程永壽，姜效典，宋士吉，孫思軍，余 佳

1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266003 2.國(guó)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(píng)價(jià)

程永壽1,2，姜效典1，宋士吉3，孫思軍2，余 佳2

1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266003 2.國(guó)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(guó)際海底管理局提出的礦區(qū)選取模型，利用我國(guó)西太平洋海山鈷結(jié)殼資源調(diào)查的公開(kāi)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(cè)后驗(yàn)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(yuǎn)景區(qū)，并采用人機(jī)交互式的礦區(qū)圈定方法圈定出符合國(guó)際海底管理局規(guī)章要求的7個(gè)群組共100個(gè)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(gè)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(qǐng)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(tái)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(bǔ)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?jǐn)?shù)尤為顯著，最高可達(dá)1.2%～2.0%，是陸地原生礦鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的20倍以上[4]，是多金屬結(jié)核鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的4倍，比陸地原生鈷礦高幾十倍。自1981年德國(guó)《太陽(yáng)號(hào)》首次對(duì)太平洋萊恩群島進(jìn)行鈷結(jié)殼資源調(diào)查證實(shí)，太平洋較大范圍內(nèi)存在具有經(jīng)濟(jì)潛力的鈷結(jié)殼礦床以來(lái)[3]，多個(gè)國(guó)家都投入大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行了鈷結(jié)殼資源調(diào)查研究。我國(guó)于1999年開(kāi)始由海洋四號(hào)和大洋一號(hào)分別對(duì)麥哲倫海山和中太平洋海山進(jìn)行了富鈷結(jié)殼的系統(tǒng)性調(diào)查工作，已經(jīng)對(duì)北太平洋近赤道海域大約20余座海山進(jìn)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(cè)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(jì)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(gè)富鈷結(jié)殼成礦區(qū)，按照結(jié)殼不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)富集區(qū)的富鈷結(jié)殼資源量進(jìn)行了估算，認(rèn)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(píng)價(jià)旨在獲取評(píng)價(jià)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?jǐn)?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(píng)價(jià)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(guó)際海底管理局大會(huì)通過(guò)《“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(jiǎn)稱(chēng)規(guī)章)，中國(guó)大洋協(xié)會(huì)及時(shí)提交了西太平洋面積約3 000 km2鈷結(jié)殼礦區(qū)申請(qǐng)[9]。筆者結(jié)合規(guī)章對(duì)礦塊的有關(guān)條款要求，利用互聯(lián)網(wǎng)上公開(kāi)的海山數(shù)據(jù)和鈷結(jié)殼調(diào)查資料，采用人機(jī)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(jiǎn)稱(chēng)Govorov海山)鈷結(jié)殼遠(yuǎn)景區(qū)和可供申請(qǐng)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(xiàn)[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(jì)的亞堿性玄武巖及新第三紀(jì)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(kāi)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(wàn)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(huì)議審議通過(guò)[12]。筆者收集的海山地形資料來(lái)自于俄羅斯海底地理實(shí)體命名申請(qǐng)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(guó)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(xiàn)走向和地理位置信息，利用Global Mapper軟件對(duì)圖1的tiff格式圖像進(jìn)行地理坐標(biāo)配準(zhǔn)，生成Geotiff格式圖像(圖2)并加載到ArcMap，對(duì)所有水深線(xiàn)進(jìn)行矢量化并賦予水深屬性形成線(xiàn)shape圖層，導(dǎo)出經(jīng)緯度坐標(biāo)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(guó)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(jì)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(guó)際海底管理局公布的結(jié)殼數(shù)據(jù)和公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)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(diǎn)。我國(guó)在Govorov海山結(jié)殼靶區(qū)實(shí)施DY95-9航次中共進(jìn)行了11次成功的測(cè)站調(diào)查[13]，在M17D-1等測(cè)站取得了典型的三層構(gòu)造結(jié)殼[14]。收集的9個(gè)鈷結(jié)殼地質(zhì)采樣站位[6]中3個(gè)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(gè)站位取樣分析28個(gè)(表1)，均為板狀結(jié)殼?？梢酝茢?，9個(gè)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(wú)法準(zhǔn)確在水下定位，其采樣結(jié)果僅僅代表拖網(wǎng)行進(jìn)軌跡，大洋地質(zhì)采樣實(shí)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(jì)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(lèi)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?jǐn)?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(fēng)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(lèi)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(lèi)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)測(cè)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?jǐn)?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?jǐn)?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?jǐn)?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(gè)大型的主體海山和兩個(gè)小型的伴生海山三部分組成(圖3)，南北長(zhǎng)約155 km，東西164 km，以5 000 m等深線(xiàn)圈閉山體面積21 948 km2。主體海山發(fā)育大型的山頂平臺(tái)，最淺水深1 420 m，主體為2 000 m等深線(xiàn)圈閉，面積為3 046 km2，山頂平臺(tái)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(zhǎng)軸呈東西向，長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)軸長(zhǎng)約40 km，其周?chē)狡露盖停粬|南部的小型平頂山，山頂西北向長(zhǎng)軸長(zhǎng)約34 km，周?chē)狡露盖停c其緊鄰東南側(cè)發(fā)育一個(gè)小型海山。

