中國(guó)海洋環(huán)境中鈷結(jié)殼資源量的多重分形研究

中國(guó)海洋環(huán)境中鈷結(jié)殼資源量的多重分形研究

太平洋海域是由地幔柱形成的板塊中的海灣座。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、垂直上升和其他結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以及今天的侵蝕和沉積，從太平洋到現(xiàn)在的位置移動(dòng)到附近，從暴露水面到今天的山頂，形成了海洋的復(fù)雜地形，并控制了海洋表面的殼狀結(jié)構(gòu)。研究表明,影響鈷結(jié)殼分布的主要地形因素是海山坡度和水深。早在1988年Hein等人就發(fā)現(xiàn),坡度穩(wěn)定是海山上鈷結(jié)殼生長(zhǎng)的必要條件之一,因?yàn)楹笃诨鹕交顒?dòng)可以誘發(fā)滑坡的發(fā)生,影響海山的穩(wěn)定性,破壞火山活動(dòng)間歇期內(nèi)形成的鈷結(jié)殼生長(zhǎng)層。隨后YamazakiT等研究發(fā)現(xiàn)鈷結(jié)殼的分布及其類型與其分布地的坡角大小關(guān)系密切:坡度為0°～3°時(shí),以鈷結(jié)核為主;3°～7°時(shí),一般有沉積物覆蓋;7°～15°時(shí),為結(jié)核、結(jié)殼過(guò)渡區(qū),隨坡度增大結(jié)殼所占比例逐漸增大;坡角大于15°時(shí),以鈷結(jié)殼為主。初鳳友等利用采樣、視像等資料對(duì)中太平洋CM2海山的地形研究認(rèn)為:海山坡度太緩、太陡均不利于結(jié)殼的生長(zhǎng)發(fā)育;在海山坡度較大的斜坡處生長(zhǎng)的結(jié)殼多呈平板狀的板狀結(jié)殼,而在坡度較小的平坦低洼處生長(zhǎng)的結(jié)殼多呈波紋狀或枕狀的礫狀結(jié)殼、鈷結(jié)核。2001年俄羅斯南方海洋地質(zhì)勘探聯(lián)合體利用k/v“Gelendzik”(格連吉克號(hào))在麥哲倫海山的IOAN海臺(tái)上打了7個(gè)淺鉆,結(jié)果表明,海臺(tái)平坦處的結(jié)殼厚度和有用金屬含量均比斜坡上結(jié)殼的大和高?？梢钥闯?不同的學(xué)者采用不同的研究方法得到了不同的結(jié)果,那么,海山表面形態(tài)與鈷結(jié)殼資源分布間究竟存在著什么樣的關(guān)系呢?這也許正是分形地質(zhì)學(xué)的任務(wù)之一。日益增多的資料表明,礦產(chǎn)資源的分布屬于分形分布,這一事實(shí)是我們進(jìn)行太平洋海山地形與資源量分布分形研究的基礎(chǔ)。本文針對(duì)這一問(wèn)題,通過(guò)海山地形與鈷結(jié)殼資源間的分形研究,分析海山地形和結(jié)殼資源分布間的關(guān)系,這對(duì)于我們了解海山上結(jié)殼的生長(zhǎng)機(jī)制和分布規(guī)律具有一定的作用。1線性分形特征分形理論是近些年來(lái)才出現(xiàn)的一種具有強(qiáng)大生命力的新工具,分形分布滿足下面的關(guān)系式:則定義了一個(gè)分維分布,D稱為分維數(shù),分維數(shù)可以是整數(shù),也可以是分?jǐn)?shù)。即在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上,N(r)與r成直線關(guān)系,說(shuō)明研究對(duì)象具有線性分形特征,直線的斜率就是其分維值。r為特征尺度;N(r)為與特征尺度r有關(guān)的物體數(shù)目;C為常數(shù)。2海洋地形與鈷地殼資源量的分形方法2.1坡度—海山坡度與鈷結(jié)殼資源量的分形方法鈷結(jié)殼采樣點(diǎn)不是規(guī)則化網(wǎng)格,局部區(qū)域可能采樣較密或較稀甚至未取。若直接用原始地質(zhì)取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度—資源量分布研究,不能真實(shí)地反映區(qū)域內(nèi)坡度值的分布特征,也即是說(shuō),普通的統(tǒng)計(jì)方法并未考慮樣品空間分布和統(tǒng)計(jì)特征隨空間度量尺度的變化性。