麥哲倫戈沃羅夫蓋特平頂海山鈷結(jié)殼資源評價

程永壽，姜效典，宋士吉，孫思軍，余 佳

1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266003 2.國家海洋信息中心，天津 300171 3.清華大學(xué)自功化系，北京 100084

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麥哲倫戈沃羅夫蓋特平頂海山鈷結(jié)殼資源評價

程永壽1,2，姜效典1，宋士吉3，孫思軍2，余 佳2

1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266003 2.國家海洋信息中心，天津 300171 3.清華大學(xué)自功化系，北京 100084

為能科學(xué)、快速量化地圈定出大洋海山鈷結(jié)殼優(yōu)質(zhì)礦區(qū)，筆者基于國際海底管理局提出的礦區(qū)選取模型，利用我國西太平洋海山鈷結(jié)殼資源調(diào)查的公開的拖網(wǎng)采樣資料，綜合鈷結(jié)殼的分布規(guī)律和證據(jù)權(quán)法所得海山鈷結(jié)殼資源預(yù)測后驗概率圖，將西太平洋麥哲倫海山區(qū)戈沃羅夫蓋特平頂海山圈定為鈷結(jié)殼資源前景較好的遠景區(qū)，并采用人機交互式的礦區(qū)圈定方法圈定出符合國際海底管理局規(guī)章要求的7個群組共100個鈷結(jié)殼礦塊。據(jù)此估算出戈沃羅夫蓋特平頂海山濕結(jié)殼資源量為69 487.6×104t；圈定的100個礦塊主要分布在2 000～3 000 m斜坡上，濕結(jié)殼資源量為14 092×104t，干結(jié)殼資源量為9 789.35×104t；錳金屬量為1 961.3×104t，銅金屬量為10.17×104t，鈷金屬量為54.06×104t，鎳金屬量為34.87×104t。這些數(shù)據(jù)表明，戈沃羅夫蓋特平頂海山規(guī)模較大，鈷結(jié)殼資源前景潛力大，可作為鈷結(jié)殼深入調(diào)查和礦區(qū)申請備選海山。

鈷結(jié)殼；資源量；礦區(qū)圈定；海洋地質(zhì)；麥哲倫海山

0 引言

鈷結(jié)殼主要分布于海山、島嶼、海臺和洋脊等水下高地的頂部和斜坡地帶，即最低含氧帶以下、碳酸鹽補償深度以上，水深范圍為400～4 000 m，其富集地帶一般位于800～2 500 m[1-2]，基底巖石主要為玄武巖的水下平頂海山上, 而且在平頂海山的上斜坡最發(fā)育, 平頂海山上的頂面及其較深部位富鈷結(jié)殼不發(fā)育[3]。鈷結(jié)殼富含鈷、鎳、鉑、稀土等金屬，其中的鈷質(zhì)量分數(shù)尤為顯著，最高可達1.2%～2.0%，是陸地原生礦鈷質(zhì)量分數(shù)的20倍以上[4]，是多金屬結(jié)核鈷質(zhì)量分數(shù)的4倍，比陸地原生鈷礦高幾十倍。自1981年德國《太陽號》首次對太平洋萊恩群島進行鈷結(jié)殼資源調(diào)查證實，太平洋較大范圍內(nèi)存在具有經(jīng)濟潛力的鈷結(jié)殼礦床以來[3]，多個國家都投入大量經(jīng)費進行了鈷結(jié)殼資源調(diào)查研究。我國于1999年開始由海洋四號和大洋一號分別對麥哲倫海山和中太平洋海山進行了富鈷結(jié)殼的系統(tǒng)性調(diào)查工作，已經(jīng)對北太平洋近赤道海域大約20余座海山進行了調(diào)查，范圍集中在北緯10°--25°的太平洋海山區(qū)[5]，其主要利用地質(zhì)拖網(wǎng)、淺鉆和電視抓斗等手段，獲得了大量的可供研究的樣品[6]。張富元等[7]利用衛(wèi)星測高反演的海山數(shù)據(jù)，按海山高度和洋殼年齡賦予不同結(jié)殼厚度初步計算了太平洋海山鈷結(jié)殼資源量。劉永剛等[8]在全球大洋劃分出10個富鈷結(jié)殼成礦區(qū)，按照結(jié)殼不同厚度的標準分別對富集區(qū)的富鈷結(jié)殼資源量進行了估算，認為太平洋海山區(qū)是世界海底富鈷結(jié)殼資源主要產(chǎn)出區(qū)。富鈷結(jié)殼礦區(qū)圈定和資源評價旨在獲取評價區(qū)域內(nèi)的資源總量和有用金屬含量，所涉及的參數(shù)主要包括：鈷結(jié)殼的厚度、豐度、覆蓋率、含水率，Mn、Cu、Co、Ni等元素質(zhì)量分數(shù)，礦區(qū)的面積、坡度和水深，其中豐度是結(jié)殼厚度的導(dǎo)出量。這些重要參數(shù)和結(jié)殼資源評價方法，直接影響到富鈷結(jié)殼礦區(qū)的范圍、資源量和礦石質(zhì)量。2012年7月，國際海底管理局大會通過《“區(qū)域”內(nèi)富鈷鐵錳結(jié)殼探礦和勘探規(guī)章(ISBA/18/A/11)》(以下簡稱規(guī)章)，中國大洋協(xié)會及時提交了西太平洋面積約3 000 km2鈷結(jié)殼礦區(qū)申請[9]。筆者結(jié)合規(guī)章對礦塊的有關(guān)條款要求，利用互聯(lián)網(wǎng)上公開的海山數(shù)據(jù)和鈷結(jié)殼調(diào)查資料，采用人機交互式的礦區(qū)圈定方法[10]，圈定了麥哲倫海山區(qū)戈沃羅夫蓋特平頂海山(以下簡稱Govorov海山)鈷結(jié)殼遠景區(qū)和可供申請的若干礦塊，估算了礦區(qū)的結(jié)殼資源量。

