西太平洋馬爾庫斯-威克海嶺一帶海底特征地貌特征

西太平洋馬爾庫斯-威克海嶺一帶海底特征地貌特征

0海底微地形地貌的研究深度豐富。為了勘探和開發(fā)這些儲(chǔ)備條件，我們必須了解儲(chǔ)備條件，即水深、地形、地質(zhì)和構(gòu)造背景、礦床分布特征、成礦地球化學(xué)和工程地質(zhì)條件。最基本的工作是水深和精確地形的測量?？梢?對海底微地形地貌的調(diào)查研究對于勘探開發(fā)埋藏于深海的礦產(chǎn)資源具有重要意義。微地形的探測方法有很多種,如聲吶成像、海底照相、深海攝像等,將高分辨率的高頻聲吶技術(shù)(或其它聲測技術(shù))與立體照相技術(shù)相結(jié)合,可以探測到高精度海底微地形地貌特征。目前,對海底微地形地貌的研究并不多,JONATHONetal對海底粗糙度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)特性分析;YAMAZAKIetal則通過對拍攝的中太平洋海山立體照片進(jìn)行的視頻數(shù)據(jù)處理、圖像分析等認(rèn)為,在3m×4m的觀察范圍內(nèi),其微地形的起伏從幾厘米到幾米不等。在我國的大洋DY115-21航次中,研究者首次利用聲學(xué)深拖系統(tǒng),對西太平洋的馬爾庫斯-威克海嶺一帶的海山進(jìn)行了深海海底精細(xì)地形調(diào)查。本文通過對該航次第1航段所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行的后處理,結(jié)合深海攝像資料,對該區(qū)的微地形地貌特征進(jìn)行了初步解釋,為未來富鈷結(jié)殼資源的進(jìn)一步調(diào)查、研究及其開發(fā)、利用提供科學(xué)參考。1聲充系統(tǒng)的工作原理聲學(xué)深拖系統(tǒng)由深水多波束子系統(tǒng)(以下稱多波束)、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面(以下稱淺剖)子系統(tǒng)、光電通訊子系統(tǒng)以及7個(gè)輔助傳感器(運(yùn)動(dòng)參考單元、高度計(jì)、多普勒計(jì)程儀、聲速剖面儀、壓力傳感器、溫鹽深傳感器和聲信標(biāo))組成。該系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)工作水深為6000m,可實(shí)現(xiàn)海底微地形、微地貌和淺層結(jié)構(gòu)的高分辨率探測,滿足重點(diǎn)海區(qū)海底的精細(xì)探測要求。SIS-3000XL型側(cè)掃聲吶橫向分辨率優(yōu)于7cm;淺剖穿透深度為10～100m,分辨率優(yōu)于15cm;多波束具有等角和等距2種工作模式,波束數(shù)為128個(gè),波束寬度優(yōu)于1°×1°,量程分辨率為1cm。聲學(xué)深拖系統(tǒng)的拖曳光纜連接在壓載器上,并由50m左右的中性浮纜拖著拖體前進(jìn)(圖1)。作業(yè)時(shí),操作員在水上控制平臺(tái)發(fā)出的指令,經(jīng)由光纜被傳輸?shù)酵象w中的聲吶艙,使其處于合適工作狀態(tài),之后,拖體中的聲吶電子分機(jī)將驅(qū)動(dòng)左右舷聲吶陣向水中發(fā)射信號(hào),而海底聲回波便經(jīng)聲吶陣被聲吶電子分機(jī)所接收,接收到的數(shù)據(jù)又經(jīng)光纖被送到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)處理,之后其處理結(jié)果被傳送到顯示計(jì)算機(jī)上。與此同時(shí),各種傳感器所記錄的數(shù)據(jù)也將經(jīng)多通路連接器被送到顯示計(jì)算機(jī)上。聲學(xué)深拖系統(tǒng)中的高分辨率測深側(cè)掃聲吶是由聲吶電子分機(jī)和分別安裝在載體左右兩側(cè)的2條聲吶陣組成,通過直接測量海底回波到達(dá)聲吶陣的入射角,可獲得探測目標(biāo)的深度、方位和信號(hào)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)資料,它采用了多子陣海底自動(dòng)檢測——波達(dá)方向估計(jì)(DOA)技術(shù),可同時(shí)獲得高分辨率的地形和地貌資料,并可在復(fù)雜的海底上作業(yè),同時(shí),采用Chirp技術(shù),一定程度上提高了測量分辨率。高分辨率測深側(cè)掃聲吶的測深分辨率,明顯高于船載多波束聲吶系統(tǒng),是目前獲取高分辨率海底地形地貌資料的關(guān)鍵設(shè)備。2馬爾庫斯-威克海嶺研究區(qū)中西太平洋海山區(qū)是太平洋海盆中最大的海山發(fā)育區(qū),它包括西太平洋海山區(qū)和中太平洋海山群及其鄰近區(qū)域,是整個(gè)太平洋板塊上洋殼年齡最老、磁條帶異常最復(fù)雜、海山分布最密集、地質(zhì)構(gòu)造最獨(dú)特、構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)烈的區(qū)域,也是太平洋板塊中構(gòu)造背景最為復(fù)雜的區(qū)域。