中国多金属结核西示范区的结核小尺度分布特征

2014-10-26梁东红何高文朱克超

海洋学报 2014年4期

梁东红，何高文，朱克超

（1.国土资源部广州海洋地质调查局，广东广州510760）

1 引言

东太平洋海盆CC区位于克拉里昂断裂带以南、莱恩群岛海山链以东、克里帕顿断裂带以北、东太平洋海隆以西海域，是具有特殊经济价值的结核富集区［1］，中国开辟区位于CC区结核带西部。在经过多年的海上调查并取得丰富调查成果的基础上，2001年中国大洋协会与国际海底管理局签订了《勘探合同》，获得了7.5万平方千米、拥有专属勘探权和优先开采权的多金属结核勘探合同区。为了对多金属结核合同区进行详细的资源评价以及为将来的采矿做准备，在“十五”、“十一五”期间，中国大洋协会在东、西合同区分别选择了一块示范区，开展加密地质调查。其中“大洋一号”船于DY115－20航次在西示范区进行了海底摄像拖曳调查，对海底进行长时间连续观察，获得了5条近东西向测线的海底视像资料。

多金属结核覆盖率是海底表面一定面积内结核覆盖面积所占的百分率，它是矿区资源评价的重要指标。获取结核覆盖率的途径为：首先利用深海探测设备，如水下照相系统［2］、深拖系统［1］、海底摄像系统等，进行近底探测取得照相或摄像资料；再将照相或摄像资料进行处理计算，获得结核覆盖率。本次海底摄像拖曳调查采用大洋深海摄像系统进行近底探测，该系统采用甲板供电，可长时间在水下工作［3］。

包更生等［4］曾利用深拖系统在中国开辟区东、西区采集的照相、摄像资料，对中国开辟区东、西区大空间尺度下的多金属结核覆盖率连续分布进行过研究，对中国开辟区的结核覆盖率大小变化进行了阐述，认为东区结核覆盖率大小变化往往是突变的，平均451 m相变一次，而西区则以渐变为主，平均908 m相变一次。本文将利用此次调查采集的海底视像资料，通过水下定位数据处理和结核覆盖率计算，并结合多波束地形测量数据，从结核覆盖率分布角度对西示范区的多金属结核小尺度分布特征进行研究。

2 水下定位数据处理

为了计算多金属结核覆盖率，首先要对海底视像资料进行回放并截图，截取符合软件处理要求的图像，最终共获得216幅有效图像（部分截图含结壳）。部分海底视像截图见图1。

在海底摄像拖曳调查中，由于摄像拖体与母船之间的斜距超出了“大洋一号”船装备的超短基线定位系统的量程范围，因此无法获取有效的拖体水下定位数据。海底视像资料中记录的定位数据实际上对应的是母船的位置，这与拖体的实际位置相比具有较大的偏差，因此，需要对图像采样点对应的拖体定位数据进行校正。

图1 部分海底视像截图

隋海琛等［5］对海洋调查中水下目标位置的确定方法进行了论述，我们参考其中的计算方法，并根据实际情况，对拖体定位数据进行校正。

2.1 定位公式推导

“大洋一号”船万米电缆入水点大约位于船载GPS天线正后方50 m，设GPS天线坐标为（X0，Y0），船艏向为θ0，则电缆入水点的位置坐标为：

式中，A＝50，单位m。

当母船沿直线匀速航行时，忽略海水流速流向的影响，可以将拖缆近似地看成直线。设母船航行方向为θ1，忽略地球曲面影响，则拖体的大概位置坐标（Xt，Yt）为：

式中，S为拖缆释放长度L在水平面的投影，即S＝L×cosα，α为拖缆与水平面的夹角。

将式（2）代入式（1），因为θ0≈θ1，拖体坐标的计算公式可以简化为：

而拖体水深的计算公式为：

2.2 定位数据计算

根据计算公式（3）、（4），在已知母船坐标（X0，Y0）和航行方向θ1、拖缆释放长度L时，预设拖缆与水平面的夹角α，即可计算出拖体的坐标（Xt，Y t）和拖体的水深Ht。获得拖体的坐标（Xt，Yt）后，则可以从多波束地形测量数据中提取拖体对应的海底水深H b。

在海底摄像拖曳调查中，拖体一般距离海底高度3～5 m左右，而在多波束地形测量数据精确且拖体定位数据准确的理想情况下，海底水深H b和拖体水深Ht的差值ΔH＝H b－Ht应该在3～5 m左右，因此可以将ΔH的数值大小作为判断拖体定位数据校正是否理想的依据。