1 資料與方法

據(jù)文獻[6]修改。圖2 Govorov海山富鈷結(jié)殼取樣站位分布圖Fig.2 Sketch of sampling sites of Govorov guyot

麥哲倫海山群位于東馬里亞納海盆中，屬大型斷塊狀隆起, 麥哲倫海山的盾形火山底，主要由早白堊世的拉斑玄武質(zhì)枕狀熔巖組成，其次有早白堊世--老第三紀的亞堿性玄武巖及新第三紀的堿性玄武巖和火山碎屑巖[6]。Govorov海山(地理位置：150°E--151.8°E,16.9°N--18.5°N)位于麥哲倫海山區(qū)北部。俄羅斯1987--1989年在戈沃羅夫蓋特海山連續(xù)3年開展了單波束水深調(diào)查，2005年采用SIMRAD EM12S-120多波束系統(tǒng)完成了1∶20萬水深調(diào)查。V.M.Ankhin等[11]研究了戈沃羅夫蓋特東北部的構(gòu)造特征。2006年Govorov海山被俄羅斯命名并提交SCUFN在19次會議審議通過[12]。筆者收集的海山地形資料來自于俄羅斯海底地理實體命名申請材料[12]。麥哲倫海山富鈷結(jié)殼取樣站位圖[6]分析表明， Govorov海山屬于我國大洋鈷結(jié)殼的調(diào)查范圍，曾被命名為MD海山。筆者處理Govorov海山地形數(shù)據(jù)的主要步驟包括：首先綜合了圖1和MD海山取樣站位圖[6]水深線走向和地理位置信息，利用Global Mapper軟件對圖1的tiff格式圖像進行地理坐標配準，生成Geotiff格式圖像(圖2)并加載到ArcMap，對所有水深線進行矢量化并賦予水深屬性形成線shape圖層，導(dǎo)出經(jīng)緯度坐標和水深的文本文件；再用Surfer軟件選擇近距離加權(quán)方法初步生成Govorov海山地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)，融合美國加州大學(xué)圣地亞哥分校斯克利普斯海洋研究所制作的GEBCO_08(0.5分間隔，約1 km)在Govorov海山范圍內(nèi)的地形網(wǎng)格，生成了Govorov海山的地形網(wǎng)格DTM數(shù)據(jù)，據(jù)此可獲得海山不同水深段的閉合區(qū)域和海山的坡度數(shù)據(jù)。筆者編制軟件利用DTM網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成海山的坡度網(wǎng)格數(shù)據(jù)，用于后續(xù)計算海底表面積和鈷結(jié)殼資源量。