區(qū)內(nèi)有縱橫交錯(cuò)的海山鏈、獨(dú)立的海隆和海臺(tái),中有延伸上千公里的近南北走向及近東西走向的斷裂帶,這些斷裂和板塊運(yùn)動(dòng)的共同作用導(dǎo)致板塊中發(fā)生了強(qiáng)烈火山活動(dòng)。研究區(qū)位于西太平洋馬爾庫斯-威克海嶺一帶(圖2)。隔皮加費(fèi)他深海盆,馬爾庫斯-威克海嶺南望麥哲倫海山群,東接中太平洋海山群,經(jīng)歷過強(qiáng)烈的火山作用,具有復(fù)雜的演化歷史,是西太平洋富鈷結(jié)殼的主要富集地之一。研究區(qū)發(fā)育有大量的火山島鏈、平頂海山和海底高原,區(qū)域構(gòu)造以NW向展布的火山鏈為主,另外,還發(fā)育有NE向和近東西向的次級(jí)構(gòu)造。海山頂面最淺水深為1200～1800m,深海盆地水深近6000m。海山巖石類型主要為堿性玄武巖和拉斑玄武巖,玄武巖基底之上覆蓋有中、晚白堊紀(jì)的淺水碳酸鹽及古新世至現(xiàn)代的深海沉積物。馬爾庫斯-威克海嶺的古緯度位于現(xiàn)在的法屬波利尼西亞群島,白堊紀(jì)時(shí)形成于東南太平洋,然后向NW方向水平運(yùn)移到現(xiàn)在的西北太平洋,同時(shí)經(jīng)歷了垂向下沉過程,并疊加了后期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。3數(shù)據(jù)處理方法聲學(xué)深拖系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集于2009年“大洋一號(hào)”科學(xué)考察船DY115-21航次的第1航段。聲學(xué)深拖作業(yè)時(shí),拖體以距海底100～250m的高度和2.0～3.0kn的拖曳速度對海底進(jìn)行高分辨率的微地形地貌測量,并借助GeoDas軟件,同步采集了側(cè)掃聲吶和淺剖數(shù)據(jù),借助SeaBat和PDS2000軟件,采集了多波束數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)的過程中,根據(jù)水深變化,通過底部跟蹤調(diào)節(jié)以及對AVG(發(fā)射角度增益)和SNR(信噪比濾波處理)等參數(shù)的修改,實(shí)時(shí)處理接收到的反射聲波信號(hào),以保證獲得理想的原始數(shù)據(jù)。本文選用的P0測線布設(shè)于海山山頂部位,船由深水區(qū)向淺水區(qū)航行,航向?yàn)镹E向(約為60°),多波束的有效條幅寬度約為300m(最小和最大條幅寬度分別為250m和500m),側(cè)掃聲吶的覆蓋寬度達(dá)800m,有效測線長度16.8km,走向NE(圖2)。多波束、側(cè)掃聲吶和淺剖系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄狀況穩(wěn)定,連續(xù)性好。多波束數(shù)據(jù)的記錄格式為*.pds,可借助PDS2000自帶的后處理功能或Caris軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本文采用前者對測線數(shù)據(jù)進(jìn)行了跳點(diǎn)剔除、限制性濾波處理,導(dǎo)出生成XYZ散點(diǎn)數(shù)據(jù),最后借助Surfer和ArcGIS軟件成圖。側(cè)掃聲吶與淺剖系統(tǒng)借助GeoDas軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,所采集的數(shù)據(jù)結(jié)果均記錄在*.IOC文件中。將*.IOC格式文件轉(zhuǎn)換為*.XTF格式文件后,再將淺剖與側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分離,淺剖系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)果可借助TRITON軟件進(jìn)行處理,側(cè)掃聲吶系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果可借助CLEANSWEEP或TRITON軟件進(jìn)行處理。本文利用GeoDas軟件進(jìn)行了回放處理。4結(jié)果與分析4.1內(nèi)地貌類型及大小根據(jù)水深及其所處海山的位置,本文將P0測線劃分為2段,即斜坡段(AC段)與山頂段(CB段),并在剖面上出露特征地形的位置劃分出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等4個(gè)地貌單元(圖3)。斜坡段始于A點(diǎn),向NE方向延伸至C點(diǎn),水深從1750m減小到約1400m。