Journal of Marine Sciences >

2026 , Vol. 44 >Issue 1: 124 - 135

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2026.01.010

Analysis of borehole CSEM response characteristics for seafloor massive sulfides

  • GAO Yan , 1, 2 ,
  • ZHOU Jianping , 1, 2, * ,
  • ZHU Zhongmin 1, 2 ,
  • TAO Chunhui 1, 2
Expand
  • 1 State Key Laboratory of Submarine Geosciences, Second Institute of Oceanography, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 2 Marine Intelligent Observation Technology Innovation Center, MNR, Hangzhou 310012, China

Received date: 2025-12-01

  Revised date: 2026-01-04

  Online published: 2026-03-03

Fold

Abstract

Seafloor massive sulfide (SMS) deposits represent critical strategic mineral resources, and the precise detection of their ore body structures is of great significance for deep-sea mineral exploration and evaluation. Near-seafloor transient electromagnetic detection and seafloor drilling are commonly employed techniques for probing ore body structures, yet they face challenges such as limited penetration depth and resolution, as well as low core recovery rates. Consequently, there is a pressing need for novel technological approaches to finely characterize the internal structures of ore bodies. Borehole-controlled source electromagnetic (BCSEM) method is an effective tool for terrestrial mineral exploration; however, its application and parameter selection in subsea environments remain in exploratory stages. This study employs forward numerical modeling of BCSEM for SMS detection to quantitatively analyze the characteristics of induced magnetic field responses under varying detection frequencies and borehole positional parameters. It evaluates the optimal detection frequency and examines the capability of multi-component cooperative observations to identify anomalies associated with sulfide ore bodies. The findings provide theoretical support for the optimized design of subsea BCSEM detection apparatus.

Key words： seafloor massive sulfides; controlled-source electromagnetic method (CSEM); borehole-based detection; numerical modeling; 3D forward modeling; seafloor electromagnetic detection; BCSEM; deep-sea mineral exploration

Cite this article

GAO Yan , ZHOU Jianping , ZHU Zhongmin , TAO Chunhui . Analysis of borehole CSEM response characteristics for seafloor massive sulfides[J]. Journal of Marine Sciences, 2026 , 44(1) : 124 -135 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2026.01.010

0 引言

海底多金属硫化物(seafloor massive sulfides,SMS)广泛分布于大洋中脊和弧后等地质构造区域,富含Cu、Au等金属元素,是21世纪重要的战略接替资源[1-3]。非活动型热液区往往具有更高的SMS开发价值[4-5],但该区域的SMS通常被沉积物覆盖,探测更为困难。SMS堆积体的电导率通常为1~100 S/m,呈现高导电性,其与玄武岩等围岩的低电导率(通常为0.01~1 S/m)形成明显差异。这一电性差异构成了可控源电磁法(controlled-source electromagnetic method, CSEM)探测SMS的物理基础[6-7],使其成为SMS勘探的重要地球物理手段之一。
近二十年来,CSEM在SMS勘探中得到了广泛应用和快速发展[8-11]。早期的海底CSEM勘探主要依托近海底拖曳平台,例如德国的GOLDEN EYE深海可控源电磁探测系统(采用磁性源)[12]以及日本的电性源水平阵列式CSEM[7]。随着水下探测技术的进步和探测精度的提升,基于自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)的海洋CSEM探测技术及基于近底遥控潜水器(remotely operated vehicle,ROV)的直流电阻率测深系统应运而生,显著提升了近海底探测的精细化程度[13-15]。然而,由于海底SMS堆积体内部结构复杂且海底地形粗糙,近海底电磁探测面临探测深度有限、矿体分辨率低等技术瓶颈[16-17],导致矿体边界和品位评估存在较大不确定性。因此,亟需发展新的探测技术,以突破现有方法在探测深度与分辨率方面的限制。
海底钻探取心是直接获取矿体内部物质、精确揭示其三维结构的关键手段,但受矿体自身特性影响,会出现取心率偏低的问题。例如,1994年ODP 158航次在大西洋TAG热液丘实施的深部钻探中,尽管最深钻孔(957E孔)达125.7 m,但受限于SMS矿体的非均质性、角砾化及胶结程度差等特质,17个钻孔的平均取心率仅约12%[18]。孔域可控源电磁法(borehole controlled-source electromagnetic method, BCSEM)采用海底发射、孔中接收的观测模式,通过在钻孔中布设多分量接收探杆进行连续数据采集,可有效弥补取心不连续造成的信息缺失,实现对矿体电性结构的高分辨率连续刻画(图1)。该方法能够同步采集垂直电场和三分量磁场,结合近海底发射系统实现多分量综合观测[19]。与近海底电磁方法相比,BCSEM突破了探测深度的限制,显著提升了深部矿体探测的可靠性和准确性[20]。尽管BCSEM在陆地上已发展为成熟的探矿手段,但其在海底高电导环境下的应用仍处于探索阶段。因此,深入研究深海环境下BCSEM的传播机制及响应特征,对于优化装置设计、提升矿体边界识别能力及准确评估资源储量具有重要意义[21]。
图1 孔域可控源电磁法探测原理示意图