筆者收集的鈷結(jié)殼數(shù)據(jù)源自于國際海底管理局公布的結(jié)殼數(shù)據(jù)和公開發(fā)表的文獻資料。富鈷結(jié)殼按宏觀構(gòu)造分為單層構(gòu)造、雙層構(gòu)造和三層構(gòu)造，三層構(gòu)造的結(jié)殼厚度較大(一般≥4 cm) , 是結(jié)殼找礦的重點。我國在Govorov海山結(jié)殼靶區(qū)實施DY95-9航次中共進行了11次成功的測站調(diào)查[13]，在M17D-1等測站取得了典型的三層構(gòu)造結(jié)殼[14]。收集的9個鈷結(jié)殼地質(zhì)采樣站位[6]中3個站位為結(jié)膜或結(jié)皮，即鈷結(jié)殼厚度小于1.0 cm，視為鈷結(jié)殼豐度為0；另外6個站位取樣分析28個(表1)，均為板狀結(jié)殼。可以推斷，9個結(jié)殼采樣站位手段均為地質(zhì)拖網(wǎng)。采用的拖網(wǎng)采樣往往無法準確在水下定位，其采樣結(jié)果僅僅代表拖網(wǎng)行進軌跡，大洋地質(zhì)采樣實際情況表明，限于地質(zhì)拖網(wǎng)采樣的局限性，拖網(wǎng)站位取得的鈷結(jié)殼厚度往往要小于淺鉆和電視抓斗采樣站位厚度。表1統(tǒng)計表明，Govorov海山鈷結(jié)殼采樣站位主要分布在平頂邊緣1 900～3 000 m 水深斜坡部位，以板狀結(jié)殼為主，殼皮厚度最大85.65 mm左右，平均厚度28.00 mm，與太平洋其他海山鈷結(jié)殼殼皮的平均厚度基本一致。基巖類型主要有玄武巖、火山碎屑巖, 其次為灰?guī)r和磷塊巖，麥哲倫海山區(qū), 磷塊巖、磷鈣土等富集于結(jié)殼的底部[13-14]，Govorov海山板狀富鈷結(jié)殼的 CaO和P2O5的質(zhì)量分數(shù)變化較大[6]，表明該海山板狀結(jié)殼樣品部分被磷酸鹽化。Govorov海山板狀結(jié)殼的基巖包括玄武巖、風化玄武巖、角礫凝灰?guī)r、磷塊巖、磷酸鹽化碳酸鹽巖、碳酸鹽膠結(jié)的老結(jié)核、白色碳酸鹽巖、角礫巖和骨架灰?guī)r等；海山礫狀結(jié)殼的核心巖石類型包括磷塊巖、角礫凝灰?guī)r等；Govorov海山鈷結(jié)核的核心巖石類型包括玄武巖、 磷塊巖和碳酸鹽巖等[6]。

麥哲倫海山區(qū)富鈷結(jié)殼主要金屬元素Fe、Mn、Cu、Co、Ni 平均質(zhì)量分數(shù)(表2)分別為12.69%～20.00 %、17.46%～23.72 %、0.09%～0.18%、0.42%～0.66%、0.25%～0.54%[14-15]。收集的戈沃羅夫蓋特海山鈷結(jié)殼厚度和品位，其主要元素、稀土元素等元素質(zhì)量分數(shù)測定方法為電感耦合等離子發(fā)射光譜法(ICP-AES)。6站鈷結(jié)殼品位分析表明，Govorov海山鈷結(jié)殼的Co質(zhì)量分數(shù)為0.42%～0.66%，平均值為0.55%(表3)，和太平洋其他海山Co的平均質(zhì)量分數(shù)基本一致(表4)。其他主要金屬元素Fe、Mn、Ni、Cu的平均質(zhì)量分數(shù)分別為16.30%，21.11%，0.38%和0.13%。

2 Govorov海山地形

Govorov海山由一個大型的主體海山和兩個小型的伴生海山三部分組成(圖3)，南北長約155 km，東西164 km，以5 000 m等深線圈閉山體面積21 948 km2。主體海山發(fā)育大型的山頂平臺，最淺水深1 420 m，主體為2 000 m等深線圈閉，面積為3 046 km2，山頂平臺平均坡度2.7°(圖4)，山頂邊緣水深1 700～2 500 m，面積3 535 km2，占海山面積的30%；主體海山形狀不規(guī)則，長軸呈東西向，長110 km，最小水深為1 450 m，平均坡度小于10°，在平坦山頂北部有一緩坡，東南部斜坡相對平緩，其他山坡地形陡峭，山麓水深4 000～5 000 m。西南部小型平頂山，最淺1 600 m，略呈橢圓狀，坡度4.2°，山頂東北向長軸長約40 km，其周圍山坡陡峭；東南部的小型平頂山，山頂西北向長軸長約34 km，周圍山坡陡峭，與其緊鄰東南側(cè)發(fā)育一個小型海山。

