基于地形的海底熱液區(qū)沉積物分布趨勢預(yù)測方法研究?以西南印度洋中脊龍角區(qū)為例

潘東雷，陶春輝,3*，廖時(shí)理，鄧顯明，張國堙

(1.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.上海交通大學(xué) 海洋學(xué)院，上海 200240)

1 引言

海底熱液活動(dòng)伴生富含多種金屬元素的海底硫化物礦產(chǎn)資源，是國際上海洋科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，無論是對(duì)于熱液活動(dòng)相關(guān)科學(xué)研究還是多金屬硫化物礦產(chǎn)勘查而言，沉積物都是重要的研究對(duì)象[1]。熱液活動(dòng)通過羽狀流沉降和硫化物礦體物理剝離等形式在沉積物中記錄下了熱液活動(dòng)的重要信息[2]，前人對(duì)含金屬沉積物的物質(zhì)來源、熱液羽狀流元素析出過程[3]及熱液活動(dòng)范圍[4]等方面做了大量研究，提出熱液活動(dòng)對(duì)海底沉積過程產(chǎn)生了重要影響[5-6]，熱液流體析出的多于90%的物質(zhì)都擴(kuò)散開并沉降到周圍的沉積物中[7]。此外有學(xué)者對(duì)海底熱液區(qū)沉積物的礦物組成和地球化學(xué)空間分布特征[8-9]開展進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，熱液成因礦物表現(xiàn)出在熱液礦點(diǎn)附近富集的現(xiàn)象[10]，且熱液來源的鋅、銅、鐵、錳等金屬元素也在熱液區(qū)周圍呈現(xiàn)出明顯的分帶性[11]。海底地形是影響沉積物遷移和富集過程的一項(xiàng)重要因素，控制著熱液區(qū)周圍沉積物的空間分布，相應(yīng)地也影響了其中熱液來源金屬元素與礦物的空間賦存特征，因此，對(duì)海底沉積物在地形作用下的分布規(guī)律研究具有重要意義。但關(guān)于海底地形對(duì)沉積物分布的影響，前人研究相對(duì)較少[12]。

我國在對(duì)海底多金屬硫化物資源的勘探中，積累了大量的海底地形數(shù)據(jù)。海底地形數(shù)據(jù)中包含著豐富的信息，目前多用于洋中脊構(gòu)造、地貌等方面的研究[13-14]，在礦產(chǎn)勘查方面則將形似噴口的丘狀體地形特征作為多金屬硫化物的找礦標(biāo)志之一[1]。隨著空間地理信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字地形分析在地理科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[15-17]，ArcGIS 軟件可以方便快捷地獲取研究區(qū)的地形特征，獲取諸多地形關(guān)鍵信息并建立出地理數(shù)據(jù)模型，為我們對(duì)海底地形進(jìn)行精細(xì)分析，并進(jìn)一步完成沉積物分布趨勢預(yù)測提供了便捷、有效的科學(xué)手段。

本文基于船載多波速獲取的地形數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件對(duì)西南印度洋中脊龍角區(qū)進(jìn)行分析，完成了地形影響下海底沉積物分布趨勢預(yù)測，提取出易于富集沉積物的海底溝谷并劃分了其沉積物匯集的源區(qū)范圍；通過將海底溝谷網(wǎng)與龍角區(qū)沉積物實(shí)際分布進(jìn)行對(duì)比，對(duì)方法有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，并進(jìn)一步探討了本方法對(duì)于海底礦產(chǎn)勘查工作及相關(guān)科學(xué)研究的指示意義。

2 研究區(qū)概況

超慢速擴(kuò)張西南印度洋中脊全長7 700 km，是我國調(diào)查研究程度最高的洋脊區(qū)域[18]。中國大洋19 航次在西南印度洋龍角區(qū)49.6°E 發(fā)現(xiàn)的龍旂1 號(hào)熱液區(qū)，是世界上首個(gè)在超慢速擴(kuò)張洋中脊被報(bào)道的活動(dòng)熱液區(qū)，后續(xù)航次在龍角區(qū)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多處熱液異常[11,19-20]。

