程永壽，姜效典，張富元，孫思軍，宋士吉，章偉艷

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266003；2.國(guó)家海洋信息中心，天津300171；3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310012；4.清華大學(xué)自功化系，北京100084）

西太平洋拉蒙特平頂海山富鈷結(jié)殼礦區(qū)圈定與資源量估算

程永壽1，2，姜效典1，張富元3，孫思軍2，宋士吉4，章偉艷3

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266003；2.國(guó)家海洋信息中心，天津300171；3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310012；4.清華大學(xué)自功化系，北京100084）

為能科學(xué)合理、快速量化地圈定出大洋海山鈷結(jié)殼優(yōu)質(zhì)礦區(qū)，本文基于國(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)查的拖網(wǎng)采樣資料，結(jié)合西太平洋海山鈷結(jié)殼分布特征，提出人機(jī)交互式的礦區(qū)圈定方法，對(duì)西太平洋馬爾庫(kù)斯-威克海山區(qū)拉蒙特平頂海山圈定出鈷結(jié)殼資源遠(yuǎn)景區(qū)和符合國(guó)際海底管理局規(guī)章要求的51個(gè)鈷結(jié)殼礦塊，估算出拉蒙特平頂海山和51個(gè)礦塊的鈷結(jié)殼資源量及金屬量，同時(shí)通過(guò)對(duì)拉蒙特平頂海山日本申請(qǐng)礦區(qū)的結(jié)殼資源分布特征分析，表明采用人機(jī)交互式的礦區(qū)圈定方法得出的結(jié)果，不僅能快速定量地圈定出鈷結(jié)殼資源前景較好的礦區(qū)，也為大洋海山鈷結(jié)殼礦區(qū)圈定和資源量估算提供了新方法。

鈷結(jié)殼；資源量；礦區(qū)圈定方法；海洋地質(zhì)

程永壽，姜效典，張富元，等.西太平洋拉蒙特平頂海山富鈷結(jié)殼礦區(qū)圈定與資源量估算［J］.海洋學(xué)報(bào)，2015，37（1）：106—114，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.011

Cheng Yongshou，Jiang Xiaodian，Zhang Fuyuan，et al.Del ineation of cobalt crust blocks and estimation of Co-rich crust resource of Lamont Guyotin the Western Pacific［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（1）：106—114，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.011

