽沉積結(jié)束后)(圖2)，可認(rèn)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(yīng)中北太平洋的深海泥沉積和北太平洋西緣的半遠(yuǎn)洋沉積。

4 聲相分布圖

聲相分布圖是聲相學(xué)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(qū)域代表O型相。如上所述，將聲相與回聲測探結(jié)果進(jìn)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(chǔ)上，再使用海底形態(tài)和波束振幅圖(圖4)在測量線之間進(jìn)行插值分析，從而建立整個(gè)研究區(qū)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?yàn)檫@些可歸類為O型相，對應(yīng)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(qū)域，其對應(yīng)觀察到的TI型相區(qū)域。最后，將其余區(qū)域作為L型相或TS型相區(qū)域。由于這兩個(gè)聲相不能基于回聲測探結(jié)果來區(qū)分，所以只能基于淺地層剖面數(shù)據(jù)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(gòu)成，而這一相帶只在北半部的一小部分區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)。這些聲相幾乎全部是TI型。TS型相僅出現(xiàn)在研究區(qū)南部的一小塊面積中，盡管研究人員不能排除L型相區(qū)域內(nèi)存在其他小塊TS型相的可能性(兩個(gè)聲相的特行都是低波束振幅，因此是不易區(qū)分)。

如上所述，TI型相的上邊界與聲學(xué)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(qū)域的海底地形總是高于TS型(圖7(B)和圖7(C))。這啟發(fā)我們思考TI型的不規(guī)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(chǎn)生。因?yàn)門I型相和TS型相都被L型相覆蓋，所以認(rèn)為侵蝕發(fā)生在L型聲相的沉積之前。

L型相廣泛地暴露在研究區(qū)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(qū)域的富REY軟泥總是被沉積在當(dāng)前南鳥礁位置的非富REY沉積物所覆蓋。在研究區(qū)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(fā)生了區(qū)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(jù)此，研究人員建議這些區(qū)域應(yīng)成為今后在南鳥礁周圍海域開發(fā)富REY軟泥的主要目標(biāo)區(qū)域。此外，L型相的區(qū)域也存在富REY軟泥，但可能埋藏較深，因?yàn)長型相(非富REY沉積物)總是覆蓋在T型(富REY軟泥)之上。

5 結(jié) 論

1) 聲學(xué)信號(hào)處理時(shí)，區(qū)分為3個(gè)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(xì)分為不規(guī)則相(TI)和平滑相(TS)兩種類型。

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

3) 與實(shí)際海底底質(zhì)和巖芯采樣相關(guān)聯(lián)和比對：O型相對應(yīng)于沒有軟沉積物覆蓋的硬巖露頭；T型相對應(yīng)于富REY軟泥；L型相代表非富REY的半遠(yuǎn)洋沉積物。

4) 具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦產(chǎn)資源應(yīng)重點(diǎn)關(guān)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(shù)在內(nèi)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(shù)調(diào)查海底稀土礦產(chǎn)[14-15]，充分說明這種技術(shù)的現(xiàn)實(shí)有效性。

致謝衷心感謝中國地質(zhì)大學(xué)的姚翔博士以及中國地質(zhì)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(dǎo)意見和熱情幫助。