梁東紅，何高文，朱克超

（1.國土資源部 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510760）

1 引言

東太平洋海盆CC區(qū)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(jīng)濟價值的結(jié)核富集區(qū)［1］，中國開辟區(qū)位于CC區(qū)結(jié)核帶西部。在經(jīng)過多年的海上調(diào)查并取得豐富調(diào)查成果的基礎(chǔ)上，2001年中國大洋協(xié)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(quán)和優(yōu)先開采權(quán)的多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)。為了對多金屬結(jié)核合同區(qū)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(xié)會在東、西合同區(qū)分別選擇了一塊示范區(qū)，開展加密地質(zhì)調(diào)查。其中“大洋一號”船于DY115－20航次在西示范區(qū)進行了海底攝像拖曳調(diào)查，對海底進行長時間連續(xù)觀察，獲得了5條近東西向測線的海底視像資料。

多金屬結(jié)核覆蓋率是海底表面一定面積內(nèi)結(jié)核覆蓋面積所占的百分率，它是礦區(qū)資源評價的重要指標。獲取結(jié)核覆蓋率的途徑為：首先利用深海探測設(shè)備，如水下照相系統(tǒng)［2］、深拖系統(tǒng)［1］、海底攝像系統(tǒng)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(jié)核覆蓋率。本次海底攝像拖曳調(diào)查采用大洋深海攝像系統(tǒng)進行近底探測，該系統(tǒng)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(tǒng)在中國開辟區(qū)東、西區(qū)采集的照相、攝像資料，對中國開辟區(qū)東、西區(qū)大空間尺度下的多金屬結(jié)核覆蓋率連續(xù)分布進行過研究，對中國開辟區(qū)的結(jié)核覆蓋率大小變化進行了闡述，認為東區(qū)結(jié)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(qū)則以漸變?yōu)橹?，平?08 m相變一次。本文將利用此次調(diào)查采集的海底視像資料，通過水下定位數(shù)據(jù)處理和結(jié)核覆蓋率計算，并結(jié)合多波束地形測量數(shù)據(jù)，從結(jié)核覆蓋率分布角度對西示范區(qū)的多金屬結(jié)核小尺度分布特征進行研究。

2 水下定位數(shù)據(jù)處理

為了計算多金屬結(jié)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(jié)殼）。部分海底視像截圖見圖1。

在海底攝像拖曳調(diào)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(tǒng)的量程范圍，因此無法獲取有效的拖體水下定位數(shù)據(jù)。海底視像資料中記錄的定位數(shù)據(jù)實際上對應(yīng)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(yīng)的拖體定位數(shù)據(jù)進行校正。

圖1 部分海底視像截圖

隋海琛等［5］對海洋調(diào)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(jù)實際情況，對拖體定位數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)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(shù)據(jù)計算

根據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)中提取拖體對應(yīng)的海底水深H b。

在海底攝像拖曳調(diào)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(shù)據(jù)精確且拖體定位數(shù)據(jù)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(yīng)該在3～5 m左右，因此可以將ΔH的數(shù)值大小作為判斷拖體定位數(shù)據(jù)校正是否理想的依據(jù)。

圖2 定位數(shù)據(jù)計算流程

在實際的計算過程中，需要不斷調(diào)整夾角α數(shù)值，求出相應(yīng)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(shù)據(jù)校正達到理想效果，從而確定拖體的坐標（Xt，Yt）和對應(yīng)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(shù)據(jù)進行校正，再從多波束測深資料中提取拖體位置相對應(yīng)的水深數(shù)據(jù)，由此建立起圖像采樣點與拖體定位、水深數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，從而減少了由于海底視像資料與拖體定位數(shù)據(jù)不對應(yīng)所引起的誤差。經(jīng)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(nèi)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(qū)這個大尺度空間，此次在小尺度空間下取得密集的結(jié)核覆蓋率數(shù)據(jù)，以及高精度的多波束地形測量數(shù)據(jù)，為多金屬結(jié)核小尺度分布特征的研究分析提供了數(shù)據(jù)支持。

圖3 母船軌跡線與海底攝像校正測線位置圖

3 結(jié)核識別和覆蓋率計算

采用海底結(jié)核圖像識別處理系統(tǒng)（NIRS）計算結(jié)核覆蓋率。NIRS是由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局和南開大學合作開發(fā)的解譯軟件，主要用于海底結(jié)核圖像中結(jié)核的識別以及結(jié)核覆蓋率的計算［6—7］。該系統(tǒng)是為了海底結(jié)核照片的處理解釋而開發(fā)，如今應(yīng)用于海底視像截圖中結(jié)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(jié)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(qū)分結(jié)核和沉積物背景而計算的結(jié)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(jié)核形狀等特征分割結(jié)核圖像與沉積物背景，識別圈定結(jié)核而計算的結(jié)核覆蓋率［7］。結(jié)核在海底的賦存狀態(tài)是多種多樣的，不同的賦存狀態(tài)，采用不同的處理方式，覆蓋率計算結(jié)果的準確性會有差別。例如，當海底結(jié)核數(shù)量較大、結(jié)核呈連片狀分布的時候，許多結(jié)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(qū)分結(jié)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(jù)結(jié)核在海底的賦存狀態(tài)采取不同的處理方式。針對西示范區(qū)結(jié)核在海底密集分布的狀況，結(jié)核圖像的處理和覆蓋率計算統(tǒng)一采用瀏覽方式，含結(jié)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(jié)核圖像是在點光源照明的狀態(tài)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(zhuǎn)換成均勻的平行光照明狀態(tài)下的圖像（圖4b）。