(红色虚线箭头为发射线圈产生的一次场磁感应线,蓝色虚线箭头为硫化物矿体产生的二次场磁感应线。)

Fig.1 Schematic diagram of the BCSEM detection principle

(The red dashed lines with arrows represent the primary magnetic field lines generated by the transmitting coil, while the blue dashed lines with arrows represent the secondary magnetic field lines induced by the SMS.)

本文采用三维数值模拟方法,以规则板状体及TAG热液丘为研究对象,系统分析了BCSEM探测频率、钻孔相对位置等关键参数对多分量感应磁场响应特征的影响。在此基础上,评估了BCSEM的最优工作频段与横向探测范围,并探讨了不同分量对矿体边界识别的敏感性差异。研究结果可为海底BCSEM探测装置的优化设计提供理论依据。

1 正演模拟分析

1.1 模型构建

为系统评估海底BCSEM方法的探测性能和分辨能力,本研究构建了规则和不规则的三维地电模型。规则板状体模型包括水平板状体模型v1与直立板状体模型v2,用于评估BCSEM的响应规律和分辨能力;不规则模型为基于大洋钻探数据构建的TAG热液丘三维地电模型,用于验证BCSEM方法在复杂矿体条件下的适用性,并评估其对多层矿化结构及复杂三维矿体的探测能力。

1.1.1 规则板状体模型

模型v1为高导水平板状体,长、宽、高分别为100 m、100 m、10 m,中心埋深20 m (上下层位分别位于15 m和25 m深度),用于评估BCSEM的垂向分辨能力(图2a);模型v2为高导直立板状体,长、宽、高分别为10 m、100 m、100 m,中心埋深55 m(上下层位分别位于5 m和105 m深度),用于评估BCSEM的横向探测能力(图2b)。规则板状体模型中的板状体电导率均设置为50 S/m,围岩电导率设置为0.1 S/m,海水电导率设置为3.3 S/m。
图2 高导板状体模型示意图

(图2b中的BH1~BH4表示钻孔相对位置。)

Fig.2 Schematic diagram of the high conductivity plate models

(BH1 to BH4 in fig.2b indicate the boreholes’ relative positions.)

1.1.2 TAG热液丘模型

大西洋TAG热液区位于大西洋中脊26°N附近,是国际上研究程度最高的活动热液区之一。参考大洋钻探及地球化学探测[22-24]得到的地层剖面,结合ODP岩心的物性测试数据,建立如图3所示的三维地电模型。TAG热液丘模型核心区大小设为200 m×200 m×140 m。各层的电导率依据文献及地质特征综合确定:最上层的蓝色区域为硫化物角砾层,富含黄铜矿、闪锌矿等,根据SCHWALENBERG等[6]的电导率测定值(1~100 S/m),结合孔隙度和矿化程度,赋值为30 S/m;中部红色区域为黄铁矿富集的高品位矿化带,基于GRANT等[23]的电导率测定值(50~100 S/m),取其中位数,赋值为60 S/m;黄色区域为中上层碳酸盐沉积物及黄铁矿-硬石膏角砾岩,因胶结物中绝缘矿物(硬石膏、石英)含量较高,电导率较低(0.1~1.0 S/m),赋值为0.5 S/m;蚀变玄武岩(灰色)因黏土化及次生硫化物发育,电导性增强,赋值为4 S/m;新鲜玄武岩基底赋值为0.1 S/m;海水的电导率设置为3.3 S/m。
图3 TAG热液丘电导率分布模型

