西太平洋马尔库斯-威克海岭一带海底特征地貌特征

西太平洋马尔库斯-威克海岭一带海底特征地貌特征

0海底微地形地貌的研究深度丰富。为了勘探和开发这些储备条件，我们必须了解储备条件，即水深、地形、地质和构造背景、矿床分布特征、成矿地球化学和工程地质条件。最基本的工作是水深和精确地形的测量。可见,对海底微地形地貌的调查研究对于勘探开发埋藏于深海的矿产资源具有重要意义。微地形的探测方法有很多种,如声呐成像、海底照相、深海摄像等,将高分辨率的高频声呐技术(或其它声测技术)与立体照相技术相结合,可以探测到高精度海底微地形地貌特征。目前,对海底微地形地貌的研究并不多,JONATHONetal对海底粗糙度进行了统计特性分析;YAMAZAKIetal则通过对拍摄的中太平洋海山立体照片进行的视频数据处理、图像分析等认为,在3m×4m的观察范围内,其微地形的起伏从几厘米到几米不等。在我国的大洋DY115-21航次中,研究者首次利用声学深拖系统,对西太平洋的马尔库斯-威克海岭一带的海山进行了深海海底精细地形调查。本文通过对该航次第1航段所采集的相关数据进行的后处理,结合深海摄像资料,对该区的微地形地貌特征进行了初步解释,为未来富钴结壳资源的进一步调查、研究及其开发、利用提供科学参考。1声充系统的工作原理声学深拖系统由深水多波束子系统(以下称多波束)、侧扫声呐和浅地层剖面(以下称浅剖)子系统、光电通讯子系统以及7个辅助传感器(运动参考单元、高度计、多普勒计程仪、声速剖面仪、压力传感器、温盐深传感器和声信标)组成。该系统最大设计工作水深为6000m,可实现海底微地形、微地貌和浅层结构的高分辨率探测,满足重点海区海底的精细探测要求。SIS-3000XL型侧扫声呐横向分辨率优于7cm;浅剖穿透深度为10～100m,分辨率优于15cm;多波束具有等角和等距2种工作模式,波束数为128个,波束宽度优于1°×1°,量程分辨率为1cm。声学深拖系统的拖曳光缆连接在压载器上,并由50m左右的中性浮缆拖着拖体前进(图1)。作业时,操作员在水上控制平台发出的指令,经由光缆被传输到拖体中的声呐舱,使其处于合适工作状态,之后,拖体中的声呐电子分机将驱动左右舷声呐阵向水中发射信号,而海底声回波便经声呐阵被声呐电子分机所接收,接收到的数据又经光纤被送到计算机上进行简单的数据处理,之后其处理结果被传送到显示计算机上。与此同时,各种传感器所记录的数据也将经多通路连接器被送到显示计算机上。声学深拖系统中的高分辨率测深侧扫声呐是由声呐电子分机和分别安装在载体左右两侧的2条声呐阵组成,通过直接测量海底回波到达声呐阵的入射角,可获得探测目标的深度、方位和信号强度等数据资料,它采用了多子阵海底自动检测——波达方向估计(DOA)技术,可同时获得高分辨率的地形和地貌资料,并可在复杂的海底上作业,同时,采用Chirp技术,一定程度上提高了测量分辨率。高分辨率测深侧扫声呐的测深分辨率,明显高于船载多波束声呐系统,是目前获取高分辨率海底地形地貌资料的关键设备。2马尔库斯-威克海岭研究区中西太平洋海山区是太平洋海盆中最大的海山发育区,它包括西太平洋海山区和中太平洋海山群及其邻近区域,是整个太平洋板块上洋壳年龄最老、磁条带异常最复杂、海山分布最密集、地质构造最独特、构造活动最强烈的区域,也是太平洋板块中构造背景最为复杂的区域。区内有纵横交错的海山链、独立的海隆和海台,中有延伸上千公里的近南北走向及近东西走向的断裂带,这些断裂和板块运动的共同作用导致板块中发生了强烈火山活动。