富钴结壳资源主要集中分布于海山、海脊和海台的斜坡和顶部，其钴平均含量可高达0.5-0.7％，还含有钛、铈、镍、锆和稀土等重要资源，具有巨大的潜在经济价值和良好的开发前景，同时其赋存的环境对于人类认识海洋具有很高的科学价值。20世纪80年代以来，美、 俄、德、法、日、韩等国家纷纷投入巨资开展富钴结壳调查[1-10]。“十五”期间我国也加大了富钴结壳的调查研究力度，其中，太平洋海山区是我国开展大洋富钴结壳资源调查研究的重点区域[11-15]。2014年，中国大洋矿产资源研究开发协会与国际海底管理局正式签订了国际海底富钴结壳矿区勘探合同，我国在西北太平洋海山区获得3000平方公里具有专属勘探权和优先开采权的富钴结壳矿区，标志着我国在富钴结壳资源勘探方面迈出重要步伐。
为了加速对海底资源的了解和利用，提高对深海的科学认知水平和有效保护海底环境，众多国产或引进的仪器设备被应用于富钴结壳矿产资源的调查研究中，DTA-6000声学深拖系统便是其中重要的调查装备之一。DTA-6000声学深拖系统是由中科院声学所自主设计，自主集成，在中国大洋协会支持下，对“十五”国家“863”计划原有系统进行适用性改造而成。该系统是我国具有自主知识产权的第一套声学深海拖曳观测系统，其最大工作深度6000米。目前该系统已成为我国“大洋一号”和“海洋六号”科学考察船上的常规探测设备。
1 声学深拖系统介绍
1.1 设备组成
DTA-6000声学深拖系统（如图1）主要用于高分辨率的海底地形地貌及浅地层探测，还可探测水体温盐深剖面。通过铠装光电复合缆连接压载器和中性浮缆，拖曳拖体距海底50至100米高度航行（如图2所示），最终获得海底测深图、地貌拼图及浅地层剖面图等。
该系统可在水下连续长期工作，适用于多金属结核、富钴结壳、热液硫化物等海底矿产资源调查，也可用于海底光缆、深海油井等海洋工程调查，能够实现特定目标的搜索，并可辅助大型潜器设备作业等[16-17]。


图1 DTA-6000声学深拖系统
Fig. 1 DTA-6000 acoustic deep-tow system

图2 声学深拖系统拖曳示意图
Fig. 2 Schematic diagram of acoustic deep-tow system
声学深拖系统分水下和水上两部分。其系统框图如图3所示，此外声学深拖还搭载了浅地层剖面仪和声多普勒计程仪两种声纳。

图3 声学深拖组成框图
Fig. 3 Block diagram of acoustic deep-tow system
系统作业时，母船通过依次连接的万米拖缆、压载器和中性浮缆，拖着水下拖体在距海底约50~100米高匀速直线航行；电源由水上控制系统通过万米拖缆、中性浮缆提供给水下拖体，拖体上安装有自研的高分辨率测深侧扫声纳、供电和通信系统、传感器系统和紧急安全系统等多个设备，所获得的结果信息则经过水下多通路连接器、中性浮缆、万米拖缆传送到水上控制系统进行储存和处理，并通过综合显控平台实现信息的实时显示。
1.2 主要技术指标
表1 DTA-6000声学深拖系统性能指标
Table 1 Performance of DTA-6000 acoustic deep-tow system
总体指标 最大工作深度 6000m
拖曳速度 2～4knot
工作海况 不大于4级
额外搭载传感器能力 50kg，50W
拖体 重量 约1000kg（空气中）
尺寸 3300×624×941mm
姿态稳定性 纵横摇<1°
高分辨率测深侧扫声纳 频率 150kHz
覆盖宽度 测深2×250m，侧扫2×350m
垂直航迹分辨率 5cm
浅地层剖面仪 频率 2～7kHz
地层分辨率 优于0.2m
最大穿透深度 80m（软泥底）
1.3 高分辨率测深侧扫声纳
高分辨率测深侧扫声纳是获取海底微地形地貌的设备，它利用多个接收阵来测得海底回波的到达角度，并根据此角度和回波传播时间来获得声纳探测点的水深值，其作用距离较远，具有分辨率高、声纳阵小、能耗小等优点。该声纳由中国科学院声学研究所设计，声纳核心信号处理方法是多子阵海底自动检测一子空间拟合法[18]，可同时获得高分辨率地形和地貌，并能工作在复杂的海底上。同时采用线性调频技术，改善分辨率。
由于体积小，重量轻和功耗低，可安装在拖曳体上，它还适宜装在母船、水下机器人(AUV)、遥控潜水器(ROV)和载人潜水器(HUV)上，对海底进行近底精细测量。可以广泛应用于海洋工程、海洋开发、海洋矿产资源开发和海上油田区域地形的测量、航道和港湾地形的测量，以及海底地形匹配导航系统等。
1.4 浅地层剖面仪
浅地层剖面仪是一种探测水底浅部地层结构和构造的重要设备。将浅地层剖面仪记录的反射声波信息转换成地质语言，即进行地质解释[19]，便可以获知海底地层的垂直分布信息，准确地反映海底浅部地层结构和构造特征。DTA-6000声学深拖系统中搭载的浅地层剖面仪可以有效穿透几千米水深下50~100 m 的地层，其分辨率优于0.2米，能更有效地识别基岩、结壳、沉积物和砂等各种海底底质。
2 声学深拖系统的应用
在29航次富钴结壳调查任务规划中，声学深拖计划完成采薇海山2条测线近50km海山斜坡的探测。海山测线布置如图4所示。DTA-6000实际完成测线两条，作业时间共计25.2小时，实际完成测线长度54.6km，达到预期，期间母船航行距离共计89.6km。

