中西太平洋海山形态类型及钴结壳发育的研究

中西太平洋海山形态类型及钴结壳发育的研究

1强度与形态研究的意义海底火山有多种类型，包括宽而平的顶部和尖而尖的顶部。不同形态类型的海山经历了不同的构造演化阶段,那么海山形态类型与钴结壳资源分布有什么样的关系呢,这是当前钴结壳资源调查研究中的一个热点,它关系到未来海山钴结壳资源调查及矿区圈定的选择。目前许多研究者进行了这方面的研究,但却有两种不同观点:一种观点通过对麦哲伦海山的研究后认为,平顶海山资源大,尖顶海山资源少;另一种观点通过对中太平洋海山的研究后认为,尖顶海山资源比平顶海山的丰富。文献中提到“尖顶海山”、“平顶海山”等海山类型是依据什么标准进行划分的呢?我国所调查的众多海山究竟属于哪一种类型呢?现有研究表明,海山形态主要由岩浆的化学组成、喷发类型和构造演化决定。虽然许多因素可以控制海山的形态,但是许多海山在形态方面表现出惊人的相似性,表明具有普遍的控制作用,因此通过分析和对比海山形态特征可以有助于了解海山形成的特征,这对于探讨钴结壳形成的环境具有重要意义。本文将针对上述问题展开分析,对比各种类型海山的形态特征,探讨海山形态分类的量化指标,为深入分析海山形态对钴结壳形成的影响奠定基础,通过分析对比中西太平洋不同类型海山上钴结壳分布特征,为海山钴结壳资源调查及评价提供参考。2勘察及所查程度我国曾对中西太平洋海山的钴结壳资源进行过地质和地球物理调查,但是对有些海山勘察的网度较密,对有些海山勘察的网度较稀,对有些海山的勘察连起码的预查程度也未达到。本文通过对海山调查资料的整理分析,确定勘察资料比较完整的53座不同形态类型的小海山作为主要研究对象,具体为麦哲伦海山区的S25—S32八座海山、马绍尔群岛的S33,S34两座海山、威克—马尔库斯海山区的S15—S24十座海山、中太平洋海山区的S1—S14十四座海山、莱恩群岛的S35—S53十九座海山(图1),其中前三个海山区位于西太平洋,后两个位于中太平洋。3形态参数及数据获取海山地形数据是用多波束SeaBeam2112.360系统采集得到的,该系统具有测量精度高、全覆盖等特点,测线间距保证相邻测幅10%的重叠,并根据实际水深情况及相互重叠程度进行合理调整,不留下探测盲区。本次所用地形数据均是经过海上数据去噪声及系统的后处理软件对采集的原始数据进行编辑、各种改正、处理后生成的三维地形数据,利用获得的三维地形数据制作网格化文件,最终完成水深等值线图、地形剖面图、三维立体图等,本次作图均使用Surfer8.0软件完成。描述海山形态的参数很多,山体高度、山顶直径和基底直径为海山形态的基本参数,此外山体高度与基底直径之比、山顶直径与基底直径之比、山体坡度也常被用来描述海山的形态变化特征。因此,本文选择每个海山体高度(h)、山顶直径(dt)、基底直径(db)、平坦度F(F=dt/db)、山体坡度S[S=2h/(db-dt]、山体高度与基底直径之比ξh(ξh=h/db)六个参数进行描述。统计形态数据主要来自上述中西太平洋53座小海山的地形数据,采用作图法获得海山形态数据(见表1)。由表1可以看出:53座海山的山体高度为1350～4650m,山顶最浅水深为1175m,最大水深为2800m,平均水深为1660m;基底最浅水深为3650m,最大水深为6100m,平均水深为4950m。山顶直径最小的为1.05km,最大的为113.22km,平均直径为18.19km;基底直径最小的为16.15km,最大的为165.16km,平均直径为51.90km。山体高度与基底直径之比的最小值为0.02,即山体高度是基底直径的1/50,最大的为0.17,山体高度约为基底直径的1/5,平均值为0.08,山体高度为基底直径的1/12.5;平坦度的最小值为0.04,最大值为0.69,平均值为0.27,即山顶直径与基底直径之比的最小值为1/25,最大值为7/10,平均值约为1/4。