Геофизические методы разведки подводных месторождений

Применение геофизических методов при поисках подводных месторождений успешно развивается. Точная регистрация глубины, например, является предпосылкой для любой подводной операции по пробоотбору; методы сейсмической разведки применяются все в большей степени; электрические и магнитные методы являются потенциально ценными при некоторых обстоятельствах.

Прецизионная регистрация глубины. Информация о топографии океанского дна является первостепенно важной при поисках подводных минеральных отложений. Такую информацию получают при использовании эхолота или прецизионного регистратора глубины (ПРГ).

Основными компонентами системы ПРГ являются акустический излучающий вибратор, приемный преобразователь и регистрирующее устройство. Акустический излучатель действует как источник звука и как гидрофон для приема отражений звуковых волн, направленных на морское дно.

Кроме обеспечения изображений морского дна точная регистрация глубины может быть использована для обнаружения отражающих объектов, находящихся в толще воды. Такое применение оказалось особенно полезным при исследовании рассолов, заполняющих впадины Красного моря, так как иногда можно наблюдать на глубине плотностную поверхность раздела между рассолом и морской водой (рис. 78). Однако этот метод не имеет постоянного применения в поисках металлоносных отложений, так как наблюдения в Красном море показали, что не все металлоносные осадки ассоциируются с рассолами, и, действительно, не все рассолы являются металлоносными. Тем не менее наличие отражателей в толще воды на записях ПРГ должно определенным образом показывать объекты для последующих операций пробоотбора, чтобы определить, присутствуют ли здесь металлоносные отложения. Использование профилирования с применением системы ПРГ с рабочей частотой 3,5 кГц при поисках железо-марганцевых конкреций было рассмотрено ранее.

Локатор бокового обзора. Системы локаторов бокового обзора установлены таким образом, что акустический луч проецируется в сторону, под углом к морскому дну, а не вертикально вниз под судно, как в системе ПРГ. Кроме того, если лучи ПРГ сформированы в виде веера, то лучи локатора бокового обзора имеют форму конуса. Они дают изображение морского дна в перспективе со стороны судна, как показано на рис. 79. Разрешающая способность таких систем зависит от ряда факторов, в том числе расстояния от поверхности дна, на котором они буксируются, Локатор бокового обзора в настоящее время применяется весьма ограниченно при поисках подводных месторождений. Однако, как описывалось ранее, с помощью такой системы можно очень четко показать песчаные волны и полосы па морском дне. Локатор бокового обзора имеет большие возможности при исследовании железо-марганцевых конкреций. Как отмечалось ранее, железо-марганцевые конкреции значительно варьируют по продуктивности на морском дне и концентрируются обычно па склонах холмов и слабо расчлененных участках дна, а не на гладких равнинах. Глубоководный локатор бокового обзора, такой, как GLORIA, можно было поэтому буксировать над конкрецисносным районом для получения изображения различных форм рельефа дна с шириной обзора в несколько десятков километров. Образцы конкреций е каждой из форм рельефа могли быть подняты для определения наиболее благоприятной батиметрической ситуации с точки зрения качества и продуктивности конкреций, а затем локатор бокового обзора использовался для обнаружения сходных форм рельефа во всем районе, содержащем конкреции. Кроме того, локатор бокового обзора с высокой степенью разрешения, буксируемый вблизи морского дна в виде «заглубленного» бокса, может использоваться при оконтуривании полей железо-марганцевых конкреций по неровностям морского дна.

