平頂海山與尖頂海水山地形的分形特征

平頂海山與尖頂海水山地形的分形特征

0復(fù)雜地形特征的復(fù)雜性海底地形通常是不規(guī)則的。隨著區(qū)域的位置而變化。這些地形的變化主要是由區(qū)域地質(zhì)活動(dòng)引起的，也是許多地質(zhì)作用的綜合反映。太平洋海山受到斷裂和白堊紀(jì)巖漿活動(dòng)影響,經(jīng)歷板塊運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期發(fā)展、演化和洋流等外營(yíng)力的侵蝕和堆積作用,形成高高低低起伏不平的高山、谷地等復(fù)雜的地形特征,其形成和發(fā)展是一定地質(zhì)條件下內(nèi)、外營(yíng)力相互對(duì)抗作用的結(jié)果,是復(fù)雜無序的。分形理論主要是研究和揭示復(fù)雜現(xiàn)象中所隱藏的規(guī)律性、層次性和標(biāo)度不變性,為人們通過部分認(rèn)識(shí)整體、從有限中認(rèn)識(shí)無限提供了一種新的工具,能從極端復(fù)雜的事物中抓住地表形態(tài)的本質(zhì)。研究表明,大多數(shù)地貌都可以利用統(tǒng)計(jì)分形得以很好地模擬,具有標(biāo)度不變性,海山地形也具有統(tǒng)計(jì)分形特征。高分辨率多波束數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確描述海山形態(tài)和識(shí)別構(gòu)造特征提供了重要條件,而分維值可以對(duì)海山地形的粗糙度進(jìn)行定量描述。因此,本文通過對(duì)所選的中、西太平洋海山區(qū)典型海山地形分形比較,增加對(duì)海山地貌形態(tài)有關(guān)動(dòng)力作用的內(nèi)在聯(lián)系理解,為太平洋海山鈷結(jié)殼資源調(diào)查及評(píng)價(jià)提供參考。1中太平洋海山區(qū)太平洋目前發(fā)現(xiàn)大約有50000個(gè)海山,如果高度大于1000m稱為海山,介于250(500)～1000m稱為海丘,小于250m(500m)為暗礁,那么高度大于1000m的海山約8000多個(gè),相比之下,大西洋和印度洋只有很少的海山。本次研究的海山位于中、西太平洋,包括麥哲倫海山區(qū)的S30海山,威克—馬爾庫(kù)斯海山區(qū)的S15、S16、S17、S18海山,馬紹爾群島的S33、S34海山,中太平洋海山區(qū)的S1海山,以及萊恩群島的S40、S42、S43、S44海山,共計(jì)5個(gè)海山區(qū)12座海山(圖1),其中S15、S16、S1、S30、S33、S34、S43為平頂海山,S17、S18、S40、S42、S44為尖頂海山。海山山頂水深一般為1000～2000m,位于CCD(calcitecompensationdepth)之上,基座水深一般為4500～5000m,基本上位于CCD以下。麥哲倫海山區(qū)、威克—馬爾庫(kù)斯海山區(qū)、馬紹爾群島位于西太平洋,該海域的平頂山為板內(nèi)火山熱點(diǎn)產(chǎn)物,其古緯度位于現(xiàn)在的法屬玻利尼西亞群島,白堊紀(jì)時(shí)海山形成于東南太平洋,然后向北西方向水平運(yùn)移到現(xiàn)在的西北太平洋,同時(shí)經(jīng)歷了垂向下沉,還疊加了后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。平頂山的火山基底是白堊紀(jì)中期玄武巖和火山碎屑巖,火山巖基底之上發(fā)育碳酸鹽或鈷結(jié)殼等沉積單元。中太平洋海山區(qū)、萊恩群島位于中太平洋海盆,前者位于中太平洋海盆北部海山密集區(qū)的中心部位,后者在海盆東側(cè),分隔了中太平洋海盆與東太平洋海盆。中太平洋海山區(qū)也起源于南太平洋,基底巖石主要由玄武巖和火山巖組成?；鹕綆r基底之上為淺海碳酸鹽層、磷酸鹽化層和鈷結(jié)殼層,鈷結(jié)殼層之上為深海沉積;地震剖面揭示,平頂海山火山巖基底被流水和波浪侵蝕呈低丘狀平面,上面沉積了淺水碳酸鹽臺(tái)地沉積物,在白堊世中期碳酸鹽臺(tái)地暴露出海面,形成喀斯特地貌,其上沉積了遠(yuǎn)洋沉積物,隨后沉沒時(shí)被流體改造。