3 Govorov海山遠(yuǎn)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(shuō)明鈷結(jié)殼厚度分布具有顯著的“斑點(diǎn)”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(yuǎn)景區(qū)，是礦區(qū)圈定和資源評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確度也決定了礦區(qū)圈定的合理性和資源評(píng)價(jià)的精度。遠(yuǎn)景區(qū)圈定的任務(wù)是在作為研究對(duì)象的結(jié)殼礦體的范圍內(nèi)，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)劃分出若干單獨(dú)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(bǔ)目標(biāo)海山資料不足，不妨在海底海山鈷結(jié)殼的分布規(guī)律認(rèn)識(shí)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(yuǎn)景區(qū)。

表1 Govorov海山富鈷結(jié)殼分層樣品地質(zhì)特征及時(shí)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?jǐn)?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(wú)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(diǎn)”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(duì)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(duì)應(yīng)[7,18]，海山山頂沉積層尖滅的地方即是富鈷結(jié)殼開(kāi)始出現(xiàn)的上界。多類(lèi)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(zhǎng)，僅零星分布結(jié)殼和結(jié)核；無(wú)礦區(qū)段基本上是由有孔蟲(chóng)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(zhǎng)。鈷結(jié)殼富集地帶一般位于800～2 500 m[1]，地形對(duì)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(gè)重點(diǎn)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(méi)有足夠的時(shí)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(jì)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(wàn)年生長(zhǎng)。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?jǐn)?shù)對(duì)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(xiàn)[20]，11個(gè)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(duì)空間決策分析特點(diǎn)做了改進(jìn)，如目標(biāo)圖層的定義、圖層權(quán)系數(shù)的確定、圖層獨(dú)立性的檢驗(yàn)等，在礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)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(cè)事件出現(xiàn)的概率，得到評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值為0～1的后驗(yàn)概率圖即為目標(biāo)區(qū)該類(lèi)礦產(chǎn)的成礦潛力圖；把大于某一后驗(yàn)概率臨界值的單元圈定出來(lái)，該單元即為該類(lèi)礦產(chǎn)的潛力靶區(qū)[25]。在ArcGIS軟件arcmap下運(yùn)行arcSDM(spatial data modeller)[26]軟件，計(jì)算所有證據(jù)圖層對(duì)目標(biāo)圖層的權(quán)系數(shù)，再將訓(xùn)練區(qū)點(diǎn)圖層、證據(jù)圖層、權(quán)系數(shù)表三者進(jìn)行關(guān)聯(lián)，計(jì)算相應(yīng)的圖層，即可得到評(píng)價(jià)的后驗(yàn)概率圖，把大于后驗(yàn)概率臨界值的單元圈定出來(lái)，即獲得有利找礦靶區(qū)。