Fig.3 Conductivity distribution model of TAG hydrothermal mound

1.2 正演参数设置

发射源采用固定于海底的三轴回射发射线源,各轴线圈尺寸均为2 m×2 m;发送信号为峰值100 A的正弦交变电流。根据等效磁偶极矩计算公式M =I0A(其中:M为磁偶极矩,单位为A·m2,代表发射场源强度;I0为发射回路的等效边电流,单位为A,在本研究的数值模型中,其值已包含了匝数效应,代表发射源电流;A为发射线圈的等效面积,单位为m2),可得该发射源的等效磁偶极矩为400 A·m2。接收器采用三分量空心感应线圈,用于测量交变感应磁场。为模拟孔中探测场景,接收线圈沿钻孔深度方向进行垂向连续采样,获取0~100 m孔深范围内的感应二次磁场响应特征。
为有效探测钻孔周围区域的电导率分布,需对BCSEM的探测频率进行初选,以满足探测SMS丘的需求。表1给出了不同电导率背景以及初步确定的BCSEM发射频段下的趋肤深度。结合表中结果,确定了后续模拟中的探测频率范围为10~5 000 Hz。
表1 不同电导率和发射频率条件下的趋肤深度

Tab.1 Skin depth under varying conductivity and transmitting frequency conditions

m
电导率/(S·m-1) 频率
10 Hz 100 Hz 1 000 Hz 5 000 Hz
1 159.2 50.3 15.9 7.1
10 50.3 15.9 5.0 2.2
30 29.1 9.2 2.9 1.3
50 22.5 7.1 2.2 1.0
60 20.6 6.5 2.1 0.9
100 15.9 5.0 1.6 0.7

2 规则硫化物矿体的探测频率与分辨率分析

为评估孔域可控源电磁法的探测能力,利用规则板状体模型计算了不同探测频率的响应特征及垂向分辨能力。

2.1 有效数据筛选与最佳探测频率选择

图4展示了在Tx、Ty、Tz三个发射分量与R-Bx、R-By、R-Bz三个接收分量组合下,高导水平板状体在0~100 m孔深范围内的感应二次磁场振幅特征。在20~100 m深度,同轴分量(Tx/R-Bx、Ty/R-By、Tz/R-Bz)的感应二次磁场(总场)衰减明显增强,其幅值显著低于背景场,指示水平板状体的存在;Tz/R-Bz组合下总场与背景场分离最明显,且能持续到较深的深度,表明该组合对电性异常的响应最突出。各交叉分量组合下的总场与背景场差异均相对较小,表明交叉分量对水平板状体的响应较弱,仅能用于辅助判断其走向和形态。
图4 规则水平板状体模型v1的多分量电磁响应结果(f=1 000 Hz,x=20 m)

Fig.4 Multi-component electromagnetic responses for the regular horizontal plate model v1 (f=1 000 Hz, x=20 m)

图5a呈现了不同频率下板状体模型v1对水平分量(Tx/R-Bx)的归一化异常响应(总场绝对值/背景场绝对值)特征。各频率曲线均在板状体的埋深深度出现异常,且响应幅值随频率升高呈增加趋势;100~5 000 Hz的响应曲线极值都可清晰指示板状体的顶、底边界;10 Hz时因趋肤深度较大(表1),响应不明显,主要反映板状体外围岩的电阻率信息。上述结果表明,中高频段对有限尺度的高导水平板状体具有更优的探测能力。
图5 板状体模型的归一化异常响应特征(x=20 m)

