中西太平洋海山形態(tài)類型及鈷結(jié)殼發(fā)育的研究

中西太平洋海山形態(tài)類型及鈷結(jié)殼發(fā)育的研究

1強(qiáng)度與形態(tài)研究的意義海底火山有多種類型，包括寬而平的頂部和尖而尖的頂部。不同形態(tài)類型的海山經(jīng)歷了不同的構(gòu)造演化階段,那么海山形態(tài)類型與鈷結(jié)殼資源分布有什么樣的關(guān)系呢,這是當(dāng)前鈷結(jié)殼資源調(diào)查研究中的一個(gè)熱點(diǎn),它關(guān)系到未來海山鈷結(jié)殼資源調(diào)查及礦區(qū)圈定的選擇。目前許多研究者進(jìn)行了這方面的研究,但卻有兩種不同觀點(diǎn):一種觀點(diǎn)通過對(duì)麥哲倫海山的研究后認(rèn)為,平頂海山資源大,尖頂海山資源少;另一種觀點(diǎn)通過對(duì)中太平洋海山的研究后認(rèn)為,尖頂海山資源比平頂海山的豐富。文獻(xiàn)中提到“尖頂海山”、“平頂海山”等海山類型是依據(jù)什么標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分的呢?我國(guó)所調(diào)查的眾多海山究竟屬于哪一種類型呢?現(xiàn)有研究表明,海山形態(tài)主要由巖漿的化學(xué)組成、噴發(fā)類型和構(gòu)造演化決定。雖然許多因素可以控制海山的形態(tài),但是許多海山在形態(tài)方面表現(xiàn)出驚人的相似性,表明具有普遍的控制作用,因此通過分析和對(duì)比海山形態(tài)特征可以有助于了解海山形成的特征,這對(duì)于探討鈷結(jié)殼形成的環(huán)境具有重要意義。本文將針對(duì)上述問題展開分析,對(duì)比各種類型海山的形態(tài)特征,探討海山形態(tài)分類的量化指標(biāo),為深入分析海山形態(tài)對(duì)鈷結(jié)殼形成的影響奠定基礎(chǔ),通過分析對(duì)比中西太平洋不同類型海山上鈷結(jié)殼分布特征,為海山鈷結(jié)殼資源調(diào)查及評(píng)價(jià)提供參考。2勘察及所查程度我國(guó)曾對(duì)中西太平洋海山的鈷結(jié)殼資源進(jìn)行過地質(zhì)和地球物理調(diào)查,但是對(duì)有些海山勘察的網(wǎng)度較密,對(duì)有些海山勘察的網(wǎng)度較稀,對(duì)有些海山的勘察連起碼的預(yù)查程度也未達(dá)到。本文通過對(duì)海山調(diào)查資料的整理分析,確定勘察資料比較完整的53座不同形態(tài)類型的小海山作為主要研究對(duì)象,具體為麥哲倫海山區(qū)的S25—S32八座海山、馬紹爾群島的S33,S34兩座海山、威克—馬爾庫斯海山區(qū)的S15—S24十座海山、中太平洋海山區(qū)的S1—S14十四座海山、萊恩群島的S35—S53十九座海山(圖1),其中前三個(gè)海山區(qū)位于西太平洋,后兩個(gè)位于中太平洋。3形態(tài)參數(shù)及數(shù)據(jù)獲取海山地形數(shù)據(jù)是用多波束SeaBeam2112.360系統(tǒng)采集得到的,該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、全覆蓋等特點(diǎn),測(cè)線間距保證相鄰測(cè)幅10%的重疊,并根據(jù)實(shí)際水深情況及相互重疊程度進(jìn)行合理調(diào)整,不留下探測(cè)盲區(qū)。本次所用地形數(shù)據(jù)均是經(jīng)過海上數(shù)據(jù)去噪聲及系統(tǒng)的后處理軟件對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、各種改正、處理后生成的三維地形數(shù)據(jù),利用獲得的三維地形數(shù)據(jù)制作網(wǎng)格化文件,最終完成水深等值線圖、地形剖面圖、三維立體圖等,本次作圖均使用Surfer8.0軟件完成。