萊恩群島與馬紹爾群島海山鏈類似,屬多熱點(diǎn)成因的板內(nèi)火山作用產(chǎn)物,形成于晚白堊世,海山基底巖石主要由玄武巖組成。2數(shù)據(jù)和方法2.1水下重疊測(cè)線間距海山地形數(shù)據(jù)是利用大洋一號(hào)船配載的多波束SeaBeam2112.360系統(tǒng)采集的。測(cè)線間距保證相鄰條幅10%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,不留探測(cè)盲區(qū)。所用地形數(shù)據(jù)均是經(jīng)過海上數(shù)據(jù)去噪聲及原始數(shù)據(jù)編輯、校正、處理后生成的三維地形數(shù)據(jù),原始數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)密度為200m。2.2等高線文化面為r的應(yīng)力條件本次測(cè)量主要基于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)開發(fā)的MapGIS軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn),利用MapGIS空間分析模塊中的緩沖區(qū)建立方法。緩沖區(qū)的建立原理是:對(duì)于任意曲線L,半徑為r的實(shí)心圓,圓心沿著曲線L從一端運(yùn)動(dòng)到另一端時(shí),該實(shí)心圓所覆蓋的區(qū)域就稱為曲線L半徑為r的緩沖區(qū),據(jù)此可以得到每條等高線按不同半徑r所建的緩沖區(qū)。分別統(tǒng)計(jì)每條等高線所建緩沖區(qū)的面積,用該面積值除以r為邊長(zhǎng)的正方形面積值即是所求的特征線性尺度數(shù)N(r)。地形等高線是在MapGIS6.6平臺(tái)上完成的,比例尺為1∶10萬。每座海山按100m等深線間隔,在1500～4500m對(duì)每一條等高線測(cè)量它們?cè)?00～5000m不同標(biāo)度下的數(shù)量。2.3投影覆蓋法測(cè)分形式中:N(δ)為海山在尺度δ×δ的投影網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)格數(shù)目。當(dāng)取不同的δ值,將測(cè)得不同的覆蓋面積AT(δ)。顯然δ取得越小,投影網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的粗糙表面積越大,AT(δ)將越接近于海山的真實(shí)表面積。根據(jù)分形理論,對(duì)于多維的分形體測(cè)量有:G(δ)=G0δE-D(2)式中:E為歐氏維數(shù);D為分維數(shù)。該式適合于分形曲線、分形面積和分形體積的量測(cè)。當(dāng)E=2時(shí),G(δ)和G0對(duì)應(yīng)于面積,則(2)式改寫為:AT(δ)=AT0δ2-D(3)式中AT0應(yīng)為D=2時(shí)光滑表面的面積。結(jié)合(1)式和(3)式,投影覆蓋法測(cè)定的分形關(guān)系如下:式中:D∈,為海山形態(tài)的真正分維值。式中:a=6378450m,為地球的赤道半徑;e=0.081813334,地球第一偏心率;λ2、λ1為網(wǎng)格δ經(jīng)度值,用弧度表示;ψ2、ψ1為網(wǎng)格δ緯度值,用角度表示;A(δ)為面積,單位為km2。坡度θ定義為水平面與局部地表之間的反正切值。計(jì)算時(shí)通常使用3×3窗口,窗口在DEM高程矩陣中連續(xù)移動(dòng)后,完成整幅圖的計(jì)算。坡度計(jì)算公式為:式中:δzδxδzδx為東西向坡度,δzδyδzδy為南北向坡度,使用二階差分法計(jì)算獲得。3計(jì)算與分析3.1海洋等高線和高程段內(nèi)的分維特征隨深度的變化特征等高線的曲折主要是原始的基底形態(tài)及后期侵蝕作用和不均勻堆積作用形成的,各種不同的地質(zhì)營(yíng)力方式和強(qiáng)度形成的等高線應(yīng)該具有不同的分形特征。