Fig.5 Normalized anomaly response characteristics of plate models (x=20 m)

图5b展示了钻孔位于高导直立板状体模型v2旁侧进行探测时的响应信号,根据归一化异常响应特征可判断出矿体的规模较大且在钻孔探测的深度范围内无明显的分层特征。与图5a类似,归一化异常明显的频段主要集中在100~5 000 Hz,响应曲线平滑,未呈现突变,在响应达到极大值后快速衰减,指示了板状体的存在。极值点的出现深度与频率相关,随频率减小,极值点向异常体中心靠近,推测主要受趋肤深度控制。
图5c显示,水平模型v1在高频位置响应结果趋近于0,这是因为高导水平板状体表现出显著的电磁屏蔽效应。直立模型v2的x分量的归一化响应峰值<1.00,主要是因为直立板状体对电磁波产生了明显的衰减作用。直立模型v2的y分量和z分量的响应曲线显示,在100~1 000 Hz下的探测效果最佳,其异常信号最显著。
低频段(≤10 Hz)受旁侧围岩影响,异常响应不明显;高频段(≥1 000 Hz)虽分辨率较高,但有效穿透范围仅限于钻孔位置附近区域。综合考虑探测效率和分辨率,100~1 000 Hz频段对规则板状体模型条件下表现出良好的探测效果,可作为BCSEM探测海底硫化物矿体的推荐工作频段。实际应用中,可根据实际地质条件对频率进行适当调整。

2.2 水平板状体模型的垂向分辨能力分析

图6展示了1 000 Hz探测频率下三分量感应磁场实部、虚部、振幅及相位的响应剖面,用于分析BCSEM各探测分量的垂向分辨能力。在高导板状体层位(灰色区域),三个分量的感应二次磁场实部信号均出现明显异常,其中水平分量Tx/R-Bx(x分量)与Ty/R-By(y分量)在板状体所处深度上出现明显变化,并在顶、底界面处存在清晰的响应拐点,可精确指示板状体的垂向边界;Tz/R-Bz分量(z分量)则表现为幅值快速衰减并出现单峰极值,这是高导水平板状体吸收电磁场的典型特征,表明实部分量对其的直接指示作用。综合来看,z分量实部测量可有效探测高导板状体的异常响应,而水平分量异常则能提供更为精细的板状体顶、底界面位置信息。
图6 规则水平板状体模型v1各参数三分量电磁响应剖面(f=1 000 Hz,x=20 m)

(图中灰色区域表示板状体埋深深度。)

Fig.6 Three-component electromagnetic response profiles of various parameters for the v1 regular horizontal plate model (f=1 000 Hz, x=20 m)

(The gray-shaded zone indicates the depth range of the plate.)

图6b中的感应二次磁场虚部响应的水平分量总体呈现出与实部相似的特征:x与y分量在板状体边界处均出现明显拐点,在板状体中心位置附近出现响应峰值,而z分量的变化幅度相对较小。值得注意的是,虚部极值的出现深度与实部存在一定差异,这主要源于实部与虚部分别对应感应二次磁场的同相与正交分量,对板状体几何参数的敏感性存在差异。
在实际观测中,通常将实部和虚部进一步转换为振幅和相位参数。图6c中的振幅响应综合反映了实部与虚部的矢量合成结果:水平分量在穿越板状体各层位时表现出多峰波动特征,在板状体顶界面及中心附近出现局部极值;垂直分量振幅则呈单峰值,反映了高导板状体的存在。图6d中的相位响应主要反映了电磁波在高导板状体中的传播特性:三分量在进入板状体后均呈现持续的相位滞后,这是由于电磁波在高导介质中传播速度显著降低,导致相位延迟随传播距离增加而增大。在板状体内部,相位变化梯度明显增大;而在穿过板状体底界面后,相位变化趋于平缓。这种相位-深度的分段特征为识别板状体垂向边界提供了独立于振幅信息的辅助判据。