Сейсмические методы. В сейсмических исследованиях различают два основных метода: метод отраженных и метод преломленных волн. Последний применяется при определении глубинной структуры океанической коры и поэтому мало используется или не используется совсем при разведке подводных минеральных отложений. Только метод отраженных волн находит некоторое применение для этой цели. Метод использует разные скорости прохождения звуковых волн в различных материалах. Когда отраженные сигналы звуковых импульсов, направленных на морское дно, выражаются графически, границы раздела регистрируются как результат различий в плотности материалов, через которые проходят звуковые волны. Рона описал применение различных сейсмических методов при изысканиях на континентальных шельфах. Степень проникновения под морское дно при использовании различных систем определяется их рабочей частотной полосой и энергетическим уровнем источника звука. Системы с высоким разрешением и небольшим проникновением используются при исследовании подводных месторождений в большей степени, чем другие системы, так как большая часть сколько-нибудь интересных в экономическом отношении отложений залегает либо на поверхности морского дна. либо погребена под весьма тонким слоем осадков. Некоторые системы (спаркер и бумер) могут дать сравнительно большую глубину проникновения, что используется для выявления подповерхностных структур в коренных породах под морским дном, например при разведке на нефть. В других системах, включающих пневматические пушки, которые выпускают в морс пузырь сжатого воздуха, можно варьировать мощностью для достижения небольшого или большого по глубине проникновения и использовать эти системы главным образом при определении мощности неконсолидированных осадков над коренными породами (рис. 80). Самым современным является именно этот метод, который больше всего используется при поисках подводных месторождений. Россыпные отложения, например, могут встречаться как раз над коренными породами в древних осадках, заполняющих речные русла на континентальных шельфах, в настоящее время находящиеся под водой из-за послеледникового повышения уровня моря. Поскольку речные русла недостаточно хорошо выражены в рельефе на морском дне, то лучшим способом их определения является использование сейсмического метода с небольшим проникновением под поверхность дна. Сходным образом в районах распространения металлоносных осадков именно сейсмические методы с небольшим проникновением могут позволить оценить общую мощность осадочной толщи. Сейсмические методы применяются также при изысканиях на железо-марганцевые конкреции. Они используются при выделении покрытых осадками районов, в которых встречаются конкреции, и при выявлении препятствии на морском дне и в верхней толще осадков, которые могли бы помешать добыче конкреций.

Электрические методы. Ропа и Фрэнсис составили обзор о применении электрических методов в геофизических исследованиях па континентальных шельфах. Существуют две группы методов. Одна использует природные электрические токи, проходящие через морское дно, для определения мелкомасштабных характеристик, таких, как электропроводность рудных тел. Другая группа использует созданные человеком электрические поля на морском дне. Измеряются напряжения между электродами, воткнутыми в морское дно, при этом различия в электрическом токе между парами электродов отражают различия в удельном сопротивлении находящихся между электродами пород.

Фрэнсис дал оценку относительной пригодности трех методов электроразведки в условиях моря. Это метод определения удельного сопротивлений земли, метод собственного потенциала рудных тел и метод вызванной поляризации. Все три метода являются чисто электрическими, и ни один из них не применяется для разведки каких-либо других объектов, кроме захороненных рудных тел. Фрэнсис считает, что использование метода собственного потенциала рудных тел для моря может быть ограниченным по сравнению с его возможностями на суше, так как аномалии собственного потенциала в море, вероятно, могут быть слишком малы по сравнению с другими источниками градиента потенциала, которые могут быть легко измерены. Он также считает, что метод вызванной поляризации может лишь в незначительной степени использоваться в подводной электроразведке, и для этой цели оставляет только метод удельного сопротивления земли, как имеющий потенциальное применение. Успешность применения в море последнего метода, измеряющего разницу в электрическом сопротивлении пород, через которые проходит ток, зависит от того, на какую глубину значительная часть общего тока, проходящего между электродами в море, может проникнуть в морское дно. Для заметной части тока это может быть достигнуто только в том случае, если расстояние между буксируемыми электродами значительно больше глубины моря. Если это условие выполнено, то буксируемые электроды будут измерять изменение сопротивления морского дна, что позволит оконтурить районы с возможной минерализацией пород. Это подтвердилось при открытии с помощью данного метода сульфидной минерализации на континентальном шельфе Великобритании, Однако необходимость разноса электродов на расстояния намного большие, чем глубина моря, делает невозможным применение этого метода в какой-либо другой части моря, кроме континентальных шельфов.

Магнитные методы. Магнитные методы исследования морского дна основаны на измерении аномалий в локальном геомагнитном поле, созданных различиями в интенсивности намагниченности пород и осадков морского дна. Магнитная восприимчивость морского дна зависит главным образом от содержания в составе его пород магнитных минералов. Породы и осадки, содержащие высокомагнитные минералы, проявляют более сильные магнитные свойства, чем породы, которые содержат меньшее количество магнитных минералов.