按尺度法分別計(jì)算每條等高線分維值,在200～5000m標(biāo)度范圍內(nèi)雙對(duì)數(shù)標(biāo)度圖上具有很好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均大于99%,等高線具有統(tǒng)計(jì)分形性質(zhì),分維值介于1與2之間(表1、圖2)。從表1看出,同一海山區(qū)尖頂海山分維值大于平頂海山分維值,如威克—馬爾庫(kù)斯海山區(qū)S15、S16平頂海山的分維值分別為1.0216和1.0452,S17、S18尖頂海山的分維值分別為1.0884和1.0508;萊恩群島S43平頂海山分維值為1.0179,S40、S42、S44尖頂海山分維值分別為1.0236、1.0343、1.0223,這是由于兩種海山類型所經(jīng)歷的外營(yíng)力作用不同所致。通常海底火山隨板塊移動(dòng)變成死火山后,失去了巖漿供應(yīng),其高度不再增加。如果這時(shí)的火山高度已接近海面或高于海面,海浪的侵蝕作用就會(huì)把火山的頂部削平;這樣的火山如果隨海洋板塊的移動(dòng)而下沉,就會(huì)形成海底平頂山。如果原來的火山達(dá)不到海浪作用的基面就變成死火山而不再增高,它的頂部就不會(huì)被削平,這樣的死火山稱為尖頂海山?？梢钥闯?平頂海山是在以往出露海面時(shí)期被波浪削平的古代火山錐,經(jīng)歷各種侵蝕作用和堆積作用,使得等高線漸趨平滑,分維值接近于1;尖頂海山經(jīng)歷的各種侵蝕和堆積作用相對(duì)較弱,其等高線邊界較為復(fù)雜,分維值較大。兩種類型海山等高線分維值隨深度變化特征各不相同。尖頂海山等高線分維值變化相對(duì)簡(jiǎn)單(圖3),分維值隨著水深的增加逐漸降低漸趨平穩(wěn)。平頂海山等高線分維值變化比較復(fù)雜,隨著水深的增加分維值呈現(xiàn)高-低-高型或低-高-低型等變化。同一海山不同高程段內(nèi)等高線分維值基本保持穩(wěn)定,即等高線復(fù)雜程度相似,暗示著該高程段具有相似的地質(zhì)營(yíng)力條件。如S30平頂海山,1500～1900m、2000～3500m、3600～4500m3個(gè)水深段的平均分維值分別為1.0170、1.0070、1.0141,表明在1900～2000、3500～3600間存在著某種地質(zhì)界線。對(duì)S30海山基巖、坡度分析發(fā)現(xiàn),水深小于1950m的18個(gè)測(cè)站基巖類型為生物碎屑灰?guī)r,坡度2.17°,地貌上為山頂平臺(tái)區(qū);1950～3500m的44個(gè)測(cè)站基巖類型為角礫巖和玄武巖,坡度18.83°,為海山山坡帶;水深3500m的1個(gè)測(cè)站基巖為玄武巖和碳酸鹽巖,坡度4.21°,為海山山腳。再如S42尖頂海山,2000～2300m、2400～3400m、3500～3700m3個(gè)水深段平均分維值分別為1.0708、1.0314、1.0083,海山基巖、坡度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,水深小于2350m的2個(gè)測(cè)站基巖為玄武巖和凝灰?guī)r,坡度8.15°,為山峰平臺(tái)區(qū);2350～3450m的基巖類型為角礫巖和玄武巖,坡度15.46°,為海山山坡帶;水深大于3450m的1個(gè)測(cè)站基巖為玄武巖,坡度13.29°,為海山山腳。從上述基巖和坡度的描述看出,該地質(zhì)界線可能是由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)升降導(dǎo)致的后期沉積作用和侵蝕作用不同所致,可以考慮用等高線分維值作為地貌垂向分帶標(biāo)志。為了探討各種營(yíng)力對(duì)海山地形分維值的影響,我們對(duì)同一海山類型不同海山區(qū)分維值進(jìn)行分析。如馬紹爾群島的S33、威克—馬爾庫(kù)斯海山區(qū)的S15、中太平洋海山區(qū)的S1海山均為平頂海山,等高線分維值分別為1.0260、1.0216和1.0240,海山基底年齡分別為86Ma、91Ma和101Ma,海山基底洋殼年齡分別為162Ma、167Ma和123Ma(圖4)。分維值與海山、洋殼年齡關(guān)系不明顯。理論上講,等高線分維值應(yīng)與海山年齡呈負(fù)相關(guān),即年齡越老的海山,經(jīng)歷的外營(yíng)力作用時(shí)間越長(zhǎng),海山表面越趨于平坦。