通常濃度—面積法計(jì)算大于含量值ci(i=1,2,3…,n;n為含量值分組數(shù))的面積S(C>ci),然后在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下考察ci～S(C>ci)間是否存在冪率關(guān)系即分形。該法可以彌補(bǔ)原始采樣數(shù)據(jù)分布不規(guī)則的不足。本次也采用該原理方法探尋海山坡度與鈷結(jié)殼資源量的關(guān)系。具體做法是根據(jù)鄰近區(qū)域法劃分每個(gè)測(cè)站的控制區(qū)域,然后按0.01°×0.01°網(wǎng)格計(jì)算各點(diǎn)位的坡度,坡度計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn),并按各點(diǎn)位分布所在區(qū)域的豐度值計(jì)算各單元網(wǎng)格的資源量,得到每個(gè)點(diǎn)位控制面積的資源量,同時(shí)對(duì)各點(diǎn)位不同坡度范圍的資源量分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。記N(s)為點(diǎn)位坡度大于s值的所有區(qū)域面積內(nèi)的資源量,顯然隨著坡度s值的增大,所圍成的面積N(s)是遞減函數(shù)。這樣得到了數(shù)椐(N(s1),N(s2),…,N(sn))和(s1,s2,…,sn),將這些數(shù)據(jù)代入分形模型中,求出相應(yīng)的分維數(shù)的估計(jì)量。應(yīng)用坡度—資源量的數(shù)據(jù),在Lgs—LgN(s)坐標(biāo)中投點(diǎn)。如果這些數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在一條直線上的話,分維數(shù)D可以利用直線的斜率直接求出;如果這些散點(diǎn)大致分布在二段或二段以上直線上時(shí),可采用分段擬合的方法。事實(shí)上,各分界點(diǎn)有的明顯,有的不明顯,為了提高分界點(diǎn)確定的客觀性,在各個(gè)區(qū)間內(nèi)用最小二乘法進(jìn)行回歸,即找出合適的分界點(diǎn)ri0,使各區(qū)間擬合的直線與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的剩余平方和Ei(i=1,2,…)在各區(qū)間的總和為最小,并且保證每個(gè)區(qū)間回歸方程的顯著性。2.2底界以淺線為單位的資源量為了尋找水深對(duì)鈷結(jié)殼資源分布的影響,對(duì)不同水深范圍的資源量分布情況進(jìn)行研究。大量調(diào)查數(shù)據(jù)表明,鈷結(jié)殼賦存水深一般為300～3500m,因此可以假定海山鈷結(jié)殼分布的底界為3500m等深線,進(jìn)行資源量計(jì)算時(shí)僅對(duì)<3500m水深以淺的海山面積進(jìn)行計(jì)算。記N(r)為以水深等值線r值與結(jié)殼分布底界所圍成的面積內(nèi)的資源量,顯然N(r)是遞減函數(shù)。這樣得到了數(shù)椐(N(r1),N(r2),…,N(rn))和(r1,r2,…,rn),將這些數(shù)據(jù)代入分形模型中,求出相應(yīng)的分維數(shù)的估計(jì)量。同樣對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布不在一條直線上的話,采用上述方法進(jìn)行分段擬合。3山地分形與資源量模型本文選擇我國(guó)在中、西太平洋調(diào)查的四個(gè)區(qū)域(麥哲倫海山區(qū)、威克—馬爾庫(kù)斯海山區(qū)、中太平洋海山區(qū)、萊恩群島)進(jìn)行海山地形與資源量的分形研究。3.1坡度—海山坡度—資源量分形根據(jù)上述坡度—資源量分形計(jì)算方法,WMA等12座海山坡度s與資源量N(s)的散點(diǎn)圖見(jiàn)圖1,擬合參數(shù)見(jiàn)表1,各區(qū)間的回歸方程均呈顯著性。從圖上可以看出:它們基本上有一個(gè)共同的特點(diǎn),那就是呈三段式分布,而且隨著坡度的增大分維數(shù)也逐漸增大。如WME海山,<15°的坡度—資源量的分維數(shù)是0.2169,15°≤s<23°的坡度—資源量的分維數(shù)是2.2653,≥23°坡度—資源量的分維數(shù)是15.477。15°和23°為坡度對(duì)WME海山鈷結(jié)殼資源分布控制的異常值,可以作為鈷結(jié)殼資源量評(píng)估、礦區(qū)圈定的參考值。