研究区位于西太平洋马尔库斯-威克海岭一带(图2)。隔皮加费他深海盆,马尔库斯-威克海岭南望麦哲伦海山群,东接中太平洋海山群,经历过强烈的火山作用,具有复杂的演化历史,是西太平洋富钴结壳的主要富集地之一。研究区发育有大量的火山岛链、平顶海山和海底高原,区域构造以NW向展布的火山链为主,另外,还发育有NE向和近东西向的次级构造。海山顶面最浅水深为1200～1800m,深海盆地水深近6000m。海山岩石类型主要为碱性玄武岩和拉斑玄武岩,玄武岩基底之上覆盖有中、晚白垩纪的浅水碳酸盐及古新世至现代的深海沉积物。马尔库斯-威克海岭的古纬度位于现在的法属波利尼西亚群岛,白垩纪时形成于东南太平洋,然后向NW方向水平运移到现在的西北太平洋,同时经历了垂向下沉过程,并叠加了后期的构造运动。3数据处理方法声学深拖系统数据采集于2009年“大洋一号”科学考察船DY115-21航次的第1航段。声学深拖作业时,拖体以距海底100～250m的高度和2.0～3.0kn的拖曳速度对海底进行高分辨率的微地形地貌测量,并借助GeoDas软件,同步采集了侧扫声呐和浅剖数据,借助SeaBat和PDS2000软件,采集了多波束数据。在采集数据的过程中,根据水深变化,通过底部跟踪调节以及对AVG(发射角度增益)和SNR(信噪比滤波处理)等参数的修改,实时处理接收到的反射声波信号,以保证获得理想的原始数据。本文选用的P0测线布设于海山山顶部位,船由深水区向浅水区航行,航向为NE向(约为60°),多波束的有效条幅宽度约为300m(最小和最大条幅宽度分别为250m和500m),侧扫声呐的覆盖宽度达800m,有效测线长度16.8km,走向NE(图2)。多波束、侧扫声呐和浅剖系统数据记录状况稳定,连续性好。多波束数据的记录格式为*.pds,可借助PDS2000自带的后处理功能或Caris软件进行数据处理。本文采用前者对测线数据进行了跳点剔除、限制性滤波处理,导出生成XYZ散点数据,最后借助Surfer和ArcGIS软件成图。侧扫声呐与浅剖系统借助GeoDas软件进行数据采集,所采集的数据结果均记录在*.IOC文件中。将*.IOC格式文件转换为*.XTF格式文件后,再将浅剖与侧扫声呐系统的数据结果进行分离,浅剖系统数据结果可借助TRITON软件进行处理,侧扫声呐系统采集的数据结果可借助CLEANSWEEP或TRITON软件进行处理。本文利用GeoDas软件进行了回放处理。4结果与分析4.1内地貌类型及大小根据水深及其所处海山的位置,本文将P0测线划分为2段,即斜坡段(AC段)与山顶段(CB段),并在剖面上出露特征地形的位置划分出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等4个地貌单元(图3)。斜坡段始于A点,向NE方向延伸至C点,水深从1750m减小到约1400m。斜坡段的前半部分地形基本无起伏,坡度变化范围为6°～8°;后半部分的地形变化相对较大,发育了2个近圆形的平底坑。地貌单元Ⅰ中平底坑坑底非常平坦,高差在0.5m以内,坑口与坑底呈同心圆分布,坡度大于20°。较大的平底坑位于西南部,坑口为半径约450m的圆形,坑底为半径约200m的近圆形,坑深为65m,在其西南外延出露有小尺度的沟谷。较小的平底坑坑底为椭圆形(200m×150m),坑深为42m,其向NE向过渡到了山顶平缓区段(图4)。