图2 定位数据计算流程

在实际的计算过程中，需要不断调整夹角α数值，求出相应的海底水深Hb和拖体水深Ht，直至使得ΔH逐渐逼近3～5 m，即可认为拖体定位数据校正达到理想效果，从而确定拖体的坐标（Xt，Yt）和对应的海底水深H b。具体的计算流程见图2。

通过对拖体定位数据进行校正，再从多波束测深资料中提取拖体位置相对应的水深数据，由此建立起图像采样点与拖体定位、水深数据的对应关系，从而减少了由于海底视像资料与拖体定位数据不对应所引起的误差。经过校正后的海底摄像测线位置见图3（图中红色圆点为图像采样点）。5条近东西向海底摄像测线的控制范围约26.7 k m×11.0 k m，测线最大间距约3.4 k m。在控制范围内共采集216个采样点，沿测线方向采样点的最小间距约18 m，最大间距约1 629 m，平均间距约427 m。相对于中国开辟区这个大尺度空间，此次在小尺度空间下取得密集的结核覆盖率数据，以及高精度的多波束地形测量数据，为多金属结核小尺度分布特征的研究分析提供了数据支持。

图3 母船轨迹线与海底摄像校正测线位置图

3 结核识别和覆盖率计算

采用海底结核图像识别处理系统（NIRS）计算结核覆盖率。NIRS是由广州海洋地质调查局和南开大学合作开发的解译软件，主要用于海底结核图像中结核的识别以及结核覆盖率的计算［6—7］。该系统是为了海底结核照片的处理解释而开发，如今应用于海底视像截图中结核的识别和覆盖率计算。

NIRS可通过浏览和识别两种不同处理方式，分别计算出结核的浏览覆盖率和识别覆盖率。其中浏览覆盖率是指单纯以灰度区分结核和沉积物背景而计算的结核覆盖率，识别覆盖率是指用模式识别方法综合利用灰度、结核形状等特征分割结核图像与沉积物背景，识别圈定结核而计算的结核覆盖率［7］。结核在海底的赋存状态是多种多样的，不同的赋存状态，采用不同的处理方式，覆盖率计算结果的准确性会有差别。例如，当海底结核数量较大、结核呈连片状分布的时候，许多结核未能通过识别方式准确识别圈定出边界。在这种情况下，采用浏览方式能比较准确地区分结核和沉积物背景（见图4），浏览覆盖率比识别覆盖率更准确［6—7］。因此，在实际处理工作中，需根据结核在海底的赋存状态采取不同的处理方式。针对西示范区结核在海底密集分布的状况，结核图像的处理和覆盖率计算统一采用浏览方式，含结壳图像的处理和覆盖率计算亦采用浏览方式。具体的处理流程分为两个步骤：

（1）光学校正

原始的结核图像是在点光源照明的状态下获得的（图4a），图像的照明不均匀，通过光学校正，将原始图像转换成均匀的平行光照明状态下的图像（图4b）。

（2）结核识别

设置适当的灰度阈值参数，预览经过光学校正后的结核图像，并将预览图像与原始图像进行对比。若两张图像的结核分布状态差异明显，可不断调整灰度阈值参数，直至预览图像展示出与原始图像中结核相一致的分布状态，即认为达到较理想的结核识别结果（图4c）。完成结核识别步骤后，系统自动计算出结核覆盖率。

图4 结核覆盖率处理计算流程

通过图像处理软件可以较容易地识别出暴露型结核，但由于受表面上覆沉积物的影响，半埋藏型结核的识别准确度会有一定的下降，埋藏型结核则难以识别。因此，客观上来说，结核的产状对结核的识别有较大的影响。

中国开辟区碎屑状和连生体状结核多属暴露型，菜花状和盘状结核属典型的半埋藏型，杨梅状结核是典型的埋藏型结核［1］。西示范区106个站位535个无缆抓斗所采获结核的统计结果表明（据DY105－13航次报告（内部）），西示范区的结核类型主要有碎屑状、连生体状、菜花状、盘状、杨梅状、椭球状、板状、球状等八种类型。其中暴露型结核（碎屑状和连生体状）占大多数，达90.7%，半埋藏型结核（菜花状和盘状）占8.6%，埋藏型结核不到1%。海底视像资料亦显示，大部分结核暴露于海底表面，只有小部分结核呈半埋藏状态（见图1）。暴露型结核占绝大多数，有利于准确地将结核从沉积物背景中识别出来，从而提高结核覆盖率计算结果的准确度。