圖1 研究區(qū)地形圖Fig.1 Topographic map of study area

龍角區(qū)范圍如圖1 所示，包含近東西向的洋中脊軸部中央裂谷及南側(cè)高地，地形高低起伏不平，變化較為復(fù)雜。研究區(qū)發(fā)育有中央裂谷，裂谷西段為非轉(zhuǎn)換不連續(xù)帶，平均水深較深；而東段為軸部火山脊，水深相對(duì)較淺，地球物理證據(jù)表明此段巖漿供給相對(duì)富集[21]；中央裂谷南側(cè)離軸區(qū)域地形崎嶇，發(fā)育有多處塊狀及穹隆狀海山[13,22-23]。有學(xué)者認(rèn)為研究區(qū)所在的第28 洋脊段受到了Crozet 熱點(diǎn)的影響，但目前對(duì)其作用程度和過程還存有爭議[24-25]。龍旂1 號(hào)熱液區(qū)發(fā)育于中央裂谷東西段分界處裂谷東南斜坡的丘狀高地上，水深約為2 755 m，后在其東側(cè)約7 km 處發(fā)現(xiàn)龍旂3 號(hào)熱液異常區(qū)[18]。研究區(qū)南側(cè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地形起伏較大，相關(guān)研究顯示該處發(fā)育有多期次的大型拆離斷層，在其拆離面處發(fā)現(xiàn)有海底核雜巖出露[11,26]。

我國大洋調(diào)查航次對(duì)西南印度洋合同區(qū)進(jìn)行了精細(xì)的海底地形勘探，獲取了龍角區(qū)的海底地形及一系列的水體異常、地球物理等探測數(shù)據(jù)，為多金屬硫化物勘探工作積累了豐富的數(shù)據(jù)資料。本研究采用船載多波束數(shù)據(jù)，剔除跳點(diǎn)后網(wǎng)格化為50 m×50 m 精度的GRID 柵格文件。

3 研究區(qū)沉積物分布趨勢預(yù)測

此方法基于ArcGIS 軟件Arc Hydro Tools 分析工具進(jìn)行，它具有出錯(cuò)率低、運(yùn)行效率高的優(yōu)勢[27-28]，可以便捷的對(duì)海底地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究區(qū)沉積物分布趨勢預(yù)測主要包括以下5 個(gè)流程：填洼、沉積物重力搬運(yùn)方向提取、沉積物匯集量估算、海底溝谷提取及沉積物源區(qū)劃分，基本處理流程如圖2 所示。

3.1 填洼

在原始地形柵格數(shù)據(jù)中會(huì)存在著許多洼地或者凹陷區(qū)域，在柵格數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為中心單元格高程值低于與它相鄰的8 個(gè)單元格的高程。這會(huì)導(dǎo)致此區(qū)域在接下來的分析過程中出現(xiàn)沉積物遷移中斷現(xiàn)象，從而無法得到合理的沉積物重力搬運(yùn)方向，因此必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼來識(shí)別和剔除異常數(shù)據(jù)。

填洼操作由【Spatial Analyst ToolsHydrologyFill】工具完成，此工具會(huì)對(duì)地形柵格數(shù)據(jù)中各個(gè)單元格進(jìn)行掃描，若出現(xiàn)上述的某個(gè)單元格高程值低于與之相鄰的8 個(gè)單元格高程值的情況，則會(huì)將相鄰8 個(gè)單元格中高程最低的值賦予該單元格，從而將凹陷區(qū)域填充，確保了沉積物遷移方向的完整性與合理性。對(duì)研究區(qū)地形柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼后生成的無洼地地形柵格如圖3 所示。