山顶段从C点一直延伸至B点,总长为13.5km,水深变化为1450～1350m,地形相对平缓,在高差变化相对较大的地方,发育了台状凸起和小尺度陡坎2种地貌类型。在山顶段的地貌单元Ⅱ和Ⅲ内,均发育有台状凸起(图3)。地貌单元Ⅱ内分布有4个小台状凸起,自东向西凸起的面积大小依次为:250m×100m、100m×50m、80m×30m和200m×150m,凸起高度各不相同,依次为45,36,32和34m(图5)。地貌单元Ⅲ内分布有一大一小2个台状凸起,其中大的凸起顶部面积可达550m×500m,高度约为50m(图6)。地貌单元Ⅱ和Ⅲ内的凸起虽然大小不一,但与平缓区分界都非常清晰,坡度突变,坡度范围为15°～25°,而凸起顶端则相对平坦,坡度小于2°。在测线东北部的地貌单元Ⅳ内发育有多处陡坎地貌,陡坎底部较平坦,高差在6m以内,多呈NW向,相对平行,间距为150～200m,陡坎坡度大于20°,与该陡坎相连的还发育有NE向陡坎,两者形成“L”型,并逐渐收敛于其东北部(图7)。4.2海底底部结构利用同步获取的侧扫声呐灰度图对研究区特征地形地貌进行了初步解释(图8)。由图8a可见,较大的圆形平底坑内侧的声强反射信号很强,说明由于坡度陡变,此处没有沉积物覆盖,笔者认为该圆形平底坑地形可能是残存的古火山口。由图8b和图8c中可辨识出台状凸起和陡坎的分布形态,台状凸起的顶部平坦,而陡坎则底部平坦,笔者认为,这种界线明显的地形突变,可能是由于侵蚀和沉降作用共同影响的结果。据有关研究资料表明,研究区海山在最初形成时,其高度几乎接近海面或高于海面,由于海浪的侵蚀作用,海山顶部被削平,在经历了一系列的沉降运动后,形成了海底海山平顶状凸起的地貌特征;而陡坎则形成于构造运动之后,亦经历了底流侵蚀等后期的改造作用。除了台状凸起区和陡坎区,山顶段的其它区段为地形平缓区,坡度小于2°。由图8d、图8e与图8f所示的3个不同平缓区段(平坦段d、平坦段e和平坦段f)的侧扫声呐灰度图可见,海底底质的声强反射信号差别较大,但仅单一从侧扫声呐灰度图作判读,并不能准确地判别海底底质的类型,需要结合海底摄像和浅钻资料进行综合讨论分析。从海底摄像资料中可见,研究区发育了许多小沟槽、台阶与峭壁等微地形,其间分布有富钴结壳和砂状沉积物。如图8中所示,平坦段d中出现大范围的无灰度的白色区,初步判读为海底表层覆盖了沉积物,并与强反射物质交替出现,强反射物质可能是基岩,也可能是覆盖在基岩之上的结壳;平坦段e中则可以看出海底底质比较均一,而且灰度相对较强,推测该部位可能是板状结壳或是覆盖有大量的钴结核;平坦段f中也出现无灰度的白色阴影区,但范围较小,推测基岩或板状结壳之间可能覆盖有少量的表层沉积物。5研究区地形地貌利用2009年采集于西太平洋马尔库斯-威克海岭一带海山的声学深拖数据资料,借助GeoDas和PDS2000等软件,对所获得的侧扫声呐、浅剖以及多波束数据资料进行了后处理,获得了该海区高分辨率的地形地貌特征,并结合深海摄像资料,探讨了其海底特征地貌的成因。结果表明:根据水深及其所处海山的位置,研究区可划分为斜坡和山顶2个区段,其中斜坡段的前半部分地形基本无起伏,后半部分地形变化相对较大,并发育了2个近圆形的平底坑;山顶段的地形相对平缓,在高差变化相对较大的地方,发育了台状凸起和小尺度陡坎2种地貌类型。斜坡段发育的圆形平底坑可能是残存的古火山口;山顶