綜合目標(biāo)海山的資料情況，覆蓋率、含水率和品位無(wú)足夠資料，故暫選擇坡度、水深和采樣站位資料作為實(shí)驗(yàn)分析圖層。選取具有采樣站位為矢量點(diǎn)訓(xùn)練圖層，厚度≥4 cm的站點(diǎn)作為已知礦床訓(xùn)練點(diǎn)，不足4 cm的站點(diǎn)為非礦床點(diǎn)。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(xiàn)從1 500～5 000 m，間隔為100 m；坡度等值線(xiàn)從0°～32°，間隔為1°。將生成的水深和坡度等值線(xiàn)區(qū)圖層轉(zhuǎn)成整數(shù)柵格后，再進(jìn)行分類(lèi)形成水深和坡度證據(jù)圖層。調(diào)用arcSDM的WofE-LR功能，對(duì)指定的證據(jù)圖層計(jì)算預(yù)測(cè)出的訓(xùn)練礦床、證據(jù)正權(quán)(w+)、正權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差s(w+)、證據(jù)負(fù)權(quán)(w-)、負(fù)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差s(w-)、襯度系數(shù)(即對(duì)比度)C、對(duì)比度標(biāo)準(zhǔn)差s(C)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，將結(jié)果存入DBF文件。C作為衡量證據(jù)圖層對(duì)礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重要性的指標(biāo)，表示礦點(diǎn)圖層同證據(jù)圖層的關(guān)聯(lián)性越大越好[25]。評(píng)價(jià)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(yuǎn)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(cè)后驗(yàn)概率圖，把劃分出的若干子區(qū)域分為3種類(lèi)型，即I級(jí)區(qū)(符合標(biāo)準(zhǔn)查明的資源潛力大的區(qū)域)、II級(jí)區(qū)(有資源潛力需進(jìn)一步調(diào)查區(qū))和結(jié)殼空白區(qū)(查明的無(wú)結(jié)殼資源潛力的區(qū)域)。站位外推法有2種方案：符合標(biāo)準(zhǔn)的采樣站與不符合標(biāo)準(zhǔn)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(gè)采樣站位含礦參數(shù)的影響，確定遠(yuǎn)景區(qū)邊界；符合標(biāo)準(zhǔn)的采樣站與無(wú)礦段毗鄰，遠(yuǎn)景區(qū)邊界通過(guò)采樣站之間的中間線(xiàn)。在ArcGIS軟件中，疊加地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)、水深等值線(xiàn)、坡度等值線(xiàn)和站位等圖層，對(duì)站位圖層取距站點(diǎn)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(jí)區(qū)4個(gè)，面積為983 km2；II級(jí)區(qū)6個(gè)，面積為1 053 km2；結(jié)殼空白區(qū)3個(gè)，面積為298 km2。

規(guī)章對(duì)結(jié)殼申請(qǐng)涵蓋區(qū)塊的基本要求包括: 1)“鈷結(jié)殼區(qū)塊”是指國(guó)際海底管理局規(guī)定的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)格單元，可以是正方形或長(zhǎng)方形，面積不超過(guò)20 km2；2)每一份請(qǐng)求核準(zhǔn)勘探鈷結(jié)殼工作計(jì)劃的申請(qǐng)書(shū)所涉區(qū)域由不超過(guò)150個(gè)鈷結(jié)殼區(qū)塊組成，這些區(qū)塊應(yīng)排列為組群；3)5個(gè)毗連鈷結(jié)殼區(qū)塊構(gòu)成一個(gè)鈷結(jié)殼區(qū)組群。在任何一點(diǎn)相接觸的2個(gè)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(gè)不超過(guò)550 km×550 km的地理區(qū)域內(nèi)。如何在Govorov海山參照上述遠(yuǎn)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(chēng)為網(wǎng)格微分法和人機(jī)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(biāo)系下的等面積投影，生成覆蓋所有遠(yuǎn)景區(qū)的由若干劃分為20 km2大小的網(wǎng)格組成的目標(biāo)區(qū)圖層。調(diào)用“create fishnet”和“feature to polygon”功能，生成邊長(zhǎng)為4 472.13 m的正方形網(wǎng)格礦塊區(qū)域圖層，再和分類(lèi)遠(yuǎn)景區(qū)疊加分析，刪除與遠(yuǎn)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(gè)分析對(duì)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(mǎn)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(jī)交互式礦區(qū)圈定法。此法借鑒了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中多邊形的種子填充算法，即把遠(yuǎn)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(gè)像素(區(qū)塊)，可以通過(guò)左、右、上、下4個(gè)方向移動(dòng)的四聯(lián)通區(qū)域，從4個(gè)方向?qū)ふ蚁乱粋€(gè)區(qū)塊，又稱(chēng)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(yuǎn)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(jī)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(yùn)用網(wǎng)格微分法生成網(wǎng)格后，先刪除與遠(yuǎn)景區(qū)有利區(qū)不相交(包括空白區(qū))的網(wǎng)格區(qū)塊，對(duì)余下的248個(gè)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(gè)區(qū)塊并對(duì)部分區(qū)塊適當(dāng)移動(dòng)。運(yùn)用網(wǎng)格微分法和人機(jī)交互式礦區(qū)圈定法分別圈定100個(gè)單個(gè)區(qū)塊的面積為20 km2(長(zhǎng)寬均約為4 472 m)的鈷結(jié)殼礦塊。兩種方法均圈出7個(gè)礦塊群100個(gè)礦塊(圖7)總面積為2 000 km2結(jié)殼礦區(qū)，分別與遠(yuǎn)景區(qū)進(jìn)行相交(intersect)分析,得到2 000 km2區(qū)域的含礦區(qū)?；诰W(wǎng)格微分法和人機(jī)交互礦區(qū)圈定法兩種礦區(qū)圈定方法所得到的100個(gè)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(yuǎn)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(zhǎng)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(huì)覆蓋少量非礦區(qū)；運(yùn)用人機(jī)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(jī)交互礦區(qū)圈定法更靈活而具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 Govorov海山鈷結(jié)殼資源量