圖2 處理流程圖Fig.2 Flow diagram

圖3 研究區(qū)無洼地地形圖Fig.3 Topographic map of study area without depression

3.2 沉積物重力搬運(yùn)方向提取及匯集量估算

O’Callaghan 和Mark[29]提出的最大坡降法是目前采用最普遍的定義方向的方法，Jenson 和Domingue[30]首先設(shè)計(jì)了應(yīng)用此方法的典型算法。D8 算法簡化定義了8 個(gè)特征方向，分別用特征碼1、2、4、8、16、32、64、128 表示東、東南、南、西南、西、西北、北和東北，這為我們提供了描述地形影響下各處沉積物搬運(yùn)方向的途徑。據(jù)此我們計(jì)算出了高程?hào)鸥裰忻總€(gè)單元格的最陡方向，并將此方向定義為沉積物在重力影響下的搬運(yùn)方向。前文進(jìn)行的填洼操作保證了方向提取過程不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，通過【Spatial Analyst ToolsHydrologyFlow Direction】工具對(duì)研究區(qū)無洼地柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行最陡方向提取，生成研究區(qū)沉積物重力搬運(yùn)方向如圖4 所示。

沉積物匯集量是研究區(qū)沉積物分布趨勢預(yù)測的重要參數(shù)，是對(duì)地形柵格中各單元格沉積物匯集能力的刻畫。其原理是依據(jù)沉積物在重力作用下從高處往低處搬運(yùn)的自然規(guī)律，將地形柵格中每個(gè)單元格賦予權(quán)重值為1，并根據(jù)沉積物重力搬運(yùn)方向?qū)⒋酥迪蛳路絾卧駛鬟f，最終計(jì)算得到每個(gè)單元格的最終累計(jì)值，來表征此處的沉積物匯集量。此步驟計(jì)算基于【Spatial Analyst ToolsHydrologyFlow Accumulation】工具完成，結(jié)果如圖5 所示。

3.3 海底溝谷提取

圖4 研究區(qū)沉積物重力搬運(yùn)方向Fig.4 Gravity transport direction of sediments in the study area

圖5 研究區(qū)沉積物匯集量Fig.5 Sediment accumulation amount of study area

海底溝谷的提取是分析流程中非常關(guān)鍵的一步，在此步驟中最重要的是對(duì)沉積物匯集量閾值的確定。當(dāng)某一單元格估算出的沉積物匯集量超過了設(shè)定閾值，則認(rèn)為該處為易于富集沉積物的溝谷地形，所有高于閾值的單元格即組成了海底溝谷網(wǎng)格?？梢哉J(rèn)為不同閾值的設(shè)定意味著提取的網(wǎng)格精度的差異，通常閾值設(shè)定的越小，提取的海底溝谷網(wǎng)格越密集，模擬計(jì)算的精度也就越高。此步操作通過【Spatial Analyst Tools Map AlgebraRaster Calculator】工具實(shí)現(xiàn)，通過語句con（“沉積物匯集量”≥閾值，1），將滿足閾值要求的單元格賦值為1，其余單元格不賦值，以形成一個(gè)單值化的柵格，矢量化后如圖6 所示。

3.4 沉積物源區(qū)劃分

海底溝谷網(wǎng)易于富集沉積物，并且其分布包含了沉積物的遷移信息。圖中每一支溝谷都有其對(duì)應(yīng)的沉積物源區(qū)，即在沉積物匯集量估算階段其所匯集的沉積物的源區(qū)范圍。此區(qū)域的邊界是高地形，區(qū)域內(nèi)的沉積物會(huì)在重力的作用下向海底溝谷處富集，而各沉積物源區(qū)之間的沉積物遷移具有一定的獨(dú)立性。沉積物重力搬運(yùn)方向、沉積物匯集量及海底溝谷網(wǎng)的連接關(guān)系共同包含了沉積物源區(qū)空間范圍信息，以此為依據(jù)通過【Spatial Analyst ToolsHydrologyWatershed】工具完成海底溝谷網(wǎng)的沉積物源區(qū)劃分，從而將整個(gè)研究區(qū)劃分為一系列的沉積物源區(qū)。結(jié)果如圖7 所示。

圖6 2 000 閾值下提取的海底溝谷網(wǎng)Fig.6 Submarine ditch valley network extracted under 2 000 threshold

