利用海底摄像观测剖面分析平顶海山
富钴结壳分布规律
梁东红，何高文
(广州海洋地质调查局，广东 广州，510760)
摘要：通过分析在某平顶海山观测的3条海底摄像剖面，并结合对应的超短基线定位数据和多波束测量数据，较准确地确定富钴结壳的局部分布范围。在海山的不同区域，富钴结壳的分布具有明显的差异。对比分析海底摄像观测剖面和海山地形，发现海山富钴结壳的分布与海山地形具有明显的相关性。
关键词：海底摄像；超短基线；多波束测量；平顶海山；富钴结壳
中图分类号：TD982 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S2-0123-04
Distribution of cobalt-rich crusts of guyot by analysis of deep-sea video recording profile
LIANG Dong-hong, HE Gao-wen
(Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China)
Abstract: According to three profiles of deep-sea video recording and the data from ultra-short baseline and multi-beams recording, the local distribution of cobalt-rich crusts on a guyot was obtained. The difference in the distribution of cobalt-rich crusts is distinct in different areas of the guyot. Comparing the deep-sea video recording profiles with the topography of the guyot, there is a remarkable correlation between the distribution of cobalt-rich crusts and the guyot topography.
Key words: deep-sea video recording; ultra-short baseline; multi-beams recording; guyot; cobalt-rich crusts
为了在国际海底区域寻找重要的固体矿产资源——富钴结壳，我国在西太平洋海区已完成了多个航次调查。海底摄像作为其中一个重要的调查手段，在调查中得到充分的应用，并成功获取了丰富的海底摄像资料。但由于前期的调查缺乏有效的水下定位手段，未能从摄像资料提取的结壳信息进行准确定位，因而对海山结壳的分布难以形成系统准确的认识[1]。自从“大洋一号”船装备超短基线水下定位系统后，于DY115-20航次首次在某平顶海山海底摄像调查中成功地进行了同步的水下定位测量，为利用海底摄像资料研究平顶海山的结壳分布提供了较精确的水下定位数据。
1 资料采集与处理
1.1 多波束测量
该平顶海山的海底地形测量工作在前期航次已顺利完成。通过对海山进行全覆盖测量，绘制海山地形图，达到了解海山地形地貌特征的目的。分析海底摄像观测剖面所需的水深数据亦可以从多波束数据中提取。
1.2 超短基线定位
水下定位测量使用由法国IXSEA公司生产的Posidonia 6000超短基线定位系统，工作水深6 000 m，最大作用距离8 000 m。在海底摄像调查中将超短基线定位系统的水下应答器搭载在摄像拖体上，从而实现对摄像拖体的水下定位[2-3]。
图1 母船和拖体定位数据对比
Fig.1 Tow track compared with track of ship
由于现场测量环境和测量设备等各种因素影响，超短基线定位系统测得的数据不可避免的具有一定的测量误差。在经过剔除严重跳变点和数据平滑等处理后，得到最终的拖体定位数据。图1所示为其中1条测线母船和拖体的定位数据对比。从图1可以看出：虽然与较光滑的母船轨迹相比，拖体的轨迹仍有小幅度的摆动，但对比拖体的轨迹线和母船的轨迹线，两者具有较高的相似性，说明经过处理后的拖体水下定位数据是可信的[2]。
1.3 海底摄像
海底摄像系统由中国地质科学院矿产资源研究所研制，主要用于海底目标物的直观可视化探测，并实时记录观测到的海底视像资料。该系统采用甲板供电，可长时间在水下工作。
根据海底地形预先设计好海底摄像测线。调查中一般沿测线从海山平顶边缘部(浅水区)往海山斜坡(深水区)方向作业，利用万米铠装电缆拖曳海底摄像系统近海底拍摄海底景观。在作业过程中，船舶航行速度控制在1~2节，并保持航向稳定，使得摄像拖体较易控制在离海底3~5 m，以保证摄像图像清晰。
海底摄像资料的处理过程分为如下3个步骤：
(1) 从海底摄像资料中按一定时间间隔截取图片(本次处理每分钟截取2张图片)，测算出每张图片的结壳覆盖率，即图片中岀露的结壳所占的面积百分比；
(2) 根据图片的观测时间从超短基线水下定位数据中提取对应观测点的经纬度坐标；
(3) 根据观测点的经纬度坐标从多波束数据中提取对应的水深数据。
经过上述3个步骤的处理后，得到海底摄像资料中每个采样观测点的位置(经纬度坐标)、水深及其对应的结壳覆盖率。
2 调查结果
引入“结壳覆盖率”概念，是为了更好地量化每个观测点的结壳岀露状况。图2列出3条海底摄像观测剖面每个采样观测点的结壳覆盖率计算结果(图中圆点)。图中结壳覆盖率与海底地形剖面(图中实线)的对比，直观地展示了海山不同区域的结壳分布状况。图3所示为摄像资料的截图。总体而言，结壳的分布主要特征表现为：