1　引言

拉蒙特平頂海山（Lamont Guyot）位于西太平洋馬爾庫(kù)斯-威克海山區(qū)（Marcus-Wake Mountains），南面為馬紹爾群島（Marshall Islands），西南為麥哲倫海山區(qū)（Maggellan Seamounts），東部為中太平洋海山區(qū)（Mid-Pacific Mountains）。馬爾庫(kù)斯-威克海山區(qū)屬于多熱點(diǎn)成因的板內(nèi)巖漿作用的產(chǎn)物，是富鈷結(jié)殼的一個(gè)重要成礦帶，具有“平頂星形海山”的典型形貌特點(diǎn)，平坦山頂以及山脊、山谷相間的山坡形貌［1—3］。富鈷結(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，水深范圍為400～4 000 m，鈷富集地帶一般位于800～2 500 m［1］。富鈷結(jié)殼富含鈷、鎳、鉑、稀土等金屬，其中鈷含量最高達(dá)1.2%，是多金屬結(jié)核鈷含量的4倍，比陸地原生鈷礦高幾十倍。1998年8月，在國(guó)際海底管理局第4屆會(huì)議期間，俄羅斯代表團(tuán)向會(huì)議提出國(guó)際海底區(qū)域除多金屬結(jié)核外，還存在著海底熱液硫化物和富鈷鐵錳結(jié)殼資源，根據(jù)《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》有關(guān)條款（第2章第162條），要求就另兩種資源的勘探制訂規(guī)章規(guī)定。2001年以來(lái)，在國(guó)際海底管理局一系列研討會(huì)和會(huì)議中，均把《“區(qū)域”內(nèi)多金屬硫化物和富鈷結(jié)殼探礦和勘探規(guī)章草案》的準(zhǔn)備作為重點(diǎn)內(nèi)容。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 k m2鈷結(jié)殼礦區(qū)申請(qǐng)［4］。1997年開始由大洋1號(hào)和海洋4號(hào)分別對(duì)中太平洋、馬紹爾海山區(qū)及麥哲倫海山區(qū)進(jìn)行了鈷結(jié)殼系統(tǒng)調(diào)查，已調(diào)查了大約20余座海山，分布在10°～25°N的太平洋海山區(qū)［5］，并進(jìn)行了海山鈷結(jié)殼資源量計(jì)算和前景評(píng)估，優(yōu)選出部分重點(diǎn)海山進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，對(duì)鈷結(jié)殼資源潛力不理想的海山暫時(shí)放棄調(diào)查，其中包括拉蒙特平頂海山。富鈷結(jié)殼礦區(qū)圈定和資源評(píng)價(jià)旨在求取評(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、見礦率、含水率，Mn、Cu、Co、Ni等元素含量，礦區(qū)的面積、坡度和水深。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［6—14］。本文在圈定鈷結(jié)殼礦區(qū)的傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)章對(duì)礦塊的有關(guān)條款要求，提出了人機(jī)交互式的礦區(qū)圈定方法。2013年7月國(guó)際海底管理局審議通過(guò)了日本提交的3 000 k m2富鈷結(jié)殼勘探申請(qǐng)區(qū)，其中包括馬爾庫(kù)斯-威克海山區(qū)拉蒙特平頂海山的51個(gè)礦塊約1 020 k m2礦區(qū)（ISBA/ 19/LTC/4）?；谑占睦商仄巾敽Ｉ解捊Y(jié)殼測(cè)站資料，圈定出面積為1 020 k m2礦區(qū)，并估算了拉蒙特平頂海山和礦區(qū)的結(jié)殼資源量。

2　資料和方法

本文鈷結(jié)殼樣品來(lái)自于西太平洋馬爾庫(kù)斯-威克海山區(qū)（21°～22°N，159°～161°E，水深1 600～6 000 m），共23個(gè)地質(zhì)采樣站位。拉蒙特平頂海山地形資料取自2011年航次調(diào)查，多波束水深測(cè)量設(shè)備型號(hào)為SeaBeam2112.360。全覆蓋的水深數(shù)據(jù)用MB-system軟件經(jīng)過(guò)各種改正、人工編輯去除異常等后處理，生成DTM，再用Fledermaus三維軟件生成海底地形三維圖像。多波束調(diào)查數(shù)據(jù)可靠，并且精度較高，保證了海底地形模型的真實(shí)性。海山坡度為水平面與局部地表之間的正切值。筆者編制軟件模塊利用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。

多波束水深網(wǎng)格數(shù)據(jù)分析：拉蒙特平頂海山沿NW-SE向延伸，長(zhǎng)約123 k m，寬約40 k m，海山頂部水深為1 200 m。水深范圍為1 200～5 000 m，面積約7 000 k m2。拉蒙特平頂海山的山頂可以分成東、西兩部分。西部山頂長(zhǎng)59 k m，寬11.1 k m，面積為864 k m2（1 500 m水深等值線圈閉），山頂內(nèi)分布著許多凹凸不平的小海丘。東部山頂長(zhǎng)37 k m，寬22 k m，面積為658 k m2（按2 000 m水深等值線圈閉），山頂處存在兩座面積約10 k m2的孤立小海山。東、西兩個(gè)山頂形成一個(gè)明顯的階梯平臺(tái)，高差約500 m，山頂平均坡度小于2°。平坦山頂以下至2 500 m等值線內(nèi)是一明顯的陡坡帶，一般為20°左右。2 500 m以深坡度相對(duì)較小，平均值為15°。海山南部坡度較陡，北部坡度漸緩。