3 Govorov海山遠景區(qū)和礦區(qū)圈定

富鈷結(jié)殼礦體在海底呈片狀、環(huán)狀或斑狀分布[16]，說明鈷結(jié)殼厚度分布具有顯著的“斑點”特征(不是連續(xù)分布)。利用有效數(shù)據(jù)圈定合理的資源遠景區(qū)，是礦區(qū)圈定和資源評價的基礎(chǔ)，其準確度也決定了礦區(qū)圈定的合理性和資源評價的精度。遠景區(qū)圈定的任務(wù)是在作為研究對象的結(jié)殼礦體的范圍內(nèi)，按照一定的標準參數(shù)劃分出若干單獨的礦體，利用外推法將低至采樣站含礦參數(shù)數(shù)據(jù)推廣到其范圍之外。為彌補目標海山資料不足，不妨在海底海山鈷結(jié)殼的分布規(guī)律認識基礎(chǔ)上結(jié)合證據(jù)權(quán)法研究圈定Govorov海山結(jié)殼的遠景區(qū)。

表1 Govorov海山富鈷結(jié)殼分層樣品地質(zhì)特征及時代[6]

表2 Govorov海山富鈷結(jié)殼分層樣品主要金屬品位[6]

表3 Govorov海山富鈷結(jié)殼主要金屬元素質(zhì)量分數(shù)[6]

Tabel 3 Main metal contents of Co-rich crusts in Govorov guyot

站位wB/%MnFeCoNiCuMDD46-123.7214.550.500.540.16MDD4823.3817.330.610.380.13MDD4817.4613.580.480.340.15MDD4918.6920.000.420.250.11MDD5022.7017.240.530.450.18MDD5221.7218.710.660.330.09MDD5320.1612.690.660.370.09平均值21.1116.300.550.380.13

富鈷結(jié)殼礦體的特征是面積大、有條紋的帶狀結(jié)構(gòu)、鈷結(jié)殼的厚度多變和十分穩(wěn)定的物質(zhì)成分。在礦體范圍內(nèi)無礦和含礦區(qū)段(“條”)沿走向相互連接。鈷結(jié)殼的厚度分布具有顯著的“斑點”特征，厚度較大的區(qū)段在平頂海山巖脊處。結(jié)合海山淺剖和視像資料對結(jié)殼分布上界判定海山頂部沉積物分布的下界往往與富鈷結(jié)殼分布上界相對應(yīng)[7,18]，海山山頂沉積層尖滅的地方即是富鈷結(jié)殼開始出現(xiàn)的上界。多類資料[19]表明，在平頂海山寬闊的平頂容留了大量沉積物抑制了鈷結(jié)殼生長，僅零星分布結(jié)殼和結(jié)核；無礦區(qū)段基本上是由有孔蟲砂形成的。平頂海山山體巨大，頂部和斜坡陡崖區(qū)不利于結(jié)殼成長。鈷結(jié)殼富集地帶一般位于800～2 500 m[1]，地形對沉積物分布的影響間接影響到結(jié)殼的空間分布。根據(jù)11個重點海山鈷結(jié)殼調(diào)查資料制作的鈷結(jié)殼厚度與水深關(guān)系圖[20](圖5)表明，鈷結(jié)殼主要分布在海山1 000～3 500 m水深范圍內(nèi)，水淺區(qū)域結(jié)殼較厚，總體上隨著水深增加結(jié)殼厚度逐漸變薄。年輕的海山通常沒有足夠的時間形成較厚的結(jié)殼[21-22]，多數(shù)具有前景的平頂海山通常具有白堊紀的年齡。年齡老的海山才能夠形成規(guī)模大的平頂區(qū)域，保持穩(wěn)定的狀態(tài)以支撐結(jié)殼連續(xù)數(shù)百萬年生長。鈷結(jié)殼厚度與海洋洋殼年齡基本呈正相關(guān)[7]。Govorov海山基底洋殼的年齡為151～158 Ma[23]，鈷結(jié)殼分布應(yīng)該潛力很大。

表4 不同區(qū)域富鈷結(jié)殼主要成殼元素的質(zhì)量分數(shù)對比[16]

圖3 Govorov海山地形、結(jié)殼站位和海山年齡分布圖Fig.3 Sketch of topography,sampling sites of cobalt crust and mount age contour of Govorov guyot