(1) 在海山平顶区域，地形平缓，海底表面一般被沉积物覆盖(如图3(a))，结壳的岀露几率不大，结壳覆盖率总体较低。但在地形有起伏的局部区域，板状和砾状结壳出露(如图3(b))，结壳类型以板状为主，如图2中的2号和3号剖面；特别是3号剖面，在地形剧烈起伏区域，岀露的结壳明显较多，结壳类型以板状为主且分布比较连续(如图3(c))，因此，结壳覆盖率比较高。
(2) 海山坡折带表现为承上启下的结壳发育过渡带，沉积物逐渐尖灭，板状结壳、砾状结壳、钴结核混合出现，类型以板状为主，砾状次之，钴结核较少，结壳岀露不连续(如图3(d))，结壳覆盖率变化幅度较大。
(3) 海山坡折带以下的陡坡段是结壳主要发育带(图2中的A1-B1段，A2-B2段和A3-B3段)，板状结壳(如图3(e))连续出现，结壳覆盖率很高。结壳主要发育带水深一般在2 000~2 500 m，各个区域略有差异；对应不同的坡度，结壳主要发育带的水平宽度则有明显的差异，如A2-B2段宽达2 580 m，A3-B3段则只有813 m(表1)。
(4) 结壳主要发育带以下，沉积物或基岩岀露逐渐增多(如图3(f))，结壳岀露的概率不大，结壳视覆盖率较低。
图2 结壳覆盖率与地形对比
Fig.2 Coverage of crusts compared with topography section
实际上，由观测画面的外观特征来判定是结壳还是基岩的标准是比较模糊的，有时判断结果具有不确定性。例如2号剖面中，在水深约2 500 m的小平台以下，观测到连续的无沉积物覆盖的板状物体，其表面有的较粗糙，有的较光滑，外观特征介于板状结壳和基岩之间，很难确定是板状结壳还是基岩，因此，需要进行地质采样来验证。大量的定点可视化浅钻取样和抓斗取样验证了在平顶海山坡折带附近存在发育良好的结壳，但受现有装备技术限制，尚未在海山陡坡取得足够数量的地质样品来进行验证。
图3 摄像资料截图
Fig.3 Some sections of deep-sea video recording
表1 结壳主要发育带参数
Table 1 Parameters of main crusts occurrence zone
3 结论
(1) 平顶海山的结壳分布主要受海山地形所控制，在海山平顶区域，地形平缓，海底表层一般被沉积物覆盖，结壳的岀露概率不大；海山坡折带的沉积物逐渐尖灭，结壳岀露增多，但仍受沉积物覆盖的影响，结壳岀露不连续；海山陡坡段是结壳主要发育带，上覆的沉积物极少，板状结壳连续出现。
(2) 水深是决定结壳分布下界的主要因素，结壳主要发育带水深一般在2 000~2 500 m，各个区域略有差异；水深2 500 m以下沉积物或基岩逐渐岀露增多，结壳岀露的概率不大。
致谢：
海底摄像和超短基线水下定位资料采集由“大洋一号”船在DY115-20航次调查中完成，在此谨向参加航次调查的全体科考人员表示衷心的感谢；同时感谢邓希光博士和姚会强博士在百忙之中抽出时间审阅全文并提出宝贵意见。
参考文献：
[1] 何高文, 梁东红, 宋成兵, 等. 浅地层剖面测量和海底摄像联合应用确定平顶海山富钴结壳分布界线[J]. 地球科学—中国地质大学学报, 2005, 30(4): 509-512.
HE Gao-wen, LIANG Dong-hong, SONG Cheng-bing, et al. Determining the distribution boundary of cobalt-rich crusts of guyot by synchronous application of sub-bottom profiling and deep-sea video recording[J]. Earth Science—Journal of China University of Geosciences, 2005, 30(4): 509-512.
[2] 吴永亭, 周兴华, 杨龙. 水下声学定位系统及其应用[J]. 海洋测绘, 2003, 23(4): 18-21.
WU Yong-ting, ZHOU Xing-hua, YANG Long. Underwater acoustic positioning system and its application[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2003, 23(4): 18-21.
[3] 吴学文, 包更生, 张恺. 热液硫化物现场调查中超短基线异常定位数据的快速剔除[J]. 热带海洋学报, 2010, 29(4): 165-169.
WU Xue-wen, BAO Geng-sheng, ZHANG Kai. An effective method to eliminate the abnormal positioning data of USBL in the hydrothermal sulfide field investigation[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2010, 29(4): 165-169.
(编辑 何运斌)
收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15
基金项目：国际海底区域研究开发“十一五”项目(DYXM-115-01-1-01)
通信作者：梁东红(1969-)，男，广东德庆人，高级工程师，从事大洋矿产资源勘查与研究工作；电话：020-82253584；E-mail: ld-ghong@163.com