圖7 研究區(qū)海底溝谷網(wǎng)沉積物源區(qū)劃分Fig.7 Sedimentary source area division of the submarine ditch valley network in the study area

4 討論

4.1 海底沉積物分布趨勢預(yù)測方法有效性分析

海底地形數(shù)據(jù)中包含了豐富的信息，是進(jìn)行沉積物分布趨勢預(yù)測的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文利用ArcGIS 軟件中Hydrology 工具及龍角區(qū)地形數(shù)據(jù)，對(duì)沉積物向低洼溝谷富集的過程進(jìn)行了模擬，其中沉積物重力搬運(yùn)方向提取是將計(jì)算出的地形最陡方向定義為沉積物在地形作用下遷移的方向，并基于此沉積物重力搬運(yùn)方向，進(jìn)一步估算出每個(gè)柵格單元的沉積物匯集量用以表征此處的沉積物匯集能力。沉積物匯集量估算的結(jié)果可以反映一個(gè)空間概念，代表著匯入的單元格數(shù)量，即高匯集量意味著此處接收更大區(qū)域的沉積物匯入，匯集能力越強(qiáng)，越有可能是溝谷；低匯集量意味著較少區(qū)域匯入，一般代表高地形，通過沉積物匯集量閾值的設(shè)定來篩選出易于富集沉積物的海底溝谷。但此工具在陸地區(qū)域多用于自然匯流過程模擬，是流域水文模擬和環(huán)境模型應(yīng)用的研究熱點(diǎn)[31-32]，本研究將其應(yīng)用于洋中脊熱液區(qū)海底沉積物分布趨勢預(yù)測，并對(duì)其有效性進(jìn)行了討論與驗(yàn)證。

海底地形和陸地地形本質(zhì)都是由內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)營力的共同作用而形成的，但海底地形通常是內(nèi)力作用的直接產(chǎn)物，與海底擴(kuò)張、板塊構(gòu)造活動(dòng)息息相關(guān)[33]。大洋中脊軸是海底的擴(kuò)張中心，由于巖漿不均勻供給、拆離斷層、轉(zhuǎn)換斷層等特殊構(gòu)造環(huán)境以及熱點(diǎn)等多種因素的影響，洋中脊區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)頻繁且復(fù)雜，造成海底熱液區(qū)的地形相對(duì)陸地上更加的崎嶇不平，會(huì)在一定程度上增加沉積物遷移過程的復(fù)雜性。但在重力作用下，海底沉積物的遷移過程同樣具有自高向低的趨勢，使得沉積物主要分布于低洼和平坦地形區(qū)，這是整個(gè)分析過程的基本依據(jù)[1]。通過將地形最陡方向定義為沉積物進(jìn)行重力搬運(yùn)的方向，并且完成對(duì)沉積物分布的趨勢預(yù)測。雖然普遍認(rèn)為洋中脊區(qū)域沉積物較為貧瘠，但有研究表明在熱液區(qū)附近受熱液活動(dòng)影響沉積速率明顯較大[34-35]；而且不同于水流，沉積物的遷移?富集過程較緩慢，需要在較長的時(shí)間跨度下進(jìn)行。這樣在相對(duì)較高沉積速率與較大時(shí)間尺度條件下，通過海底地形數(shù)據(jù)對(duì)熱液區(qū)周圍的沉積物分布趨勢進(jìn)行預(yù)測是合理、有效的。

如圖8 所示，通過與底質(zhì)解譯獲取的沉積物分布范圍進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本方法獲取的海底溝谷網(wǎng)與沉積物的實(shí)際分布范圍較為吻合。其中，在a、b 兩區(qū)域（綠框區(qū)域）可見沉積物明顯圍繞海底溝谷兩側(cè)分布，這可能與研究區(qū)熱液活動(dòng)有關(guān)。洋中脊側(cè)翼沉積物主要由陸源風(fēng)塵、生源物質(zhì)、玄武巖和超鎂鐵質(zhì)巖碎屑以及熱液來源組分組成[11-12,36]，其分布規(guī)律共同受到地形的影響。龍角區(qū)分布有龍旂1 活動(dòng)熱液區(qū)及多處熱液異常區(qū)，可能為研究區(qū)沉積物提供了額外的物源，較為充足的沉積物通量是本方法取得良好結(jié)果的有利條件，而且可能會(huì)導(dǎo)致在海底溝谷之間也有沉積物分布（如a 區(qū)域西側(cè)）。