3 复杂硫化物矿体的精细刻画与探测边界评估

3.1 TAG模型基础响应特征

为验证BCSEM在复杂地质条件下的探测有效性,将前文建立的分析框架应用于基于实际钻探数据构建的TAG热液丘复杂模型。
图7展示了钻孔在偏离丘体中心15 m处时,100 Hz与1 000 Hz两个代表性频率下的多分量电磁响应。在探测频率为100 Hz的情况下(图7a),x分量的响应曲线在硫化物角砾层几乎与背景场重合,在进入黄铁矿富集层(高品位矿化带)后,响应幅值显著升高,信号开始偏离背景场,感应二次磁场(总场)强度较背景场平均高出约1个数量级。感应二次磁场曲线在硫化物角砾层与高品位矿化带的边界处存在拐点,但由于100 Hz频率相对较低,空间分辨率有限,边界处的响应拐点不显著,呈现渐变过渡特征。y分量响应特征与x分量相似,在高品位矿化带内表现出明显的信号增强。由于TAG丘体在水平方向上为近似对称的圆形,x与y分量的响应幅度和变化规律基本一致。对比背景场可发现,z分量的响应强度整体略高于水平分量,表明其对高导矿体的存在具有更好的指示作用。但是,z分量在高品位矿化带的顶、底边界深度处不存在明显拐点,可判断其对矿体层间边界的分辨能力弱于水平分量。
图7 TAG模型在不同频率下的多分量响应结果(x=15 m)

Fig.7 Full-component electromagnetic response profiles for the TAG model (x=15 m)

与100 Hz相比,1 000 Hz高频响应的分辨率显著提升,主要体现为响应强度及边界识别能力的增强(图7b)。1 000 Hz下各分量总场幅值衰减比100 Hz下强约1~2个数量级,这主要源于高频信号在TAG热液丘的高导矿体层中具有更强的衰减特性,从而使异常特征更为突出。1 000 Hz下,三分量响应曲线在地层边界处均表现出更明显的斜率变化,其中x与y分量在两种高导矿体层的界面处的响应拐点尤为清晰,斜率突变可更精确地指示界面位置。这种边界分辨能力的提升与1 000 Hz对应的趋肤深度(在50 S/m介质中约为2.2 m)相吻合。较小的趋肤深度使电磁场对电导率的垂向变化更为敏感,从而有利于识别高导矿体层内部的电性非均质结构,实现矿体内部层位的精细刻画。
对比图7a与图7b,可以得出:水平分量在层位边界刻画上具有优势,x与y分量在两个频率下均对垂向边界呈现出显著的响应特征,尤其在1 000 Hz条件下,高品位矿化带的顶、底边界处的斜率突变特征更为显著。垂直分量z对硫化物矿体整体响应较好,在两个频率下均表现出最大的响应强度,反映出其对TAG热液丘高导矿体层的指示作用。尽管垂直分量的边界分辨能力弱于水平分量,但在旁侧探测(如钻孔未穿透矿体核心区域)的场景下,z分量对高导矿体层的高灵敏度使其能够有效识别硫化物富集层,从而避免因边界响应微弱而造成的矿体漏判。100 Hz与1 000 Hz的响应特征对比表明,单一频率难以同时满足穿透深度与分辨率的双重需求:100 Hz具有较大的趋肤深度,能够探测更深部的矿物信息,但边界分辨能力受限;1 000 Hz的边界识别能力强,但探测距离受限。因此,在TAG类SMS热液丘的实际探测中,应根据具体地质条件,在优选频段内采用多频联合探测模式,综合利用不同频率的互补优势,以实现矿体垂向结构的全面刻画。