圖4 Govorov海山坡度分布圖Fig.4 Slope contour map of Govorov guyot

據(jù)文獻[20]，11個海山調(diào)查資料。圖5 鈷結(jié)殼厚度與水深關(guān)系Fig.5 Relationship between crust thinckness and water depth

證據(jù)權(quán)法[24]基于概率不確定性與貝葉斯率，針對空間決策分析特點做了改進，如目標圖層的定義、圖層權(quán)系數(shù)的確定、圖層獨立性的檢驗等，在礦產(chǎn)資源評價中應(yīng)用廣泛。利用證據(jù)權(quán)法分析研究區(qū)的已知證據(jù)圖層預(yù)測事件出現(xiàn)的概率，得到評價結(jié)果數(shù)值為0～1的后驗概率圖即為目標區(qū)該類礦產(chǎn)的成礦潛力圖；把大于某一后驗概率臨界值的單元圈定出來，該單元即為該類礦產(chǎn)的潛力靶區(qū)[25]。在ArcGIS軟件arcmap下運行arcSDM(spatial data modeller)[26]軟件，計算所有證據(jù)圖層對目標圖層的權(quán)系數(shù)，再將訓(xùn)練區(qū)點圖層、證據(jù)圖層、權(quán)系數(shù)表三者進行關(guān)聯(lián)，計算相應(yīng)的圖層，即可得到評價的后驗概率圖，把大于后驗概率臨界值的單元圈定出來，即獲得有利找礦靶區(qū)。

綜合目標海山的資料情況，覆蓋率、含水率和品位無足夠資料，故暫選擇坡度、水深和采樣站位資料作為實驗分析圖層。選取具有采樣站位為矢量點訓(xùn)練圖層，厚度≥4 cm的站點作為已知礦床訓(xùn)練點，不足4 cm的站點為非礦床點。選取轉(zhuǎn)化為柵格的水深和坡度圖層為證據(jù)圖層，柵格的大小設(shè)置為4.7 km×4.7 km網(wǎng)格。水深等值線從1 500～5 000 m，間隔為100 m；坡度等值線從0°～32°，間隔為1°。將生成的水深和坡度等值線區(qū)圖層轉(zhuǎn)成整數(shù)柵格后，再進行分類形成水深和坡度證據(jù)圖層。調(diào)用arcSDM的WofE-LR功能，對指定的證據(jù)圖層計算預(yù)測出的訓(xùn)練礦床、證據(jù)正權(quán)(w+)、正權(quán)標準差s(w+)、證據(jù)負權(quán)(w-)、負權(quán)標準差s(w-)、襯度系數(shù)(即對比度)C、對比度標準差s(C)等統(tǒng)計參數(shù)，將結(jié)果存入DBF文件。C作為衡量證據(jù)圖層對礦產(chǎn)資源評價重要性的指標，表示礦點圖層同證據(jù)圖層的關(guān)聯(lián)性越大越好[25]。評價結(jié)果(表5)表明，Govorov海山坡度從7°～8°、12°～13°、15°～21°和水深2 200～2 500 m、2 600～2 800 m水深區(qū)域鈷結(jié)殼成礦潛力(證據(jù)正權(quán)(w+))較大。

筆者將Govorov海山4 000 m水深作為遠景區(qū)的外邊界，綜合鈷結(jié)殼的分布規(guī)律和海山證據(jù)權(quán)法鈷結(jié)殼資源預(yù)測后驗概率圖，把劃分出的若干子區(qū)域分為3種類型，即I級區(qū)(符合標準查明的資源潛力大的區(qū)域)、II級區(qū)(有資源潛力需進一步調(diào)查區(qū))和結(jié)殼空白區(qū)(查明的無結(jié)殼資源潛力的區(qū)域)。站位外推法有2種方案：符合標準的采樣站與不符合標準的采樣站毗鄰，要考慮鈷結(jié)殼參數(shù)的穩(wěn)定性及其有用組分的均勻分布，分析每個采樣站位含礦參數(shù)的影響，確定遠景區(qū)邊界；符合標準的采樣站與無礦段毗鄰，遠景區(qū)邊界通過采樣站之間的中間線。在ArcGIS軟件中，疊加地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)、水深等值線、坡度等值線和站位等圖層，對站位圖層取距站點5 km為半徑的緩沖區(qū)分析，在4 000 m水深圈閉區(qū)內(nèi)(圖6)圈出鈷結(jié)殼I級區(qū)4個，面積為983 km2；II級區(qū)6個，面積為1 053 km2；結(jié)殼空白區(qū)3個，面積為298 km2。