描述海山形態(tài)的參數(shù)很多,山體高度、山頂直徑和基底直徑為海山形態(tài)的基本參數(shù),此外山體高度與基底直徑之比、山頂直徑與基底直徑之比、山體坡度也常被用來描述海山的形態(tài)變化特征。因此,本文選擇每個(gè)海山體高度(h)、山頂直徑(dt)、基底直徑(db)、平坦度F(F=dt/db)、山體坡度S[S=2h/(db-dt]、山體高度與基底直徑之比ξh(ξh=h/db)六個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述。統(tǒng)計(jì)形態(tài)數(shù)據(jù)主要來自上述中西太平洋53座小海山的地形數(shù)據(jù),采用作圖法獲得海山形態(tài)數(shù)據(jù)(見表1)。由表1可以看出:53座海山的山體高度為1350～4650m,山頂最淺水深為1175m,最大水深為2800m,平均水深為1660m;基底最淺水深為3650m,最大水深為6100m,平均水深為4950m。山頂直徑最小的為1.05km,最大的為113.22km,平均直徑為18.19km;基底直徑最小的為16.15km,最大的為165.16km,平均直徑為51.90km。山體高度與基底直徑之比的最小值為0.02,即山體高度是基底直徑的1/50,最大的為0.17,山體高度約為基底直徑的1/5,平均值為0.08,山體高度為基底直徑的1/12.5;平坦度的最小值為0.04,最大值為0.69,平均值為0.27,即山頂直徑與基底直徑之比的最小值為1/25,最大值為7/10,平均值約為1/4。山體坡度最小值為4.57°,最大值為22.19°,平均坡度為12.58°。4極大方差旋轉(zhuǎn)因子因子分析的主要目的是通過分析造成樣品或變量離散和聚類的那些地質(zhì)控制因素,然后計(jì)算出因子載荷和因子得分隱含著哪些控制因素,再結(jié)合其他實(shí)際觀測(cè)資料來探討海山形態(tài)特征的控制因素和成因機(jī)制。本次選擇海山的山體高度、山頂直徑、基底直徑、山體高度與基底直徑之比、平坦度、坡度6個(gè)因素作為變量,把表1中53座小海山各方向數(shù)據(jù)作為樣本,其中有7座海山為兩個(gè)方向,即表1中海山名稱后邊帶B的海山均為與該海山同編號(hào)但不帶B海山的另一個(gè)方向參數(shù),共計(jì)60個(gè)數(shù)據(jù)。作60×6矩陣數(shù)據(jù)的R型因子分析,因子旋轉(zhuǎn)方法為極大方差旋轉(zhuǎn)(varimaxrotation),公因子提取方法為主分量分析,結(jié)果見表2。由表2可以看出,96%的累計(jì)方差可由3個(gè)因子來解釋,提取3個(gè)因子比較合適。因子1和因子2特征根分別占總方差的39.77%和37.22%,極大方差旋轉(zhuǎn)因子載荷顯示因子1主要由正載荷山頂直徑和平坦度構(gòu)成,因子2主要由負(fù)載荷的山體高度與基底直徑之比和坡度構(gòu)成,因子1和因子2主要反映的是山體形態(tài)特征。因子3的特征根占總方差的19.11%,主要由正載荷的山體高度組成,反映山體尺寸變化的特征。5我國(guó)太平洋的信用評(píng)級(jí)分類山體形態(tài)的參數(shù)變化較大,聚類分析就是按照事物本身的特點(diǎn)來進(jìn)行分類,主要目的是分析樣品或變量的離散和聚集程度,進(jìn)而探討樣品的空間分布變化特征,本次選用Q型聚類分析方法對(duì)各海山形態(tài)類型進(jìn)行分類探討。利用因子分析方法對(duì)山體形態(tài)參數(shù)的6個(gè)變量分析可知,海山形態(tài)主要由3個(gè)因子的5個(gè)變量控制,即因子1中的山頂直徑和平坦度、因子2中的山體高度與基底直徑之比和坡度、因子3的山體高度。因此,利用表1中53座小海山的60個(gè)海山形態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)5個(gè)控制變量進(jìn)行聚類分析,選取的聚類方法為最長(zhǎng)距離法(completelinkage),距離測(cè)度法為歐氏距離(Euclideandistance),計(jì)算分析結(jié)果如表1和圖2。