斜坡段的前半部分地形基本無起伏,坡度變化范圍為6°～8°;后半部分的地形變化相對較大,發(fā)育了2個(gè)近圓形的平底坑。地貌單元Ⅰ中平底坑坑底非常平坦,高差在0.5m以內(nèi),坑口與坑底呈同心圓分布,坡度大于20°。較大的平底坑位于西南部,坑口為半徑約450m的圓形,坑底為半徑約200m的近圓形,坑深為65m,在其西南外延出露有小尺度的溝谷。較小的平底坑坑底為橢圓形(200m×150m),坑深為42m,其向NE向過渡到了山頂平緩區(qū)段(圖4)。山頂段從C點(diǎn)一直延伸至B點(diǎn),總長為13.5km,水深變化為1450～1350m,地形相對平緩,在高差變化相對較大的地方,發(fā)育了臺(tái)狀凸起和小尺度陡坎2種地貌類型。在山頂段的地貌單元Ⅱ和Ⅲ內(nèi),均發(fā)育有臺(tái)狀凸起(圖3)。地貌單元Ⅱ內(nèi)分布有4個(gè)小臺(tái)狀凸起,自東向西凸起的面積大小依次為:250m×100m、100m×50m、80m×30m和200m×150m,凸起高度各不相同,依次為45,36,32和34m(圖5)。地貌單元Ⅲ內(nèi)分布有一大一小2個(gè)臺(tái)狀凸起,其中大的凸起頂部面積可達(dá)550m×500m,高度約為50m(圖6)。地貌單元Ⅱ和Ⅲ內(nèi)的凸起雖然大小不一,但與平緩區(qū)分界都非常清晰,坡度突變,坡度范圍為15°～25°,而凸起頂端則相對平坦,坡度小于2°。在測線東北部的地貌單元Ⅳ內(nèi)發(fā)育有多處陡坎地貌,陡坎底部較平坦,高差在6m以內(nèi),多呈NW向,相對平行,間距為150～200m,陡坎坡度大于20°,與該陡坎相連的還發(fā)育有NE向陡坎,兩者形成“L”型,并逐漸收斂于其東北部(圖7)。4.2海底底部結(jié)構(gòu)利用同步獲取的側(cè)掃聲吶灰度圖對研究區(qū)特征地形地貌進(jìn)行了初步解釋(圖8)。由圖8a可見,較大的圓形平底坑內(nèi)側(cè)的聲強(qiáng)反射信號(hào)很強(qiáng),說明由于坡度陡變,此處沒有沉積物覆蓋,筆者認(rèn)為該圓形平底坑地形可能是殘存的古火山口。由圖8b和圖8c中可辨識(shí)出臺(tái)狀凸起和陡坎的分布形態(tài),臺(tái)狀凸起的頂部平坦,而陡坎則底部平坦,筆者認(rèn)為,這種界線明顯的地形突變,可能是由于侵蝕和沉降作用共同影響的結(jié)果。據(jù)有關(guān)研究資料表明,研究區(qū)海山在最初形成時(shí),其高度幾乎接近海面或高于海面,由于海浪的侵蝕作用,海山頂部被削平,在經(jīng)歷了一系列的沉降運(yùn)動(dòng)后,形成了海底海山平頂狀凸起的地貌特征;而陡坎則形成于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之后,亦經(jīng)歷了底流侵蝕等后期的改造作用。除了臺(tái)狀凸起區(qū)和陡坎區(qū),山頂段的其它區(qū)段為地形平緩區(qū),坡度小于2°。由圖8d、圖8e與圖8f所示的3個(gè)不同平緩區(qū)段(平坦段d、平坦段e和平坦段f)的側(cè)掃聲吶灰度圖可見,海底底質(zhì)的聲強(qiáng)反射信號(hào)差別較大,但僅單一從側(cè)掃聲吶灰度圖作判讀,并不能準(zhǔn)確地判別海底底質(zhì)的類型,需要結(jié)合海底攝像和淺鉆資料進(jìn)行綜合討論分析。從海底攝像資料中可見,研究區(qū)發(fā)育了許多小溝槽、臺(tái)階與峭壁等微地形,其間分布有富鈷結(jié)殼和砂狀沉積物。如圖8中所示,平坦段d中出現(xiàn)大范圍的無灰度的白色區(qū),初步判讀為海底表層覆蓋了沉積物,并與強(qiáng)反射物質(zhì)交替出現(xiàn),強(qiáng)反射物質(zhì)可能是基巖,也可能是覆蓋在基巖之上的結(jié)殼;平坦段e中則可以看出海底底質(zhì)比較均一,而且灰度相對較強(qiáng),推測該部位可能是板狀結(jié)殼或是覆蓋有大量的鈷結(jié)核;平坦段f中也出現(xiàn)無灰度的白色陰影區(qū),但范圍較小,推測基巖或板狀結(jié)殼之間可能覆蓋有少量的表層沉積物。5研究區(qū)地形地貌利用2009年采集于西太平洋馬爾庫斯-威克海嶺一帶海山的聲學(xué)深拖數(shù)據(jù)資料,借助GeoDas和PDS2000等軟件,對所獲得的側(cè)掃聲吶、淺剖以及多波束數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了后處理,獲得了該海區(qū)高分辨率的地形地貌特征,并結(jié)合深海攝像資料,探討了其海底特征地貌的成因。結(jié)果表明:根據(jù)水深及其所處海山的位置,研究區(qū)可劃分為斜坡和山頂2個(gè)區(qū)段,其中斜坡段的前半部分地形基本無起伏,后半部分地形變化相對較大,并發(fā)育了2個(gè)近圓形的平底坑;山頂段的地形相對平緩,在高差變化相對較大的地方,發(fā)育了臺(tái)狀凸起和小尺度陡坎2種地貌類型。斜坡段發(fā)育的圓形平底坑可能是殘存的古火山口;山頂