图5展示了216个采样点的结核／结壳覆盖率计算结果和5条测线的结核／结壳覆盖率变化状况。

4 结核覆盖率统计分析

结核合同区西区位于海山海丘区，区内海山海丘广泛发育，呈孤立状、串珠状展布。根据多波束全覆盖地形测量结果，东西向展布的链状海山特征非常明显［8］。西示范区位于合同区西区内地形较平缓的区域，区内水深变化不大，大部分区域水深在5 150～5 250 m范围内；相对于北部，南部地形变化较剧烈，局部形成高差约100 m的地形隆起（小海丘），最小水深小于5 100 m（见图6）。

海底视像资料显示，海底表层多为沉积物，适宜多金属结核的生长发育。区内大部分区域结核密集出现且分布比较均匀，局部区域有块状结壳出露，结壳出露的水深在5 100～5 200 m之间，对应南部水深变化剧烈的地形隆起。从外观形态来看（见图1e、f），这些块状结壳与中、西太平洋海山区的富钴结壳相似。

潘国富和华祖根［9］对1987、1988、1990年中国在CC区所取得的航次调查资料的研究分析中，就曾注意到块状结壳的出现，但没有论述实物样品的分析结果。在DY105－13和DY115－20两个航次的地质取样中，也没有取得块状结壳实物样品，仅在DY115－20航次通过海底摄像观察到块状结壳的出露，所以对块状结壳属性的了解尚有待日后进一步的调查分析。

4.1 结核／结壳覆盖率分布特征

从由北向南排列的L1～L5测线结核／结壳覆盖率的横向变化（见图5）来看，西示范区内北部覆盖率变化较平缓，如L1测线，只有局部结核出露较少（见图1a），覆盖率存在降低的现象；南部覆盖率变化较剧烈，如L4、L5测线，由于块状结壳的发育，含结壳的覆盖率明显高于平均值，所以覆盖率多处出现跃升的现象。

图5 各条测线结核／结壳覆盖率变化状况

图6 多波束测深地形图

从空间上看，西示范区内南部结核／结壳覆盖率明显高于北部（见图7）。结合多波束测深地形图（图6），可以看出，结核、结壳分布与地形存在一定的对应关系。在区内大部分区域，地形较平缓，只有结核发育，结核分布较均匀，覆盖率变化也较平缓；而在局部地形陡峭区域，由于块状结壳的发育，覆盖率通常较高，引起覆盖率的剧烈变化。L4、L5测线跃升的高覆盖率（图5）正好对应南部南北走向的地形隆起。

鉴于块状结壳的属性尚未明确，剔除含结壳的覆盖率数据，对“纯”结核图像的覆盖率计算结果进行统计分析。统计结果表明，区内201个采样点中，结核覆盖率最低值为18%，最高值为66%，平均值为48%（见表1）。除L1测线一个采样点（见图1a）的结核覆盖率仅为18%外，其余采样点的结核覆盖率均在30%以上；其中结核覆盖率为40%～50%者，占44.3%，50%～60%者，占36.8%，大部分区域的结核覆盖率在40%～60%之间（图8）。若将结核覆盖率分为3个等级：＜10%、10%～30%、＞30%，分别称为低、中和高结核覆盖率，则本区为高结核覆盖率分布区。

图7 结核／结壳覆盖率平面分布图

表1 结核覆盖率参数统计表

图8 结核覆盖率频率分布直方图

统计结果表明，区内结核覆盖率沿东西方向变化不大，同一测线结核覆盖率的标准差最高仅为5.2%（L1测线），其余测线均低于4%。而由北向南排列的L1～L5测线的结核覆盖率平均值逐渐增高，表明结核覆盖率从北向南呈增高趋势（表1）。

4.2 结核覆盖率与地形的关系

根据多波束500 m×500 m网格化数据，201个“纯”结核图像采样点的最大坡度仅3.6°，其中大多数采样点（共125个）的地形坡度s＜1°，地形坡度越大，采样点的个数越少（见表2），亦说明了区内地形总体较平缓，只有局部区域的地形坡度稍大。虽然区内地形坡度变化幅度不大，但对结核分布有明显的影响。201个采样点的结核覆盖率与地形坡度统计对比结果（见表2）表明，随着地形坡度的增大，结核覆盖率呈增高趋势，说明较陡的地形更有利于结核的发育。