規(guī)章對結(jié)殼申請涵蓋區(qū)塊的基本要求包括: 1)“鈷結(jié)殼區(qū)塊”是指國際海底管理局規(guī)定的一個或多個網(wǎng)格單元，可以是正方形或長方形，面積不超過20 km2；2)每一份請求核準勘探鈷結(jié)殼工作計劃的申請書所涉區(qū)域由不超過150個鈷結(jié)殼區(qū)塊組成，這些區(qū)塊應(yīng)排列為組群；3)5個毗連鈷結(jié)殼區(qū)塊構(gòu)成一個鈷結(jié)殼區(qū)組群。在任何一點相接觸的2個鈷結(jié)殼區(qū)塊視為毗連區(qū)塊，鈷結(jié)殼區(qū)塊組群不一定毗連但須鄰近，且完全局限在一個不超過550 km×550 km的地理區(qū)域內(nèi)。如何在Govorov海山參照上述遠景區(qū)圈定符合規(guī)章要求的若干結(jié)殼區(qū)塊的方法，稱為網(wǎng)格微分法和人機交互式礦區(qū)圈定法。所謂網(wǎng)格微分法是將相關(guān)圖層設(shè)為WGS84坐標系下的等面積投影，生成覆蓋所有遠景區(qū)的由若干劃分為20 km2大小的網(wǎng)格組成的目標區(qū)圖層。調(diào)用“create fishnet”和“feature to polygon”功能，生成邊長為4 472.13 m的正方形網(wǎng)格礦塊區(qū)域圖層，再和分類遠景區(qū)疊加分析，刪除與遠景區(qū)以外的和完全在結(jié)殼空白區(qū)的區(qū)塊，保留的區(qū)塊逐個分析對比排序，優(yōu)先保留資源潛力大的區(qū)塊，直至最后保留的區(qū)塊數(shù)滿足海山的面積要求為止。網(wǎng)格微分方法操作方便，能夠最大限度地反映眾多地質(zhì)變量包含的礦產(chǎn)資源信息，利于判斷含礦與非礦的判斷。如何使非礦面積Δs盡量小，使圈定礦區(qū)的資源好的面積盡量大，采用了人機交互式礦區(qū)圈定法。此法借鑒了計算機圖形學(xué)中多邊形的種子填充算法，即把遠景區(qū)視為待填充的多邊形，假設(shè)在多邊形區(qū)域內(nèi)已知一個像素(區(qū)塊)，可以通過左、右、上、下4個方向移動的四聯(lián)通區(qū)域，從4個方向?qū)ふ蚁乱粋€區(qū)塊，又稱為四向算法[10]。

表5 Govorov海山證據(jù)權(quán)系數(shù)表

注：本表略去了襯度系數(shù)為0的水深段和坡度段。

圖6 Govorov海山鈷結(jié)殼遠景區(qū)Fig.6 Sketch of resource perspective areas of Govorov guyot

圖7 網(wǎng)格微分法(左圖)和人機交互礦區(qū)圈定法(右圖)形成的礦塊分布Fig.7 Mining blocks distribution based on gridding differential coefficient(left) and man-machine interactive mining delineation(right)

運用網(wǎng)格微分法生成網(wǎng)格后，先刪除與遠景區(qū)有利區(qū)不相交(包括空白區(qū))的網(wǎng)格區(qū)塊，對余下的248個區(qū)塊遵循礦區(qū)最大化、盡量減少非礦區(qū)的原則保留100個區(qū)塊并對部分區(qū)塊適當移動。運用網(wǎng)格微分法和人機交互式礦區(qū)圈定法分別圈定100個單個區(qū)塊的面積為20 km2(長寬均約為4 472 m)的鈷結(jié)殼礦塊。兩種方法均圈出7個礦塊群100個礦塊(圖7)總面積為2 000 km2結(jié)殼礦區(qū)，分別與遠景區(qū)進行相交(intersect)分析,得到2 000 km2區(qū)域的含礦區(qū)。基于網(wǎng)格微分法和人機交互礦區(qū)圈定法兩種礦區(qū)圈定方法所得到的100個礦塊組成的2 000 km2區(qū)域的含礦面積分別為1 696.24 km2和1 735.60 km2，2 000 km2區(qū)域落在遠景區(qū)以外的面積分別為303.76 km2和264.40 km2，分別占2 000 km2區(qū)域的15.19%和13.22%。比較結(jié)果(表6)表明，勘探規(guī)章關(guān)于礦塊必須是矩形的規(guī)定和海底海山鈷結(jié)殼自然生長分布區(qū)域不規(guī)則造成上述兩種方法圈定的礦塊均不可避免地會覆蓋少量非礦區(qū)；運用人機交互礦區(qū)圈定法圈定的礦區(qū)包含的非礦區(qū)面積小于用網(wǎng)格微分法圈定的非礦區(qū)面積，因而人機交互礦區(qū)圈定法更靈活而具有明顯優(yōu)勢。