值得注意的是在圖8 中c、d 兩區(qū)域僅有一條直線溝谷與沉積物分布范圍對(duì)應(yīng)。這與該處地形有關(guān)，在圖1 中可見c、d 兩區(qū)域?yàn)橹車叩?、中心凹陷的洼地區(qū)域，這會(huì)在步驟1 填洼操作中被填充成一片平坦的區(qū)域（圖3），導(dǎo)致接下在來提取沉積物重力搬運(yùn)方向時(shí)產(chǎn)生大范圍單一方向（圖4），從而在估算沉積物匯集量時(shí)生成大量平行線（圖5），最終導(dǎo)致在整個(gè)凹陷區(qū)域生成單條直線型海底溝谷，這是不符合初衷的。所以在c、d 兩區(qū)域本文分析過程并未提取到真實(shí)的海底溝谷（該區(qū)域真實(shí)的溝谷可對(duì)c、d 兩區(qū)域局部地形進(jìn)行精細(xì)分析來獲?。?。但是像c、d 這種凹陷地形被高地形環(huán)繞，其本身就易于富集沉積物，圖8中沉積物實(shí)際分布情況也符合這一觀點(diǎn)，在對(duì)沉積物分布趨勢進(jìn)行預(yù)測時(shí)整個(gè)洼地范圍本身即可認(rèn)定為沉積有利區(qū)。

圖8 研究區(qū)海底溝谷網(wǎng)與沉積物分布驗(yàn)證對(duì)比Fig.8 Verification and comparison of the submarine ditch valley network and sediments distribution in the study area

因此，在沉積速率較高的洋中脊熱液活動(dòng)區(qū)，針對(duì)無大面積洼地的區(qū)域，本方法能夠提取出海底溝谷以指示該區(qū)域沉積物的分布范圍，而大面積的洼地本身即為沉積有利區(qū)。

4.2 本方法對(duì)海底硫化物礦產(chǎn)勘探的指導(dǎo)意義

與普通遠(yuǎn)洋沉積物不同，熱液區(qū)附近沉積物在沉積過程中接收了大量的熱液成因物質(zhì)[37]，導(dǎo)致了熱液活動(dòng)區(qū)附近沉積物的顏色、結(jié)構(gòu)、礦物組分和地球化學(xué)特征與正常的遠(yuǎn)洋沉積物有所不同，這種“異?！闭浅练e物化探找礦的依據(jù)[38]。沉積物中存在與熱液活動(dòng)和沉積作用相關(guān)的異常是判斷附近熱液活動(dòng)或淺埋藏硫化物礦體存在的直接證據(jù)，但異常的分布則隨沉積物一起受到地形因素的影響，所以在根據(jù)化探異常進(jìn)行成礦遠(yuǎn)景區(qū)圈定時(shí)應(yīng)該充分考慮該區(qū)域沉積物的遷移過程。本方法可以用于研究海底地形條件對(duì)熱液沉積物分布的影響，協(xié)助海底硫化物礦產(chǎn)勘探工作，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

1）海底溝谷網(wǎng)及其沉積物源區(qū)提取指導(dǎo)沉積物取樣站位設(shè)置

海底沉積物取樣需要抓斗或深潛器等設(shè)備到海底進(jìn)行，比陸地要困難得多，很難做到規(guī)則網(wǎng)取樣。基于成本考慮，在有限的取樣數(shù)量下，取樣站位位置的設(shè)置需要合理、高效。如前文分析，提取高沉積物匯集量值得到的海底溝谷網(wǎng)指示著海底沉積有利區(qū)，是沉積物取樣站位設(shè)置的理想地點(diǎn)；沉積物源區(qū)劃分實(shí)際反映由山脊分隔成的沉積物來源范圍，可以指示某處取樣站位沉積物樣品所能代表的區(qū)域范圍，取樣站位應(yīng)該規(guī)劃設(shè)置到不同的沉積物源區(qū)中。