山体坡度最小值为4.57°,最大值为22.19°,平均坡度为12.58°。4极大方差旋转因子因子分析的主要目的是通过分析造成样品或变量离散和聚类的那些地质控制因素,然后计算出因子载荷和因子得分隐含着哪些控制因素,再结合其他实际观测资料来探讨海山形态特征的控制因素和成因机制。本次选择海山的山体高度、山顶直径、基底直径、山体高度与基底直径之比、平坦度、坡度6个因素作为变量,把表1中53座小海山各方向数据作为样本,其中有7座海山为两个方向,即表1中海山名称后边带B的海山均为与该海山同编号但不带B海山的另一个方向参数,共计60个数据。作60×6矩阵数据的R型因子分析,因子旋转方法为极大方差旋转(varimaxrotation),公因子提取方法为主分量分析,结果见表2。由表2可以看出,96%的累计方差可由3个因子来解释,提取3个因子比较合适。因子1和因子2特征根分别占总方差的39.77%和37.22%,极大方差旋转因子载荷显示因子1主要由正载荷山顶直径和平坦度构成,因子2主要由负载荷的山体高度与基底直径之比和坡度构成,因子1和因子2主要反映的是山体形态特征。因子3的特征根占总方差的19.11%,主要由正载荷的山体高度组成,反映山体尺寸变化的特征。5我国太平洋的信用评级分类山体形态的参数变化较大,聚类分析就是按照事物本身的特点来进行分类,主要目的是分析样品或变量的离散和聚集程度,进而探讨样品的空间分布变化特征,本次选用Q型聚类分析方法对各海山形态类型进行分类探讨。利用因子分析方法对山体形态参数的6个变量分析可知,海山形态主要由3个因子的5个变量控制,即因子1中的山顶直径和平坦度、因子2中的山体高度与基底直径之比和坡度、因子3的山体高度。因此,利用表1中53座小海山的60个海山形态数据对5个控制变量进行聚类分析,选取的聚类方法为最长距离法(completelinkage),距离测度法为欧氏距离(Euclideandistance),计算分析结果如表1和图2。聚类分析得出Ⅰ,Ⅱ两群海山类型组合,其中S40海山由于山体长短轴变化较大,用不同的轴分类分别属于Ⅰ类和Ⅱ类,这可能是由于该海山处于由Ⅱ类向Ⅰ类转换过渡阶段,综合其山体参数特征,认为将其归为Ⅱ类比较合适。分类结果中第Ⅰ组合由30座小海山组成,其中7座位于麦哲伦海山区、2座位于马绍尔群岛、5座位于威克—马尔库斯海山区、5座位于中太平洋海山区、11座位于莱恩群岛。第Ⅱ组合由23座小海山组成,其中1座位于麦哲伦海山区、5座位于威克—马尔库斯海山区、9座位于中太平洋海山区、8座位于莱恩群岛(见表1)。从上述分析可以看出,麦哲伦海山区、马绍尔群岛基本以Ⅰ类海山为主,威克—马尔库斯海山区、中太平洋海山区、莱恩群岛则共同发育Ⅰ类海山和Ⅱ类海山。Ⅰ组海山形态特点是山顶直径和基底直径均大,山体高度与基底直径之比值小(0.03～0.10)、平坦度大、山体坡度缓,Ⅱ组海山形态特点刚好相反(见表3)。将上述53座海山形态特征与分类特征进行对比可以发现,Ⅰ类海山基本上为平坦型山顶,与我们早已熟知的平顶海山或称盖奥特(guyot)洋底平顶山形态相似,通常认为它们是在以往出露海面时期被波浪削平的古代火山锥,但平坦顶部是否全部由海平面侵蚀作用造成也还有一些疑问,某些平坦的顶部也可能是由熔岩填充了破火山口的火山峰发育而成,或者是因构造作用而形成的,也有人认为,平顶海山是多期火山喷发的结果。Ⅱ类海山基本上为陡峭型火山锥,与我们常说的海山形态相似,为孤立或比较孤立的深海底部隆起,起伏在1000m以上,带有比较陡的斜坡面和比较小的山顶区,一般认为这是单源火山成因。为了验证上述分类结果的可靠性,挑选一些国际上已经命名的太平洋海山与本次海山分类结果进行对比,如分类为Ⅰ类的S1,S15,S25,S27,S33,S34海山国外均命名为平顶山(guyot),Ⅱ类的S12,S47海山国外均命名为海山(seamount),可以看出,用上述5个参数对海山进行分类的结果基本上与国际上的命名结果相吻合,这说明用这几个参数对海山进行类型分类是可行的。