分維值越小,如S15和S33海山具有該特征。但S1海山表現(xiàn)出反常特征,這可能是由于S1海山位于中太平洋海山區(qū)的中部。章家保等人對(duì)中太平洋海山研究表明,中太平洋海山群經(jīng)過沿途斷裂活動(dòng)、巖漿活動(dòng)的相互作用和熱點(diǎn)活動(dòng)的多期改造作用,造就了它現(xiàn)今十分復(fù)雜的海底地形和構(gòu)造形態(tài),相比于中太平洋海山群(S1)、馬紹爾群島(S33)和威克—馬爾庫(kù)斯海山區(qū)(S15)的構(gòu)造要簡(jiǎn)單,因此盡管S1海山年齡較老,但地形起伏特征仍然比較復(fù)雜,分維值比較高。調(diào)查顯示,雖然S1海山年齡較老,結(jié)殼生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng),結(jié)殼分布比S15、S33兩個(gè)年齡較小海山上的差,說明結(jié)殼生長(zhǎng)好壞不僅僅與海山年齡成正比,還與海山的構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān),海山地形等高線分形特征反映海山生長(zhǎng)構(gòu)造演化特征。除上述內(nèi)營(yíng)力的構(gòu)造影響外,外營(yíng)力在地貌發(fā)展中也有不可忽視的作用。外營(yíng)力作用的對(duì)象為表面基巖,巖石是地貌形成的物質(zhì)基礎(chǔ),海山基底巖石類型也會(huì)影響到海山表面形態(tài)特征。S33、S15、S13座海山基巖類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4。S1海山基巖以碳酸鹽巖為主,其次為玄武巖和磷塊巖,遭受的后期碳酸鹽巖等堆積作用(外營(yíng)力作用)較強(qiáng);S15和S33海山的基巖主要由火山巖和玄武巖組成,受到堆積作用等外營(yíng)力相對(duì)較弱,似乎應(yīng)是S1海山的分維值小于S15和S33海山的分維值,但事實(shí)并非如此,S1海山的分維值并不是3座海山中最小的,表明研究區(qū)目前海山地貌形態(tài)主要受構(gòu)造因素內(nèi)營(yíng)力作用控制。由于地貌形成的內(nèi)因是巖石與構(gòu)造,外因是營(yíng)力以及其形成過程需要一定的時(shí)間和經(jīng)過的不同階段。由上述分析可以看出,研究區(qū)海山地形分維值主要受內(nèi)因的構(gòu)造影響,其次為外營(yíng)力的堆積、侵蝕作用,最后才是形成過程的時(shí)間作用。海山地形與鈷結(jié)殼的產(chǎn)出分布密切相關(guān),本次對(duì)每個(gè)海山不同地貌垂向分帶的結(jié)殼分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由于結(jié)殼主要分布于3500m水深以上,3500m以下無測(cè)站,此外,尖頂海山各地貌測(cè)站分布較少,因此主要對(duì)平頂海山3500m以上地貌帶結(jié)殼分布進(jìn)行了分析。結(jié)合海山各地貌單元基巖類型分析表明,平頂海山平臺(tái)地貌可以分為兩種類型:一種以S1、S30、S15為代表,該類海山山頂平臺(tái)地貌的分維值較高,山頂基巖主要為碳酸鹽巖和生物灰?guī)r,平臺(tái)地貌邊緣板狀結(jié)殼發(fā)育,礫狀結(jié)殼及鈷結(jié)核較差;另一類以S16、S33、S34海山為代表,海山地貌分維值差別較大,山頂基巖主要為玄武巖和火山角礫巖,平臺(tái)地貌邊緣板狀結(jié)殼與礫狀結(jié)殼均發(fā)育?，F(xiàn)有資料表明,S16海山山頂平臺(tái)上發(fā)現(xiàn)有結(jié)殼,但S33、S34海山山頂平臺(tái)上未布置測(cè)站,據(jù)現(xiàn)有地貌資料分析,很有可能這兩座海山山頂平臺(tái)上也會(huì)有結(jié)殼,需要后期的調(diào)查驗(yàn)證。這與俄羅斯學(xué)者所做的成礦模型一致,有些海山平臺(tái)上有結(jié)殼,有些沒有。