（2）結(jié)核識別

設(shè)置適當?shù)幕叶乳撝祬?shù)，預覽經(jīng)過光學校正后的結(jié)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(jié)核分布狀態(tài)差異明顯，可不斷調(diào)整灰度閾值參數(shù)，直至預覽圖像展示出與原始圖像中結(jié)核相一致的分布狀態(tài)，即認為達到較理想的結(jié)核識別結(jié)果（圖4c）。完成結(jié)核識別步驟后，系統(tǒng)自動計算出結(jié)核覆蓋率。

圖4 結(jié)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(jié)核，但由于受表面上覆沉積物的影響，半埋藏型結(jié)核的識別準確度會有一定的下降，埋藏型結(jié)核則難以識別。因此，客觀上來說，結(jié)核的產(chǎn)狀對結(jié)核的識別有較大的影響。

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

圖5展示了216個采樣點的結(jié)核／結(jié)殼覆蓋率計算結(jié)果和5條測線的結(jié)核／結(jié)殼覆蓋率變化狀況。

4 結(jié)核覆蓋率統(tǒng)計分析

結(jié)核合同區(qū)西區(qū)位于海山海丘區(qū)，區(qū)內(nèi)海山海丘廣泛發(fā)育，呈孤立狀、串珠狀展布。根據(jù)多波束全覆蓋地形測量結(jié)果，東西向展布的鏈狀海山特征非常明顯［8］。西示范區(qū)位于合同區(qū)西區(qū)內(nèi)地形較平緩的區(qū)域，區(qū)內(nèi)水深變化不大，大部分區(qū)域水深在5 150～5 250 m范圍內(nèi)；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(jié)核的生長發(fā)育。區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域結(jié)核密集出現(xiàn)且分布比較均勻，局部區(qū)域有塊狀結(jié)殼出露，結(jié)殼出露的水深在5 100～5 200 m之間，對應(yīng)南部水深變化劇烈的地形隆起。從外觀形態(tài)來看（見圖1e、f），這些塊狀結(jié)殼與中、西太平洋海山區(qū)的富鈷結(jié)殼相似。

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

4.1 結(jié)核／結(jié)殼覆蓋率分布特征

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

圖5 各條測線結(jié)核／結(jié)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(qū)內(nèi)南部結(jié)核／結(jié)殼覆蓋率明顯高于北部（見圖7）。結(jié)合多波束測深地形圖（圖6），可以看出，結(jié)核、結(jié)殼分布與地形存在一定的對應(yīng)關(guān)系。在區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域，地形較平緩，只有結(jié)核發(fā)育，結(jié)核分布較均勻，覆蓋率變化也較平緩；而在局部地形陡峭區(qū)域，由于塊狀結(jié)殼的發(fā)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(yīng)南部南北走向的地形隆起。

鑒于塊狀結(jié)殼的屬性尚未明確，剔除含結(jié)殼的覆蓋率數(shù)據(jù)，對“純”結(jié)核圖像的覆蓋率計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)201個采樣點中，結(jié)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(jié)核覆蓋率僅為18%外，其余采樣點的結(jié)核覆蓋率均在30%以上；其中結(jié)核覆蓋率為40%～50%者，占44.3%，50%～60%者，占36.8%，大部分區(qū)域的結(jié)核覆蓋率在40%～60%之間（圖8）。若將結(jié)核覆蓋率分為3個等級：＜10%、10%～30%、＞30%，分別稱為低、中和高結(jié)核覆蓋率，則本區(qū)為高結(jié)核覆蓋率分布區(qū)。

圖7 結(jié)核／結(jié)殼覆蓋率平面分布圖

表1 結(jié)核覆蓋率參數(shù)統(tǒng)計表

圖8 結(jié)核覆蓋率頻率分布直方圖

統(tǒng)計結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)結(jié)核覆蓋率沿東西方向變化不大，同一測線結(jié)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(jié)核覆蓋率平均值逐漸增高，表明結(jié)核覆蓋率從北向南呈增高趨勢（表1）。

4.2 結(jié)核覆蓋率與地形的關(guān)系

根據(jù)多波束500 m×500 m網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，201個“純”結(jié)核圖像采樣點的最大坡度僅3.6°，其中大多數(shù)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(shù)越少（見表2），亦說明了區(qū)內(nèi)地形總體較平緩，只有局部區(qū)域的地形坡度稍大。雖然區(qū)內(nèi)地形坡度變化幅度不大，但對結(jié)核分布有明顯的影響。201個采樣點的結(jié)核覆蓋率與地形坡度統(tǒng)計對比結(jié)果（見表2）表明，隨著地形坡度的增大，結(jié)核覆蓋率呈增高趨勢，說明較陡的地形更有利于結(jié)核的發(fā)育。

表2 結(jié)核覆蓋率與地形坡度統(tǒng)計對比

5 結(jié)論

經(jīng)過上述的分析，得到對中國多金屬結(jié)核西示范區(qū)結(jié)核小尺度分布特征的幾點認識：

（1）多金屬結(jié)核分布與地形存在一定的對應(yīng)關(guān)系，在地形平緩區(qū)域，只有結(jié)核發(fā)育，結(jié)核覆蓋率變化較平緩；而在局部地形陡峭區(qū)域，由于塊狀結(jié)殼的形成，結(jié)核／結(jié)殼覆蓋率出現(xiàn)明顯的躍升。

（2）西示范區(qū)為多金屬結(jié)核高覆蓋率分布區(qū)，大部分區(qū)域的結(jié)核覆蓋率在40%～60%之間；結(jié)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(jié)核分布有明顯的影響，在區(qū)內(nèi)0°～3.6°的坡度范圍內(nèi)，坡度越大，結(jié)核覆蓋率越高，較陡的地形更有利于結(jié)核的發(fā)育。

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