4 Govorov海山鈷結(jié)殼資源量

鈷結(jié)殼資源量估算和資源評價有多種方法，主要有算術(shù)平均法[27]、地質(zhì)塊段法、加權(quán)平均法、最近區(qū)域法[28]、克立格法[18]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[29]、分形理論法[30-31]和基于網(wǎng)格剖分積分計算富鈷結(jié)殼資源[32]。鈷結(jié)殼濕結(jié)殼資源量、干結(jié)殼資源量、金屬資源量以及鈷等量金屬量是結(jié)殼資源評價的主要指標之一。結(jié)殼資源評價方法的選取與調(diào)查程度有關(guān)，在預(yù)查和普查階段測站數(shù)據(jù)少、網(wǎng)度大，且分布不均勻，應(yīng)用克立格法、鄰近區(qū)域法等地質(zhì)統(tǒng)計法誤差太大，而算術(shù)平均法可滿足評價精度，通常采用算術(shù)平均法和地質(zhì)塊段法。Govorov海山的結(jié)殼調(diào)查資料不足，資源評價宜采用算術(shù)平均法，能較好地滿足階段評估精度要求。地質(zhì)塊段法是在算術(shù)平均法的基礎(chǔ)上加以改進的資源量計算方法，其原理是將一個礦體投影到一個平面上，根據(jù)礦石種類、品位和儲量級別等地質(zhì)特征的不同，將一個礦體劃分為若干個不同厚度的理想塊體，即塊段，然后使用算術(shù)平均法求出每個塊段的資源量，各塊段資源量的總和即為整個礦體的資源量。按照水深范圍計算結(jié)殼資源量是采用地質(zhì)塊段法對海山資源進行的初步評價方法之一。資源量計算的算法基本流程：選擇待計算的區(qū)域圖層，添加其面積和坡度屬性，調(diào)用查詢站位圖層或數(shù)據(jù)庫，遍歷區(qū)域圖層的每個區(qū)塊或水深段區(qū)域計算其結(jié)殼厚度、豐度和金屬元素質(zhì)量分數(shù)等要素的平均值，最終獲得礦區(qū)的資源量[33](表7)。對區(qū)域內(nèi)分布有采樣站位數(shù)據(jù)的取其平均值，部分沒有站位數(shù)據(jù)的區(qū)域，暫取海山范圍內(nèi)結(jié)殼站位數(shù)據(jù)的平均值。

Govorov海山1.42～2.00 km和3.00～4.00 km水深段面積較大，沒有結(jié)殼采樣資料的水深段取海山結(jié)殼的平均豐度和質(zhì)量分數(shù)，該水深段濕結(jié)殼量為34 734.28×104t和17 014.18×104t，分別占海山資源量的50%和24%。2.00～2.50 km水深段資料最多，結(jié)果數(shù)據(jù)最可靠，濕結(jié)殼量約11 970.00×104t，占海山資源量17%。Govorov平頂海山濕結(jié)殼資源量為69 487.60×104t，干結(jié)殼資源量為48 641.32×104t，錳金屬量為9 800.38×104t，銅金屬量為63.24×104t，鈷金屬量為254.92×104t，鎳金屬量為196.83×104t，鈷等量金屬量為548.05×104t。Govorov海山人機交互礦區(qū)圈定法圈定的100個礦塊主要分布在2.00～3.00 km斜坡上(表8)，平均水深2.626 km，平均坡度為12.74°，平均厚度為3.39 cm，濕結(jié)殼資源量為14 092.00×104t，干結(jié)殼資源量為9 789.35×104t，錳金屬量為1 961.30×104t，銅金屬量為10.17×104t，鈷金屬量為54.06×104t，鎳金屬量為34.87×104t，鈷等量金屬量為110.71×104t。

5 結(jié)論

1)Govorov海山由一個大型的主體海山和兩個小型的伴生海山三部分組成，南北長約155 km，東西164 km，以5 000 m 等深線圈閉山體面積21 948 km2。主體海山發(fā)育大型的山頂平臺，主體為2 000 m等深線圈閉，面積為3 046 km2，山頂平臺平均坡度2.7°，山頂邊緣水深1 700～2 500 m，面積3 535 km2，占海山面積的30%。

