中國多金屬結核西示范區的結核小尺度分布特征

梁東紅，何高文，朱克超

（1.國土資源部 廣州海洋地質調查局，廣東 廣州510760）

1 引言

東太平洋海盆CC區位于克拉里昂斷裂帶以南、萊恩群島海山鏈以東、克里帕頓斷裂帶以北、東太平洋海隆以西海域，是具有特殊經濟價值的結核富集區［1］，中國開辟區位于CC區結核帶西部。在經過多年的海上調查并取得豐富調查成果的基礎上，2001年中國大洋協會與國際海底管理局簽訂了《勘探合同》，獲得了7.5萬平方千米、擁有專屬勘探權和優先開采權的多金屬結核勘探合同區。為了對多金屬結核合同區進行詳細的資源評價以及為將來的采礦做準備，在“十五”、“十一五”期間，中國大洋協會在東、西合同區分別選擇了一塊示范區，開展加密地質調查。其中“大洋一號”船于DY115－20航次在西示范區進行了海底攝像拖曳調查，對海底進行長時間連續觀察，獲得了5條近東西向測線的海底視像資料。

多金屬結核覆蓋率是海底表面一定面積內結核覆蓋面積所占的百分率，它是礦區資源評價的重要指標。獲取結核覆蓋率的途徑為：首先利用深海探測設備，如水下照相系統［2］、深拖系統［1］、海底攝像系統等，進行近底探測取得照相或攝像資料；再將照相或攝像資料進行處理計算，獲得結核覆蓋率。本次海底攝像拖曳調查采用大洋深海攝像系統進行近底探測，該系統采用甲板供電，可長時間在水下工作［3］。

包更生等［4］曾利用深拖系統在中國開辟區東、西區采集的照相、攝像資料，對中國開辟區東、西區大空間尺度下的多金屬結核覆蓋率連續分布進行過研究，對中國開辟區的結核覆蓋率大小變化進行了闡述，認為東區結核覆蓋率大小變化往往是突變的，平均451 m相變一次，而西區則以漸變為主，平均908 m相變一次。本文將利用此次調查采集的海底視像資料，通過水下定位數據處理和結核覆蓋率計算，并結合多波束地形測量數據，從結核覆蓋率分布角度對西示范區的多金屬結核小尺度分布特征進行研究。

2 水下定位數據處理

為了計算多金屬結核覆蓋率，首先要對海底視像資料進行回放并截圖，截取符合軟件處理要求的圖像，最終共獲得216幅有效圖像（部分截圖含結殼）。部分海底視像截圖見圖1。

在海底攝像拖曳調查中，由于攝像拖體與母船之間的斜距超出了“大洋一號”船裝備的超短基線定位系統的量程范圍，因此無法獲取有效的拖體水下定位數據。海底視像資料中記錄的定位數據實際上對應的是母船的位置，這與拖體的實際位置相比具有較大的偏差，因此，需要對圖像采樣點對應的拖體定位數據進行校正。

圖1 部分海底視像截圖

隋海琛等［5］對海洋調查中水下目標位置的確定方法進行了論述，我們參考其中的計算方法，并根據實際情況，對拖體定位數據進行校正。

2.1 定位公式推導

“大洋一號”船萬米電纜入水點大約位于船載GPS天線正后方50 m，設GPS天線坐標為（X0，Y0），船艏向為θ0，則電纜入水點的位置坐標為：

式中，A＝50，單位m。

當母船沿直線勻速航行時，忽略海水流速流向的影響，可以將拖纜近似地看成直線。設母船航行方向為θ1，忽略地球曲面影響，則拖體的大概位置坐標（Xt，Yt）為：

式中，S為拖纜釋放長度L在水平面的投影，即S＝L×cosα，α為拖纜與水平面的夾角。

將式（2）代入式（1），因為θ0≈θ1，拖體坐標的計算公式可以簡化為：

而拖體水深的計算公式為：

2.2 定位數據計算

根據計算公式（3）、（4），在已知母船坐標（X0，Y0）和航行方向θ1、拖纜釋放長度L時，預設拖纜與水平面的夾角α，即可計算出拖體的坐標（Xt，Y t）和拖體的水深Ht。獲得拖體的坐標（Xt，Yt）后，則可以從多波束地形測量數據中提取拖體對應的海底水深H b。