可能是由于第一類海山平臺(tái)形成時(shí)期沉積作用較發(fā)育,不利于結(jié)殼的生長(zhǎng);而第二類海山平臺(tái)形成時(shí)期可能受到外營(yíng)力的影響,沉積作用稍差,為鈷結(jié)殼提供了有利的生長(zhǎng)條件。兩種平頂海山類型山坡地貌基本上以玄武巖和火山角礫巖為主,板狀結(jié)殼與礫狀結(jié)殼均較發(fā)育,只有S1海山例外,在山坡地貌的上坡段以碳酸鹽巖和磷塊巖為主,這可能與前文所述該海山構(gòu)造復(fù)雜,與斷裂活動(dòng)、巖漿活動(dòng)的相互作用和熱點(diǎn)活動(dòng)的多期改造作用形成有關(guān)。3.2火山形態(tài)的分維海山形態(tài)可由表面粗糙度表現(xiàn)出來,海山形態(tài)分形為表面粗糙性分析提供了一個(gè)方法。根據(jù)海山形態(tài)分形方法,12座海山形態(tài)分形結(jié)果見表2、圖5,lgA(δ)與lgδ相關(guān)性均明顯,分維值介于2～3之間。平頂海山呈現(xiàn)單分形,尖頂海山具有雙重分形(除S40外)。這可能是由于平頂海山是以往出露海面時(shí)期被波浪削平的古代火山錐,外營(yíng)力侵蝕作用強(qiáng),海山頂部表層微觀結(jié)構(gòu)被夷平,因而僅表現(xiàn)出大尺度的構(gòu)造分維值。尖頂海山由于發(fā)育演化過程中未出露海平面,侵蝕作用相對(duì)較弱,頂部保存較完整,保存了表面的微觀特征,因而表現(xiàn)出了大尺度的構(gòu)造分維和小尺度的結(jié)構(gòu)分維。由上述分析可以看出,平頂海山與尖頂海山具有不同的分形結(jié)構(gòu),該分形結(jié)構(gòu)受海山發(fā)育演化的外營(yíng)力作用控制。由于海山發(fā)育演化最終為構(gòu)造穩(wěn)定、表面平滑,分維值將接近于2,即較大的構(gòu)造分維值代表構(gòu)造活動(dòng)激烈期,而較小構(gòu)造分維值表明該區(qū)域的構(gòu)造活動(dòng)進(jìn)入平緩期,較大的結(jié)構(gòu)分維值代表外營(yíng)力相對(duì)較弱的起伏不平海山表面,較小的結(jié)構(gòu)分維值代表外營(yíng)力作用稍強(qiáng)的相對(duì)平坦的海山表面。海山發(fā)育經(jīng)過兩個(gè)性質(zhì)截然不同的階段,發(fā)育早期,內(nèi)營(yíng)力構(gòu)造活動(dòng)影響占主要地位,表生外營(yíng)力作用影響相對(duì)較小;隨著時(shí)間的演化,外營(yíng)力對(duì)海山形態(tài)的塑造將上升到主導(dǎo)地位。本文獲得的分維值接近于整數(shù)2,說明這里的海山形態(tài)具有相當(dāng)?shù)某墒於?。以威克—馬爾庫(kù)斯海山區(qū)為例,S15、S16平頂海山為單分形結(jié)構(gòu),S16海山構(gòu)造分維值大于S15的,S17、S18尖頂海山具有雙重分形關(guān)系,S17的小尺度結(jié)構(gòu)分維和大尺度構(gòu)造分維均大于S18的,且S15和S16海山的構(gòu)造分維均小于S17和S18海山的構(gòu)造分維,據(jù)此認(rèn)為,4座海山發(fā)育成熟順序?yàn)镾17、S18、S16、S15。另外,S40海山雖然為尖頂海山,但其分維結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)單分形關(guān)系,這可能暗示著該海山雖然保留尖頂海山的部分特征,但山頂卻受到一定程度的侵蝕和堆積作用,表面平滑程度上已具有平頂海山的特征,因而呈現(xiàn)單分形結(jié)構(gòu)。這與海山類型分類時(shí)該海山即有尖頂海山特征又具有平頂海山的特征結(jié)果相吻合。已有研究表明,由于海山邊坡不穩(wěn)定,地震、火山噴發(fā)、重力滑坡、流系的侵蝕及沉積物的沉積等外界因素誘發(fā)海山滑坡,造成火山活動(dòng)間歇期內(nèi)原來生長(zhǎng)的結(jié)殼被埋藏或被破壞,海山頂部和山坡邊部階梯上的結(jié)殼通常被一薄層沉積物覆蓋,結(jié)殼停止生長(zhǎng)之前有多少沉積物堆積還不清楚。因此在鈷結(jié)殼礦區(qū)圈定選擇海山時(shí),利用海山形態(tài)分維值進(jìn)行指導(dǎo),