聚類分析得出Ⅰ,Ⅱ兩群海山類型組合,其中S40海山由于山體長(zhǎng)短軸變化較大,用不同的軸分類分別屬于Ⅰ類和Ⅱ類,這可能是由于該海山處于由Ⅱ類向Ⅰ類轉(zhuǎn)換過渡階段,綜合其山體參數(shù)特征,認(rèn)為將其歸為Ⅱ類比較合適。分類結(jié)果中第Ⅰ組合由30座小海山組成,其中7座位于麥哲倫海山區(qū)、2座位于馬紹爾群島、5座位于威克—馬爾庫斯海山區(qū)、5座位于中太平洋海山區(qū)、11座位于萊恩群島。第Ⅱ組合由23座小海山組成,其中1座位于麥哲倫海山區(qū)、5座位于威克—馬爾庫斯海山區(qū)、9座位于中太平洋海山區(qū)、8座位于萊恩群島(見表1)。從上述分析可以看出,麥哲倫海山區(qū)、馬紹爾群島基本以Ⅰ類海山為主,威克—馬爾庫斯海山區(qū)、中太平洋海山區(qū)、萊恩群島則共同發(fā)育Ⅰ類海山和Ⅱ類海山。Ⅰ組海山形態(tài)特點(diǎn)是山頂直徑和基底直徑均大,山體高度與基底直徑之比值小(0.03～0.10)、平坦度大、山體坡度緩,Ⅱ組海山形態(tài)特點(diǎn)剛好相反(見表3)。將上述53座海山形態(tài)特征與分類特征進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),Ⅰ類海山基本上為平坦型山頂,與我們?cè)缫咽熘钠巾敽Ｉ交蚍Q蓋奧特(guyot)洋底平頂山形態(tài)相似,通常認(rèn)為它們是在以往出露海面時(shí)期被波浪削平的古代火山錐,但平坦頂部是否全部由海平面侵蝕作用造成也還有一些疑問,某些平坦的頂部也可能是由熔巖填充了破火山口的火山峰發(fā)育而成,或者是因構(gòu)造作用而形成的,也有人認(rèn)為,平頂海山是多期火山噴發(fā)的結(jié)果。Ⅱ類海山基本上為陡峭型火山錐,與我們常說的海山形態(tài)相似,為孤立或比較孤立的深海底部隆起,起伏在1000m以上,帶有比較陡的斜坡面和比較小的山頂區(qū),一般認(rèn)為這是單源火山成因。為了驗(yàn)證上述分類結(jié)果的可靠性,挑選一些國(guó)際上已經(jīng)命名的太平洋海山與本次海山分類結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如分類為Ⅰ類的S1,S15,S25,S27,S33,S34海山國(guó)外均命名為平頂山(guyot),Ⅱ類的S12,S47海山國(guó)外均命名為海山(seamount),可以看出,用上述5個(gè)參數(shù)對(duì)海山進(jìn)行分類的結(jié)果基本上與國(guó)際上的命名結(jié)果相吻合,這說明用這幾個(gè)參數(shù)對(duì)海山進(jìn)行類型分類是可行的。表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,山體高度與基底直徑之比小于0.10的均為Ⅰ類海山,大于0.10的均為Ⅱ類海山,而等于0.10的既有Ⅰ類的海山,也有Ⅱ類的海山;平坦度大和山體坡度緩的為Ⅰ類,反之為Ⅱ類。因此,我們認(rèn)為可以考慮用山體高度與基底直徑之比作為初步進(jìn)行海山類型劃分的標(biāo)準(zhǔn),該方法簡(jiǎn)便,易操作,只要計(jì)算出海山的高度和基底直徑即可。6山體方位對(duì)總體特征的影響海山可以分為平頂海山和尖頂海山兩類,兩者的形態(tài)明顯不同,這種差異表明這些海山有不同的演化史,從而影響到海山上鈷結(jié)殼的分布,那么不同類型海山上鈷結(jié)殼資源分布又如何呢,本文在海山類型分類基礎(chǔ)上,對(duì)不同類型海山的資源分布進(jìn)行了分析研究。海山資源調(diào)查數(shù)據(jù)來自于拖網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)。拖網(wǎng)采樣對(duì)于厚板狀結(jié)殼可能會(huì)有些偏差,但目前調(diào)查數(shù)據(jù)仍以拖網(wǎng)采樣為主,因此本文主要利用拖網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)對(duì)海山資源分布特征進(jìn)行初步研究。