什么原因引起地形—資源量分段分形的呢?本次挑選海山測(cè)站網(wǎng)度較密的麥哲倫WME海山和威克—馬爾庫(kù)斯CCL海山,按上述坡度分段進(jìn)行結(jié)殼類型參數(shù)統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2和圖2、圖3)。WME海山<15°區(qū)域基本上位于山頂平臺(tái)(1700m以淺)和山坡下部(3500m以深)區(qū)域,結(jié)殼主要分布于山頂平臺(tái),板狀結(jié)殼較發(fā)育,平均厚度達(dá)4.8cm,也有部分礫狀結(jié)殼及結(jié)核,礫狀結(jié)殼平均厚度為0.64cm;15°～23°區(qū)域主要分布于1700～3500m海山邊坡中下部,成環(huán)帶狀,結(jié)殼主要以板狀為主,平均厚度為3.49cm,礫狀少見(jiàn),無(wú)結(jié)核;≥23°的陡坡帶主要分布于海臺(tái)以外山坡的中上部,坡度很陡,呈星散狀分布,結(jié)殼主要以板狀結(jié)殼為主,平均厚度為4.92cm,礫狀較少,無(wú)結(jié)核。CCL海山<8°區(qū)域位于山頂平臺(tái)及山坡下部(3500m以深)區(qū)域,結(jié)殼類型較復(fù)雜,三種類型結(jié)殼中板狀稍多,其次為礫狀結(jié)殼、鈷結(jié)核,各類型的平均厚度分別為2.53cm、1.45cm、1.27cm;8°～18°區(qū)域主要分布于1500～3500m海山邊坡中下部,成環(huán)帶狀,三種類型結(jié)殼均較發(fā)育,但仍以板狀結(jié)殼為主,其次為礫狀結(jié)殼和鈷結(jié)核,平均厚度分別為4.23cm、0.88cm、0.95cm;≥18°的陡坡帶主要分布于海臺(tái)以外山坡的中上部及尖頂海山頂部,坡度很陡,呈零星散狀,主要以板狀結(jié)殼為主,平均厚度為3.22cm,礫狀結(jié)殼和鈷結(jié)核未見(jiàn),尖頂海山頂部結(jié)殼發(fā)育相對(duì)較好。由此可以看出,不同海山不同坡度段的結(jié)殼發(fā)育各不相同,同一座海山不同坡度段的結(jié)殼類型組合也不同。這可能是由于海山邊坡為陡坡帶,受地震、火山噴發(fā)、重力滑坡、海浪的侵蝕、地表徑流的侵蝕等外界因素影響,礫狀結(jié)殼和鈷結(jié)核滾落到山坡下部,而山頂平臺(tái)則由于坡度穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生滾落事件,造成山頂平臺(tái)和山坡中下部多種類型結(jié)殼組合混雜堆積,而陡坡帶則僅保存板狀結(jié)殼,從而導(dǎo)致海山坡度—資源量的分段分形。據(jù)上述12座海山坡度—資源量分布異常值分布范圍,大致可以分成四個(gè)區(qū):A區(qū)主要是麥哲倫WMA、WME、WMK、WMC海山,其坡度異常值分布較高,下限21°～23°,上限12°～15°;B區(qū)為威克-馬爾庫(kù)斯的CCM3、CCM2、CCL海山,異常值下限為15°～18°,上限6°～9°;C區(qū)為中太平洋CCX、CCA海山,異常值下限為22°～23°,上限9°～12°;D區(qū)為萊恩群島WMP2、WMP3、WMP5海山,異常值下限為17°～18°,上限8°～10°?？傮w上坡度異常值區(qū)域呈北西—南東向帶狀展布。3.2深水—海山水深—資源量分形根據(jù)上述水深—資源量分形計(jì)算方法,WMA等12座海山水深r與資源量N(r)的散點(diǎn)圖見(jiàn)圖4,呈三到四段式不等,擬合參數(shù)見(jiàn)表3,各區(qū)間的回歸方程均呈顯著性。從表3可以看出,12座海山分維數(shù)隨水深的變化整體上可分為兩大類:第一類是隨著水深的增加而逐漸增大,有7座海山,分別是:WMC、CCM3、CCX、CCA、WMP2、WMP3、WMP5,基本上分布于中太平洋海山區(qū)和萊恩群島;第二類是隨著水深的增加,分維數(shù)由高轉(zhuǎn)低再逐漸增加,有5座海山,分別是:WMK、WME、WMA、CCL、CCM2,基本上分布于麥哲倫海山和威克—馬爾庫(kù)斯海山區(qū)。另外,根據(jù)水深—資源量的分段數(shù)可以將上述12海山分為兩類:一類是三段式分布的海山,為WMK、WME、WMC、CCA、WMP2、WMP3、WMP5、CCX八座海山,分布于洋殼年齡(<165Ma)相對(duì)較小的區(qū)域;另一類是四段式分布的海山,為WMA、CCM3、CCM2、CCL四座海山,位于洋殼年齡(>165Ma)相對(duì)較老的區(qū)域。