图4声学深拖测线
Fig. 4 Survey line for acoustic deep-tow
3 探测结果与讨论
通过对实时采集数据进行精细处理，得到处理结果如下。
3.1 测深侧扫结果及分析

图5 声学深拖与多波束测深结果对比
Fig. 5 Sounding results comparison between acoustic deep-tow and Multi-beam


图6 声学深拖获得地形剖面图
Fig. 6 Terrain profiles obtained by acoustic deep-tow
图5给出了声学深拖系统与船载多波束的测深结果局部对比图，上图为多波束测深结果，下图为声学深拖系统测深结果。可以看出，声学深拖系统能够获得更精细的地形信息。图6给出了沿着测线方向的水深剖面图。由图可知，沿着西南至东北的测线方向，水深由浅至深，地形基本呈现4段式分布：第一段为平坦区域，长度8km左右，水深约1400m；第二段为陡降区域，长度较短，水深迅速变深；第三段又为平坦区域，长度8km左右，水深1800m；第四段为较长的陡降区域，水深由1800m降至4200m。
由侧扫图可以看出，测线上的有均匀的沉积物区域，也有沉积物与基岩或结壳的混合区域，如图7和图8所示。

图7 沉积物区域侧扫图
Fig. 7 Sidescan results of sediment region

图8混合区域侧扫图
Fig. 8 Sidescan results of mixed region
3.2 浅剖结果及分析
图9给出了典型的浅地层剖面图。其主要特点如下：（1）沿测线方向浅层沉积层厚度不一，沉积层厚的地方超过60m。也有些区域无明显分层，反射信号清晰，强度大，说明那里沉积覆盖不发育，海底直接出露基岩或结壳。（2）从浅剖数据采集现场看，平顶海山区域有较厚沉积物覆盖，分布相对均匀。其余区域沉积物分布不均匀，变化比较大。

（a）沉积层连续区域（厚度大于60m） （b）沉积物连续区域（厚度10~30m）

（c）沉积物不连续区域 （d）无明显沉积物区域
图9 典型的浅地层剖面图（横坐标为帧序号，纵坐标为以水面为基准的深度值，单位m）
Fig. 9 Typical sub-bottom profile results (The abscissa is the frame number and the ordinate is the depth to the surface as a reference value, in meter)
3.3 结合浅钻数据分析

图10测深侧扫覆盖区域的浅钻站点
Fig. 10 Drilling site in bathymetric sidescan coverage area
富钴结壳是生长在海底岩石或岩屑表面的皮壳状铁锰氧化物和氢氧化物，它无法在岩石表面为沉积物覆盖之处形成。一般结壳厚5至6厘米，平均2厘米左右，厚者可达10～15厘米。
本节结合航次的浅钻取样数据对DTA-6000声学深拖数据的测深侧扫结果和浅剖结果进行了综合分析。图10给出了测深侧扫声纳作用范围内的浅钻取样站位图，其中经纬度为相对坐标。表2给出了浅钻取样得到的结壳厚度数据，图11为9个站位对应的侧扫图，图12为9个站位对应的浅剖图。需要说明的是，浅钻站位在测深侧扫声纳的覆盖范围内，但一般不在拖体航迹线上，这里只能给出测深侧扫声纳和浅地层剖面仪在距离站位最近时的探测结果。图11和图12给出的侧扫结果和浅剖结果，其时间轴中间位置对应拖体离站位最近的时刻。