在海底攝像拖曳調查中，拖體一般距離海底高度3～5 m左右，而在多波束地形測量數據精確且拖體定位數據準確的理想情況下，海底水深H b和拖體水深Ht的差值ΔH＝H b－Ht應該在3～5 m左右，因此可以將ΔH的數值大小作為判斷拖體定位數據校正是否理想的依據。

圖2 定位數據計算流程

在實際的計算過程中，需要不斷調整夾角α數值，求出相應的海底水深Hb和拖體水深Ht，直至使得ΔH逐漸逼近3～5 m，即可認為拖體定位數據校正達到理想效果，從而確定拖體的坐標（Xt，Yt）和對應的海底水深H b。具體的計算流程見圖2。

通過對拖體定位數據進行校正，再從多波束測深資料中提取拖體位置相對應的水深數據，由此建立起圖像采樣點與拖體定位、水深數據的對應關系，從而減少了由于海底視像資料與拖體定位數據不對應所引起的誤差。經過校正后的海底攝像測線位置見圖3（圖中紅色圓點為圖像采樣點）。5條近東西向海底攝像測線的控制范圍約26.7 k m×11.0 k m，測線最大間距約3.4 k m。在控制范圍內共采集216個采樣點，沿測線方向采樣點的最小間距約18 m，最大間距約1 629 m，平均間距約427 m。相對于中國開辟區這個大尺度空間，此次在小尺度空間下取得密集的結核覆蓋率數據，以及高精度的多波束地形測量數據，為多金屬結核小尺度分布特征的研究分析提供了數據支持。

圖3 母船軌跡線與海底攝像校正測線位置圖

3 結核識別和覆蓋率計算

采用海底結核圖像識別處理系統（NIRS）計算結核覆蓋率。NIRS是由廣州海洋地質調查局和南開大學合作開發的解譯軟件，主要用于海底結核圖像中結核的識別以及結核覆蓋率的計算［6—7］。該系統是為了海底結核照片的處理解釋而開發，如今應用于海底視像截圖中結核的識別和覆蓋率計算。

NIRS可通過瀏覽和識別兩種不同處理方式，分別計算出結核的瀏覽覆蓋率和識別覆蓋率。其中瀏覽覆蓋率是指單純以灰度區分結核和沉積物背景而計算的結核覆蓋率，識別覆蓋率是指用模式識別方法綜合利用灰度、結核形狀等特征分割結核圖像與沉積物背景，識別圈定結核而計算的結核覆蓋率［7］。結核在海底的賦存狀態是多種多樣的，不同的賦存狀態，采用不同的處理方式，覆蓋率計算結果的準確性會有差別。例如，當海底結核數量較大、結核呈連片狀分布的時候，許多結核未能通過識別方式準確識別圈定出邊界。在這種情況下，采用瀏覽方式能比較準確地區分結核和沉積物背景（見圖4），瀏覽覆蓋率比識別覆蓋率更準確［6—7］。因此，在實際處理工作中，需根據結核在海底的賦存狀態采取不同的處理方式。針對西示范區結核在海底密集分布的狀況，結核圖像的處理和覆蓋率計算統一采用瀏覽方式，含結殼圖像的處理和覆蓋率計算亦采用瀏覽方式。具體的處理流程分為兩個步驟：

（1）光學校正

原始的結核圖像是在點光源照明的狀態下獲得的（圖4a），圖像的照明不均勻，通過光學校正，將原始圖像轉換成均勻的平行光照明狀態下的圖像（圖4b）。

（2）結核識別

設置適當的灰度閾值參數，預覽經過光學校正后的結核圖像，并將預覽圖像與原始圖像進行對比。若兩張圖像的結核分布狀態差異明顯，可不斷調整灰度閾值參數，直至預覽圖像展示出與原始圖像中結核相一致的分布狀態，即認為達到較理想的結核識別結果（圖4c）。完成結核識別步驟后，系統自動計算出結核覆蓋率。