各種類型海山上鈷結(jié)殼資源統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。從圖3可以看出,麥哲倫海山區(qū)、馬紹爾群島基本以平頂海山為主,威克—馬爾庫斯海山區(qū)、中太平洋海山區(qū)、萊恩群島平頂海山與尖頂海山共同發(fā)育。無論是尖頂海山還是平頂海山,板狀結(jié)殼均比較發(fā)育,但礫狀結(jié)殼在平頂海山上更發(fā)育,比尖頂海山的好,這可能是由于兩種類型海山從山頂?shù)缴侥_在地形的變化過渡上有明顯的差別。平頂海山在山頂和山腳處坡度較緩,僅山坡處較陡,而尖頂海山從山頂向深水處是連續(xù)過渡的,坡度較陡。陡坡帶受地震、火山噴發(fā)、重力滑坡、洋流侵蝕等外界因素影響,礫狀結(jié)殼滾落到山坡下部,而山頂平臺(tái)則由于坡度小,不會(huì)發(fā)生滾落事件,山頂平臺(tái)和山坡中下部易于礫狀結(jié)殼保存,因此平頂海山比尖頂海山有利于礫狀結(jié)殼的保存。從中太平洋海山區(qū)、威克—馬爾庫斯海山區(qū)、萊恩群島兩種海山類型的鈷結(jié)殼分布看,尖頂海山的鈷結(jié)殼一般比平頂海山上的發(fā)育,似乎在選擇海山時(shí)應(yīng)選擇尖頂海山。這里有一點(diǎn)需要注意,雖然尖頂海山上的鈷結(jié)殼質(zhì)量好,但這些尖頂海山主要分布于中太平洋,山頂面積小(8630.65km2),只占平頂海山(48285.08km2)的1/5,鈷結(jié)殼資源量不大。若僅從平頂海山看,麥哲倫海山區(qū)、威克—馬爾庫斯海山區(qū)板狀結(jié)殼發(fā)育,它的平均厚度大于3cm,而在中太平洋海山區(qū)、馬紹爾群島、萊恩群島板狀結(jié)殼稍差,平均厚度小于3cm。前者構(gòu)造上位于西太平洋,后者位于中太平洋,似有西太平洋平頂海山鈷結(jié)殼比中太平洋平頂海山的豐富。山體方位對(duì)海山上鈷結(jié)殼的分布具有局部影響。關(guān)于山體方位對(duì)鈷結(jié)殼分布的影響方面的研究較少,本次選擇中西太平洋不同類型的典型海山進(jìn)行山體方位對(duì)鈷結(jié)殼資源分布特征研究。為了解海山各方向資源分布的特征,對(duì)海山各方向剖面進(jìn)行劃分,從海山中心向外按正北方向?yàn)?°,11.25°作為容差角順時(shí)針旋轉(zhuǎn),分別得到0°,22.5°,45°,67.5°,90°,112.5°,135°,157.5°,180°,202.5°,225°,247.5°,270°,292.5°,315°,337.5°十六個(gè)方向的剖面。對(duì)于各方向剖面資源計(jì)算主要利用鄰近區(qū)域法的單元網(wǎng)格數(shù)據(jù),分別計(jì)算每個(gè)剖面的單位面積資源量(T/S)及各剖面單位面積資源量之差δ(T/S),結(jié)果見表4和圖4。由表4和圖4可以看出:整體上平頂海山西部山坡資源較豐富,尖頂海山東部資源較豐富,這可能是由于尖頂海山多數(shù)分布于靠近東太平洋海隆的萊恩群島及中太平洋海山區(qū),東太平洋海隆海底擴(kuò)張為鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)提供物質(zhì)來源,而平頂海山多數(shù)分布于靠近西太平洋邊緣的麥哲倫海山區(qū)、馬紹爾群島及威克—馬爾庫斯海山區(qū),西太平洋邊緣的亞洲大陸為西太平洋海山上鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)提供陸源碎屑輸入,促進(jìn)海山上鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)。7中太平洋的保水材料本文通過對(duì)調(diào)查海山地表形態(tài)參數(shù)的因子分析、聚類分析來對(duì)調(diào)查海山類型進(jìn)行定量分類,并與國(guó)際上已有的海山進(jìn)行對(duì)