這可能是由于海山形成過(guò)程中,不但經(jīng)過(guò)了水平漂移,而且還存在垂直升降,洋殼較老區(qū)域的海山相對(duì)于洋殼較輕的海山升降要頻繁,因此水深—資源量的關(guān)系就更復(fù)雜,呈現(xiàn)四段式。由此可以看出,水深—資源量分維數(shù)可以用來(lái)作為成礦作用空間分布的層次性判斷標(biāo)志。如WMA海山,具有四段式分布,<1700m水深段的分維值為2.2438,1700～2700m段的分維值為1.0032,2700～3500m段的分維值為4.6903,≥3200m水深段的分維值為17.105。1700、2700、3200m為水深對(duì)資源量控制分布的異常值,可以用該水深異常值作為地質(zhì)塊段法資源量計(jì)算的塊段劃分標(biāo)準(zhǔn)。4t/s值參數(shù)選取及賦值根據(jù)坡度—資源量分形,水深—資源量分形研究可以得到每座海山的坡度—資源量、水深—資源量控制異常點(diǎn),該異常值可以作為地質(zhì)塊段法資源量計(jì)算的分段標(biāo)準(zhǔn)。我們知道,鄰近區(qū)域法可以有效的準(zhǔn)確圈定富礦區(qū),而地質(zhì)塊段法具有用綜合標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確圈定礦區(qū)范圍的優(yōu)點(diǎn)。把二者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行資源量評(píng)估,可收到既能獲得礦塊面上信息又能得到其點(diǎn)上信息的功效,還可以定量研究海山各種地形上資源分布情況。資源量是在一定的區(qū)域面積(S)和體積(V)內(nèi)獲得的,礦床的單位面積資源量(T/S)的含義是在多大的范圍內(nèi)集中了多少資源量,不妨稱之為成礦強(qiáng)度系數(shù),通過(guò)該系數(shù)的變化規(guī)律研究,可望得出表征該類礦床礦化不均勻性(強(qiáng)弱)的統(tǒng)計(jì)概念,這對(duì)指導(dǎo)實(shí)際的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)工作無(wú)疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此,本次通過(guò)海山坡度—資源量分形、水深—資源量分形研究,找到水深、坡度分段點(diǎn),結(jié)合鄰近區(qū)域法,采用T/S參數(shù)對(duì)各地形段海山資源(表4、5)進(jìn)行評(píng)估。各海山不同坡度段T/S值總體分為三大類:一類是低—高—低型,主要位于萊恩群島和威克—馬爾庫(kù)斯海山(CCL、CCM2),資源集中在6°～18°中間段,即在緩坡和陡坡處結(jié)殼發(fā)育相對(duì)稍差;另一類則剛好相反,是高—低—高型,主要位于麥哲倫海山(WMA、WME、WMK)及中太平洋海山(CCX),在陡坡和緩坡處結(jié)殼發(fā)育良好;最后一類則是低-高-高型,即隨著坡度的增加T/S值逐漸增加,如WMC、CCA和CCM3三個(gè)海山。各海山不同水深段T/S值變化較大,總體上萊恩群島海山的深水段資源分布較淺水段資源好,而麥哲倫海山、中太平洋海山和威克—馬爾庫(kù)斯海山的則剛好相反,淺水段資源好于深水段資源。不同海山區(qū)T/S值差別明顯,這可能是由于不同海山區(qū)具有不同的構(gòu)造演化特征,如四個(gè)海山區(qū)中以萊恩群島海山T/S值最小,這是因?yàn)槿R恩群島海山相對(duì)其它三個(gè)海山區(qū)而言海山年齡較輕,結(jié)殼生長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)較短,結(jié)殼發(fā)育較差;即便同一海山區(qū)不同海山T/S的差別也較大,如中太平洋CCX和CCA海山,這可能是由于CCA海山為平頂海山而CCX海山為尖頂海山,不同海山類型經(jīng)歷了不同的演化生長(zhǎng)環(huán)境,導(dǎo)致結(jié)殼分布也各不相同。可以看出:利用分形研究結(jié)果,將地質(zhì)塊段法與鄰近區(qū)域法有機(jī)結(jié)合,可以