鈷結(jié)殼資源量估算和資源評(píng)價(jià)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(jì)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(píng)價(jià)的主要指標(biāo)之一。結(jié)殼資源評(píng)價(jià)方法的選取與調(diào)查程度有關(guān)，在預(yù)查和普查階段測(cè)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(jì)法誤差太大，而算術(shù)平均法可滿(mǎn)足評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)宜采用算術(shù)平均法，能較好地滿(mǎn)足階段評(píng)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(jìn)的資源量計(jì)算方法，其原理是將一個(gè)礦體投影到一個(gè)平面上，根據(jù)礦石種類(lèi)、品位和儲(chǔ)量級(jí)別等地質(zhì)特征的不同，將一個(gè)礦體劃分為若干個(gè)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(gè)塊段的資源量，各塊段資源量的總和即為整個(gè)礦體的資源量。按照水深范圍計(jì)算結(jié)殼資源量是采用地質(zhì)塊段法對(duì)海山資源進(jìn)行的初步評(píng)價(jià)方法之一。資源量計(jì)算的算法基本流程：選擇待計(jì)算的區(qū)域圖層，添加其面積和坡度屬性，調(diào)用查詢(xún)站位圖層或數(shù)據(jù)庫(kù)，遍歷區(qū)域圖層的每個(gè)區(qū)塊或水深段區(qū)域計(jì)算其結(jié)殼厚度、豐度和金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)等要素的平均值，最終獲得礦區(qū)的資源量[33](表7)。對(duì)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(méi)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(méi)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?jǐn)?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(jī)交互礦區(qū)圈定法圈定的100個(gè)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(gè)大型的主體海山和兩個(gè)小型的伴生海山三部分組成，南北長(zhǎng)約155 km，東西164 km，以5 000 m 等深線(xiàn)圈閉山體面積21 948 km2。主體海山發(fā)育大型的山頂平臺(tái)，主體為2 000 m等深線(xiàn)圈閉，面積為3 046 km2，山頂平臺(tái)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(gè)區(qū)塊結(jié)殼資源量

2)證據(jù)權(quán)法評(píng)價(jià)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(yuǎn)景區(qū)的外邊界，將戈沃羅夫蓋特平頂海山劃分為3種類(lèi)型區(qū)域，即I級(jí)區(qū)(符合標(biāo)準(zhǔn)查明的資源潛力大的區(qū)域)4個(gè)，面積為983 km2、II級(jí)區(qū)(有資源潛力需進(jìn)一步調(diào)查分析區(qū))6個(gè)，面積為1 053 km2和結(jié)殼空白區(qū)(查明的無(wú)結(jié)殼資源潛力的區(qū)域)3個(gè)，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(jì)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(yuǎn)景區(qū)圈定的100個(gè)長(zhǎng)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(qǐng)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(guó)大洋協(xié)會(huì)資助項(xiàng)目 (DYXM-125-25-02); 海洋公益項(xiàng)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(píng)價(jià).吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(6):1642-1656.

Cheng Yongshou, Jiang Xiaodian,Song Shiji,et al. Delineation of Cobalt Crust Blocks and Estimation of Co-Rich Crust Resource of Govorov Guyot，Magellan Seamounts,Pacific Ocean.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(6):1642-1656.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201506108.