表6 基于兩種礦區(qū)圈定方法的礦區(qū)比較

表7 Govorov平頂海山結(jié)殼資源量(按水深)

注：Co等量=0.023w(Mn)+0.1w(Cu)+w(Co)+0.3w(Ni)[7]。

表8 Govorov平頂海山圈定礦區(qū)100個區(qū)塊結(jié)殼資源量

2)證據(jù)權(quán)法評價結(jié)果表明，Govorov海山坡度7°～8°、12°～13°、15°～21°和水深2 200～2 500 m、2 600～2 800 m水深區(qū)域鈷結(jié)殼成礦潛力較大。基于調(diào)查資料，以水深4 000 m作為遠景區(qū)的外邊界，將戈沃羅夫蓋特平頂海山劃分為3種類型區(qū)域，即I級區(qū)(符合標準查明的資源潛力大的區(qū)域)4個，面積為983 km2、II級區(qū)(有資源潛力需進一步調(diào)查分析區(qū))6個，面積為1 053 km2和結(jié)殼空白區(qū)(查明的無結(jié)殼資源潛力的區(qū)域)3個，面積為298 km2。

3)Govorov海山結(jié)殼濕資源量為69 487.60×104t，主要分布在2 000～3 000 m斜坡上；2 000～2 500 m水深段資料最多，計算結(jié)果最可靠，濕結(jié)殼量約11 970.00×104t，占海山資源量17%?；谕暇W(wǎng)站位和遠景區(qū)圈定的100個長寬均約為4 472 m、面積為20 km2鈷結(jié)殼優(yōu)質(zhì)區(qū)塊，符合規(guī)章條款要求，其面積為2 000 km2，占海山面積的10%，結(jié)殼平均厚度為3.30 cm，濕結(jié)殼資源量為14 092.00×104t。這些數(shù)據(jù)表明，戈沃羅夫蓋特平頂海山規(guī)模大，鈷結(jié)殼資源前景潛力較大，可作為鈷結(jié)殼繼續(xù)調(diào)查和礦區(qū)申請備選海山。

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Delineation of Cobalt Crust Blocks and Estimation of Co-Rich Crust Resource of Govorov Guyot，Magellan Seamounts,Pacific Ocean

Cheng Yongshou1,2, Jiang Xiaodian1,Song Shiji3, Sun Sijun2, Yu Jia2

1.CollegeofMarineGeosciences,OceanUniversityofChina,Qingdao266003,Shandong，China2.NationalMarineDataandInformationService,Tianjin300171,China3.AutomationDepartment,TsinghuaUniversity,Beijing10084,China

In order to define the reasonable and preferable mine area for the application of oceanic Co-rich crust mine,after the modal of mining proposed by the International Seabed Authority(ISBA),based on the public dredge hauling surveying data of Co-rich crust on Govorov Guyot and the posterior probability chart of crust potential resources from the Weights-of-Evidence-Modeling ,considering the features of the regional Co-rich crust distribution of Pacific seamounts,the prospective area of Govorov Guyot crust resources firstly and then seven clusters (a total of 100 cobalt-crust ore blocks) were delineated by man-machine interactive method for delineating mining areas based on meeting regulation requirements of ISBA.The amount of wet crust resources of Govorov Guyot is calculated to be 69 487.6×104t according to water depth. 100 crust blocks are mainly distributed on the slope，and their amount of wet and dry crust resources are calculated to be 14 092×104t and 9 789.35×104t respectively, including 1 961.3×104t manganese，10.17×104t copper, 54.06×104t cobalt, 34.87×104t nickle. These figures show that the scale of Govorov Guyot is very large, and its Co-rich crust resource prospect is valuable for further survey and exploitation.

Co-rich crusts;resources amount;delineating method of cobalt crust resources;marine geology；Magellan seamounts

10.13278/j.cnki.jjuese.201506108.

2015-02-20

中國大洋協(xié)會資助項目 (DYXM-125-25-02); 海洋公益項目 (201005029)

程永壽(1971--)，男，研究員，博士，主要從事海洋地球物理研究，E-mail:yshcheng@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201506108

P618.13；P744.4

A

程永壽，姜效典，宋士吉，等. 麥哲倫戈沃羅夫蓋特平頂海山鈷結(jié)殼資源評價.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(6):1642-1656.

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