2）異常站位點(diǎn)沉積物源區(qū)分析指導(dǎo)成礦遠(yuǎn)景區(qū)圈定

沉積物樣品分析得到的熱液礦物或元素地球化學(xué)異常是找礦的依據(jù)，但各種圖件組合圈出的高值區(qū)只是礦化異常而并非礦化區(qū)，礦化區(qū)的圈定往往需要綜合考慮地球物理（重磁電震）、構(gòu)造、地形等其他多種圖件進(jìn)行，異常點(diǎn)沉積物源區(qū)分析獲取的源區(qū)范圍對(duì)于從礦化異常到成礦遠(yuǎn)景區(qū)的圈定具有重要參考價(jià)值。

相對(duì)于前文對(duì)于沉積物分布的正向預(yù)測，特定異常點(diǎn)的沉積源區(qū)分析可以看作是對(duì)沉積物來源區(qū)域范圍的反推。對(duì)龍旂熱液區(qū)附近兩處具有主微量元素異常的站位點(diǎn)進(jìn)行沉積物源區(qū)分析，可以獲取異常點(diǎn)處的沉積物源區(qū)范圍如圖9 黑色網(wǎng)線區(qū)域所示?？梢酝茰y，兩處站位點(diǎn)的異常沉積物可能由其對(duì)應(yīng)的黑色網(wǎng)線區(qū)域搬運(yùn)而來。沉積物源區(qū)分析作為沉積物分布趨勢預(yù)測的應(yīng)用拓展，可以幫助我們分析海底表層熱液異常物質(zhì)可能來源的區(qū)域，進(jìn)而為礦區(qū)圈定工作提供參考依據(jù)。此分析需要將主微量元素異?；蛑氐V物異常的站位點(diǎn)作為輸入?yún)?shù)，通過【Spatial Analyst ToolsHydrologyWatershed】工具完成。

圖9 特定異常點(diǎn)的沉積物源區(qū)分析示意圖Fig.9 Schematic diagram of sediment source area analysis at specific anomalous points

本文也具有一定的局限性，海底沉積物的遷移和富集還受到區(qū)域流場、生物活動(dòng)、構(gòu)造活動(dòng)多種因素的影響[1,39-40]，但該過程復(fù)雜不易討論，并且缺少相關(guān)數(shù)據(jù)，本方法只考慮了地形因素導(dǎo)致的沉積物重力搬運(yùn)，未對(duì)區(qū)域流場、構(gòu)造活動(dòng)等其他因素的影響程度進(jìn)行探討。而且在活動(dòng)熱液區(qū)由于羽狀流沉降作用的存在，異常站位點(diǎn)的沉積物源區(qū)分析有可能指示熱液物質(zhì)隨羽狀流沉降的位置，而不一定是熱液活動(dòng)的位置。

5 結(jié)論

（1）本文提出的基于地形的海底沉積物分布趨勢預(yù)測方法適用于海底熱液活動(dòng)區(qū)無大面積洼地的區(qū)域，用以預(yù)測該區(qū)域沉積物分布范圍；對(duì)龍角區(qū)地形數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與該區(qū)域沉積物的實(shí)際分布范圍較為吻合。

（2）本方法對(duì)于海底多金屬硫化物礦產(chǎn)勘探具有指導(dǎo)意義，海底溝谷網(wǎng)指示沉積有利區(qū)，可為沉積物取樣站位設(shè)置提供參考，其沉積物源區(qū)分布可表征取樣站位沉積物樣品可能的源區(qū)范圍；針對(duì)特定地化或重礦物異常站位點(diǎn)的沉積物源區(qū)分析，可以為海底成礦遠(yuǎn)景區(qū)圈定提供參考依據(jù)。