圖4 結核覆蓋率處理計算流程

通過圖像處理軟件可以較容易地識別出暴露型結核，但由于受表面上覆沉積物的影響，半埋藏型結核的識別準確度會有一定的下降，埋藏型結核則難以識別。因此，客觀上來說，結核的產狀對結核的識別有較大的影響。

中國開辟區碎屑狀和連生體狀結核多屬暴露型，菜花狀和盤狀結核屬典型的半埋藏型，楊梅狀結核是典型的埋藏型結核［1］。西示范區106個站位535個無纜抓斗所采獲結核的統計結果表明（據DY105－13航次報告（內部）），西示范區的結核類型主要有碎屑狀、連生體狀、菜花狀、盤狀、楊梅狀、橢球狀、板狀、球狀等八種類型。其中暴露型結核（碎屑狀和連生體狀）占大多數，達90.7%，半埋藏型結核（菜花狀和盤狀）占8.6%，埋藏型結核不到1%。海底視像資料亦顯示，大部分結核暴露于海底表面，只有小部分結核呈半埋藏狀態（見圖1）。暴露型結核占絕大多數，有利于準確地將結核從沉積物背景中識別出來，從而提高結核覆蓋率計算結果的準確度。

圖5展示了216個采樣點的結核／結殼覆蓋率計算結果和5條測線的結核／結殼覆蓋率變化狀況。

4 結核覆蓋率統計分析

結核合同區西區位于海山海丘區，區內海山海丘廣泛發育，呈孤立狀、串珠狀展布。根據多波束全覆蓋地形測量結果，東西向展布的鏈狀海山特征非常明顯［8］。西示范區位于合同區西區內地形較平緩的區域，區內水深變化不大，大部分區域水深在5 150～5 250 m范圍內；相對于北部，南部地形變化較劇烈，局部形成高差約100 m的地形隆起（小海丘），最小水深小于5 100 m（見圖6）。

海底視像資料顯示，海底表層多為沉積物，適宜多金屬結核的生長發育。區內大部分區域結核密集出現且分布比較均勻，局部區域有塊狀結殼出露，結殼出露的水深在5 100～5 200 m之間，對應南部水深變化劇烈的地形隆起。從外觀形態來看（見圖1e、f），這些塊狀結殼與中、西太平洋海山區的富鈷結殼相似。

潘國富和華祖根［9］對1987、1988、1990年中國在CC區所取得的航次調查資料的研究分析中，就曾注意到塊狀結殼的出現，但沒有論述實物樣品的分析結果。在DY105－13和DY115－20兩個航次的地質取樣中，也沒有取得塊狀結殼實物樣品，僅在DY115－20航次通過海底攝像觀察到塊狀結殼的出露，所以對塊狀結殼屬性的了解尚有待日后進一步的調查分析。

4.1 結核／結殼覆蓋率分布特征

從由北向南排列的L1～L5測線結核／結殼覆蓋率的橫向變化（見圖5）來看，西示范區內北部覆蓋率變化較平緩，如L1測線，只有局部結核出露較少（見圖1a），覆蓋率存在降低的現象；南部覆蓋率變化較劇烈，如L4、L5測線，由于塊狀結殼的發育，含結殼的覆蓋率明顯高于平均值，所以覆蓋率多處出現躍升的現象。

圖5 各條測線結核／結殼覆蓋率變化狀況

圖6 多波束測深地形圖

從空間上看，西示范區內南部結核／結殼覆蓋率明顯高于北部（見圖7）。結合多波束測深地形圖（圖6），可以看出，結核、結殼分布與地形存在一定的對應關系。在區內大部分區域，地形較平緩，只有結核發育，結核分布較均勻，覆蓋率變化也較平緩；而在局部地形陡峭區域，由于塊狀結殼的發育，覆蓋率通常較高，引起覆蓋率的劇烈變化。L4、L5測線躍升的高覆蓋率（圖5）正好對應南部南北走向的地形隆起。