3.2 复杂矿体探测能力综合评估

实际勘探中,还需进一步考虑探测系统的横向有效探测范围以及在噪声环境下硫化物异常识别的可靠性等问题。为此,本文综合异常响应和信噪比两个维度,对TAG模型进行多参数定量统计,为BCSEM的探测能力提供综合评估依据。
不同钻孔位置下z分量的相对异常响应幅度[(总场-背景场)/背景场]随深度的变化如图8a所示(注:实际探测中,通常以30%作为有效异常的阈值,图8a和图8b中的灰色虚线即为此标准)。分析表明,在覆盖高导矿体层的核心半径范围内(r≈65 m),异常信号表现均较好,但不同频率的衰减特性差异显著。具体而言,10 Hz信号虽因趋肤深度较大(表1)而具备探测大范围矿体的潜力,但其信号能量较弱,当钻孔偏离TAG热液丘中心时,其探测信号迅速减弱,可识别矿体规模随之下降,在图8a中表现为相对异常幅度最早出现衰减。而100 Hz和1 000 Hz等高频信号强度较大,展现出更强的稳定性,它们的相对异常响应幅度整体较高,仅在钻孔偏移距较大时才开始衰减,从而能有效探测中心区域外围的矿体。因此,为全面掌握SMS丘的结构特征,实际分析中应融合不同频率的优势:利用低频以探查大范围矿体,以高频来精细解析钻孔周边的矿体赋存状况,从而实现优势互补。
图8 TAG模型BCSEM探测能力的综合定量评估(z分量)

(图8a和8b中的灰色虚线为30%的相对异常响应幅度标定曲线。)

Fig.8 Comprehensive quantitative assessment of BCSEM detection capabilities for the TAG model (z-component)

(The gray dashed lines in Figures 8a and 8b represent the calibration curves for a 30% relative anomaly response amplitude.)

图8b展示了不同钻孔位置下z分量相对异常响应峰值的频谱分布。不同钻孔位置下的曲线均呈现出“中频增强”特征,100~1 000 Hz区间响应峰值最大;低频段(≤10 Hz)因感应二次磁场不足而响应微弱;高频段(≥1 000 Hz)则因趋肤深度减小而受限。
实际探测能力不仅取决于信号强度,更受系统噪声水平的制约。孔域探测环境相对安静,本研究根据海底探测噪声相关的经验数据,构建了包含传感器本底噪声[25]、环境电磁噪声[26]及几何误差的综合噪声模型,并在此基础上对响应结果进行信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)计算。采用6 dB(信号约为噪声的2倍)作为可探测阈值,20 dB(信号约为噪声的10倍)作为高置信度识别阈值。图8c中的信噪比深度剖面显示,在100~1 000 Hz频段,SNR普遍高于20 dB,信号清晰且可靠;而10 Hz频段因响应强度较弱,SNR明显偏低。峰值信噪比热力图(图8d)进一步表明,100~1 000 Hz频段与x=0~80 m钻孔位置构成的参数区间内,SNR普遍超过20 dB,有效探测范围可完全覆盖TAG热液丘高导矿体的主要赋存区域。综上,孔域可控源电磁法在实际噪声环境下仍能保持优异的探测性能。在100~1 000 Hz频段内,异常信号稳定可靠,可为海底硫化物矿体的精细刻画提供可靠的地球物理依据。

4 小结

本研究通过系统的数值模拟,分析了海底BCSEM应用于规则板状体模型与TAG热液丘模型时的响应特征与探测能力,得到以下主要结论。
1)100~1 000 Hz频段在穿透深度与空间分辨率之间达到较好的平衡,在规则模型和复杂模型中均表现出显著的异常响应和优异的信噪比特性,可作为海底硫化物矿体探测的优选工作频段。
2)明确了多分量协同观测的策略优势。水平分量对穿过矿体探测时的矿体边界具有卓越的垂向分辨能力,而垂直分量对不穿过矿体探测时的响应结果敏感,多分量观测是全面识别复杂矿体结构的必要手段。
3)在BCSEM实际作业中,应在100~1 000 Hz频段实施多频扫描以兼顾穿透深度与分辨率,同时采用三分量协同观测策略以全面识别复杂产状矿体。
海底BCSEM能够为海底多金属硫化物资源的资源量评价及深部成矿机制研究提供更高精度的地球物理依据。未来研究将聚焦于实际钻孔勘探中的验证与应用,以期为实现深海矿产资源的精准评价提供支撑。

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