表3的统计结果表明,山体高度与基底直径之比小于0.10的均为Ⅰ类海山,大于0.10的均为Ⅱ类海山,而等于0.10的既有Ⅰ类的海山,也有Ⅱ类的海山;平坦度大和山体坡度缓的为Ⅰ类,反之为Ⅱ类。因此,我们认为可以考虑用山体高度与基底直径之比作为初步进行海山类型划分的标准,该方法简便,易操作,只要计算出海山的高度和基底直径即可。6山体方位对总体特征的影响海山可以分为平顶海山和尖顶海山两类,两者的形态明显不同,这种差异表明这些海山有不同的演化史,从而影响到海山上钴结壳的分布,那么不同类型海山上钴结壳资源分布又如何呢,本文在海山类型分类基础上,对不同类型海山的资源分布进行了分析研究。海山资源调查数据来自于拖网采样数据。拖网采样对于厚板状结壳可能会有些偏差,但目前调查数据仍以拖网采样为主,因此本文主要利用拖网采样数据对海山资源分布特征进行初步研究。各种类型海山上钴结壳资源统计结果见图3。从图3可以看出,麦哲伦海山区、马绍尔群岛基本以平顶海山为主,威克—马尔库斯海山区、中太平洋海山区、莱恩群岛平顶海山与尖顶海山共同发育。无论是尖顶海山还是平顶海山,板状结壳均比较发育,但砾状结壳在平顶海山上更发育,比尖顶海山的好,这可能是由于两种类型海山从山顶到山脚在地形的变化过渡上有明显的差别。平顶海山在山顶和山脚处坡度较缓,仅山坡处较陡,而尖顶海山从山顶向深水处是连续过渡的,坡度较陡。陡坡带受地震、火山喷发、重力滑坡、洋流侵蚀等外界因素影响,砾状结壳滚落到山坡下部,而山顶平台则由于坡度小,不会发生滚落事件,山顶平台和山坡中下部易于砾状结壳保存,因此平顶海山比尖顶海山有利于砾状结壳的保存。从中太平洋海山区、威克—马尔库斯海山区、莱恩群岛两种海山类型的钴结壳分布看,尖顶海山的钴结壳一般比平顶海山上的发育,似乎在选择海山时应选择尖顶海山。这里有一点需要注意,虽然尖顶海山上的钴结壳质量好,但这些尖顶海山主要分布于中太平洋,山顶面积小(8630.65km2),只占平顶海山(48285.08km2)的1/5,钴结壳资源量不大。若仅从平顶海山看,麦哲伦海山区、威克—马尔库斯海山区板状结壳发育,它的平均厚度大于3cm,而在中太平洋海山区、马绍尔群岛、莱恩群岛板状结壳稍差,平均厚度小于3cm。前者构造上位于西太平洋,后者位于中太平洋,似有西太平洋平顶海山钴结壳比中太平洋平顶海山的丰富。山体方位对海山上钴结壳的分布具有局部影响。关于山体方位对钴结壳分布的影响方面的研究较少,本次选择中西太平洋不同类型的典型海山进行山体方位对钴结壳资源分布特征研究。为了解海山各方向资源分布的特征,对海山各方向剖面进行划分,从海山中心向外按正北方向为0°,11.25°作为容差角顺时针旋转,分别得到0°,22.5°,45°,67.5°,90°,112.5°,135°,157.5°,180°,202.5°,225°,247.5°,270°,292.5°,315°,337.5°十六个方向的剖面。对于各方向剖面资源计算主要利用邻近区域法的单元网格数据,分别计算每个剖面的单位面积资源量(T/S)及各剖面单位面积资源量之差δ(T/S),结果见表4和图4。由表4和图4可以看出:整体上平顶海山西部山坡资源较丰富,尖顶海山东部资源较丰富,这可能是由于尖顶海山多数分布于靠近东太平洋海隆的莱恩群岛及中太平洋海山区,东太平洋海隆海底扩张为钴结壳的生长提供物质来源,而平顶海山多数分布于靠近西太平洋边缘的麦哲伦海山区、马绍尔群岛及威克—马尔库斯海山区,西太平洋边缘的亚洲大陆为西太平洋海山上钴结壳的生长提供陆源碎屑输入,促进海山上钴结壳的生长。7中太平洋的保水材料本文通过对调查海山地表形态参数的因子分析、聚类分析来对调查海山类型进行定量分类,并与国际上已有的海山进行对