Магнитные измерения в море проводятся с применением буксируемого за судном или самолетом магнитометра. Исследование магнитных аномалий на океанском дне явилось очень важным вкладом в наше понимание происхождения океанов и в развитие теории тектоники плит, по все еще не получило большого применения в изучении месторождений морского дна. Это обусловлено главным образом тем, что три из четырех главных групп минеральных отложений на морском дне — железо-марганцевые конкреции, фосфориты и металлоносные осадки — не проявляют магнитных свойств, которые можно использовать для точного определения их местоположения. Даже в том случае, когда минеральные отложения на морском дне обладают магнитными свойствами, например некоторые россыпные пески, и находятся на поверхности осадков или вблизи нее, их вклад в общую напряженность магнитного поля на морском дне незначителен. Отложения, содержащие магнетит, поддаются определению магнитными методами, особенно приборами, буксируемыми на достаточной глубине, так же как, возможно, и отложения, содержащие другие минералы железа и титана. По-видимому, этим способом можно обнаружить и другие подводные минеральные отложения.

Однако именно методы магнитного обследования косвенным образом применяются при поисках металлоносных осадков, ассоциирующихся с активными спрединговыми хребтами. Океаническая кора с обеих сторон спредингового хребта обладает параллельными зонами нормально и обратнонамагниченных пород. Направление намагниченности устанавливалось в зависимости от направления магнитного поля Земли во время формирования пород океанической коры. Последующие изменения этих пород в результате гидротермальной деятельности могут привести к нарушению этого направления, а в некоторых случаях — к уменьшению интенсивности остаточной намагниченности. Резкие изменения магнитных свойств у базальтов гребней срединно-океанических хребтов наблюдались в районе TAG, на гребне Срединно-Атлантического хребта (26° с. ш,), и выражались в низком уровне интенсивности остаточной намагниченности, что, по-видимому, может быть обусловлено изменением пород океанского дна, вызванным действием гидротермальных растворов, связанных с гидротермальным полем TAG. Такие низкие магнитные уровни наблюдались и в других районах подводной гидротермальной деятельности, например во впадине Атлантис-II в Красном море. И если такие нарушения обычной магнитной картины срединно-океанических хребтов являются общей особенностью, связанной с деятельностью подводных гидротерм, то поиск районов с нарушенными магнитными характеристиками па гребнях срединно-океанических хребтов мог бы привести к обнаружению перспективных объектов для последующего опробования дна с целью выявления гидротермальных рудных тел.

Сила тяжести. Измерение силы тяжести в морс может рассказать нам о плотности морского дна. Локальные флуктуации силы тяжести могут быть вызваны разнообразием типов пород и их структурными различиями под морским дном. Однако, как подчеркивалось при обсуждении других геофизических методов исследования, тот факт, что подводные минеральные отложения являются в основном поверхностным феноменом и поэтому не могут существенно влиять па локальное поле силы тяжести, значительно ограничивает применение гравитационных методов при поисках этих отложений.

Маловероятно и то, что минеральные отложения, находящиеся даже под морским дном, могут значительно влиять па гравитационные характеристики, которые регистрируются с судна.

Тепловой поток. Тепло, непрерывно поступающее с морского дна, является главным образом результатом распада радиоактивных элементов в океанической коре. Однако наблюдаются локальные увеличения, которые наложены на этот фоновый тепловой поток и вызываются подводной вулканической деятельностью. Тепловой поток обычно намного выше над активными срединно-океаническими хребтами, чем в котловинах но обе стороны от них. Но измеряемые значения теплового потока довольно изменчивы, что обусловлено конвективной циркуляцией морской воды. Наблюдаются также области высокого теплового потока в районах некоторых островных дуг и внутриплитовых вулканических провинций. Определение таких областей представляет интерес с точки зрения обнаружения подводных гидротермальных осадков.

Кроме высокого теплового потока в областях подводного вулканизма иногда наблюдаются аномалии температуры воды в придонных горизонтах. Наиболее ярким примером таких аномалий является Красное море, где температура рассолов впадины Атлантис-II достигает 60°С. Сообщалось, однако, и о более слабых температурных аномалиях в других районах подводного вулканизма, таких, как, например, гидротермальное поле TAG, и в Галапагосской рифтовой зоне. Наличие аномалий температуры воды в районах подводного вулканизма служит хорошим индикатором проявления гидротермальной деятельности, но поиски таких аномалий — не лучший способ обнаружения гидротермальных отложений. С удалением от гидротермального источника тепло очень быстро рассеивается в морской воде, и поэтому температурные аномалии могут встречаться только в непосредственной близости от выхода гидротермальной струи и только в то время, когда гидротермальная система активна, что естественно ограничивает возможность ее обнаружения. Изучение осадков более важно для определения гидротермальных отложений, так как они могут содержать непрерывную запись гидротермальной деятельности.