鑒于塊狀結殼的屬性尚未明確，剔除含結殼的覆蓋率數據，對“純”結核圖像的覆蓋率計算結果進行統計分析。統計結果表明，區內201個采樣點中，結核覆蓋率最低值為18%，最高值為66%，平均值為48%（見表1）。除L1測線一個采樣點（見圖1a）的結核覆蓋率僅為18%外，其余采樣點的結核覆蓋率均在30%以上；其中結核覆蓋率為40%～50%者，占44.3%，50%～60%者，占36.8%，大部分區域的結核覆蓋率在40%～60%之間（圖8）。若將結核覆蓋率分為3個等級：＜10%、10%～30%、＞30%，分別稱為低、中和高結核覆蓋率，則本區為高結核覆蓋率分布區。

圖7 結核／結殼覆蓋率平面分布圖

表1 結核覆蓋率參數統計表

圖8 結核覆蓋率頻率分布直方圖

統計結果表明，區內結核覆蓋率沿東西方向變化不大，同一測線結核覆蓋率的標準差最高僅為5.2%（L1測線），其余測線均低于4%。而由北向南排列的L1～L5測線的結核覆蓋率平均值逐漸增高，表明結核覆蓋率從北向南呈增高趨勢（表1）。

4.2 結核覆蓋率與地形的關系

根據多波束500 m×500 m網格化數據，201個“純”結核圖像采樣點的最大坡度僅3.6°，其中大多數采樣點（共125個）的地形坡度s＜1°，地形坡度越大，采樣點的個數越少（見表2），亦說明了區內地形總體較平緩，只有局部區域的地形坡度稍大。雖然區內地形坡度變化幅度不大，但對結核分布有明顯的影響。201個采樣點的結核覆蓋率與地形坡度統計對比結果（見表2）表明，隨著地形坡度的增大，結核覆蓋率呈增高趨勢，說明較陡的地形更有利于結核的發育。

表2 結核覆蓋率與地形坡度統計對比

5 結論

經過上述的分析，得到對中國多金屬結核西示范區結核小尺度分布特征的幾點認識：

（1）多金屬結核分布與地形存在一定的對應關系，在地形平緩區域，只有結核發育，結核覆蓋率變化較平緩；而在局部地形陡峭區域，由于塊狀結殼的形成，結核／結殼覆蓋率出現明顯的躍升。

（2）西示范區為多金屬結核高覆蓋率分布區，大部分區域的結核覆蓋率在40%～60%之間；結核覆蓋率沿東西方向變化不大，而由北向南呈增高趨勢。

（3）地形坡度對結核分布有明顯的影響，在區內0°～3.6°的坡度范圍內，坡度越大，結核覆蓋率越高，較陡的地形更有利于結核的發育。

［1］呂文正，黃永樣，張國楨，等.太平洋多金屬結核中國開辟區礦床地質［M］.北京：海洋出版社，2008：1，7，139－140，207－208.

［2］Huggett Q J，Somers M L.Possibilities of using the GLORIA system for manganese nodule assessment［J］.Marine Geophysical Researches，1988，9：255－264.

［3］何高文，梁東紅，宋成兵，等.淺地層剖面測量和海底攝像聯合應用確定平頂海山富鈷結殼分布界線［J］.地球科學—中國地質大學學報，2005，30（4）：509－512.

［4］包更生，王洪法，申屠海港，等.中國開辟區多金屬結核覆蓋率分布特征［J］.海洋學報，2002，24（4）：68－75.

［5］隋海琛，劉彥祥，姜曉暉.海洋調查中水下目標位置的確定［J］.海洋測繪，2004，24（3）：32－34.

［6］王公念，朱克超，葉劍平，等.多金屬結核海底照片的圖象識別與處理［J］.地質論評，1996，42（6）：560－563.

［7］朱克超，王公念.多金屬結核海底照片圖象處理結果的地質解釋［J］.海洋地質與第四紀地質，1997，17（3）：55－61.

［8］何高文，孫曉明，薛婷.太平洋多金屬結核和富鈷結殼地質地球化學特征與成礦機制對比［M］.北京：地質出版社，2011：10－11.

［9］潘國富，華祖根.CC區多金屬結核分布特征及其與地質地理環境因素之間的關系［J］.海洋與湖沼，1996，27（4）：405－413.