收集的23個(gè)測(cè)站全部為拖網(wǎng)采樣，站位主要分布在水深1 700～3 300 m斜坡上。拖網(wǎng)設(shè)備不具備水下定位功能，常用船體的位置來(lái)代替拖網(wǎng)所在的海底位置，導(dǎo)致測(cè)站定位不準(zhǔn)確，測(cè)站位置與相應(yīng)的水深記錄均存在較大差異。拖網(wǎng)采樣作業(yè)時(shí)，均記錄了拖網(wǎng)開始和拖網(wǎng)離開海底時(shí)的經(jīng)度、緯度、水深以及鋼纜與大滑輪垂向之間的夾角θ，利用坐標(biāo)校正公式計(jì)算得到的測(cè)站站位與船體的經(jīng)度、緯度之差，即可計(jì)算出拖網(wǎng)實(shí)際所處的地理位置［15］。富鈷結(jié)殼分為板狀結(jié)殼、礫狀結(jié)殼和鈷結(jié)核3種類型［12，16］。拖網(wǎng)采樣使幾種類型的結(jié)殼彼此混雜，如何計(jì)算各站結(jié)殼的平均厚度將影響對(duì)結(jié)殼分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)和結(jié)殼資源量。調(diào)查資料分析認(rèn)為不同類型的結(jié)殼在空間上出現(xiàn)重疊分布的概率較小，若僅把不同類型結(jié)殼厚度累加作為測(cè)站結(jié)殼的平均厚度顯然與自然事實(shí)不符。拖網(wǎng)采樣中多種類型結(jié)殼共存時(shí)，選擇樣品中具有代表性類型的結(jié)殼厚度作為測(cè)站的平均厚度，或?qū)Σ煌愋偷慕Y(jié)殼厚度進(jìn)行加權(quán)平均。本文采用的測(cè)站鈷結(jié)殼厚度計(jì)算方法為：測(cè)站有板狀結(jié)殼時(shí)采用板狀結(jié)殼厚度；沒(méi)有板狀結(jié)殼，有礫狀結(jié)殼和鈷結(jié)核時(shí)，采用礫狀結(jié)殼厚度；只有鈷結(jié)核測(cè)站采用鈷結(jié)核厚度，即取一種結(jié)殼類型的厚度作為測(cè)站厚度，3種結(jié)殼厚度不累加計(jì)算［12，17］。23個(gè)測(cè)站拖網(wǎng)采樣有3個(gè)測(cè)站為結(jié)膜，其厚度小于0.1 cm，結(jié)殼豐度視為0。20個(gè)測(cè)站結(jié)殼樣品的主要化學(xué)元素含量數(shù)據(jù)均來(lái)自于X射線熒光分析法。經(jīng)過(guò)處理后，得到了用于結(jié)殼資源量計(jì)算的數(shù)據(jù)集，拉蒙特平頂海山鈷結(jié)殼地質(zhì)采樣數(shù)據(jù)包括：站號(hào)、經(jīng)度、緯度、水深、基巖、結(jié)殼含水率、結(jié)殼密度、厚度、豐度、和Fe、Mn、Cu、Co、Ni等主要化學(xué)元素百分含量。

站位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，拉蒙特平頂海山在淺水區(qū)（1 700～1 900 m）比較多見碳酸鹽巖、磷塊巖、泥巖、燧石、礁灰?guī)r等沉積巖，出現(xiàn)率為57%，深水區(qū)（2 500～3 300 m）則富集火山巖，包括玄武巖、火山角礫巖、火山碎屑巖，出現(xiàn)率為100%。1 900～2 500 m之間缺乏取樣資料，基巖狀況不明。據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)，拉蒙特平頂海山火山巖和沉積巖上生長(zhǎng)的結(jié)殼厚度基本一致，平均厚度均為2.65 cm，屬薄層型結(jié)殼。拉蒙特平頂海山結(jié)殼常見中厚層單至雙層板狀，結(jié)殼厚度的分布大體以159°50′E為界分東、西兩區(qū)，兩區(qū)的結(jié)殼厚度有著明顯的差異（圖1）。159°50′E以西14個(gè)測(cè)站中板狀結(jié)殼平均厚度為2 cm；以東的9個(gè)測(cè)站板狀結(jié)殼平均厚度為4 cm，位于坡度相對(duì)較陡的上斜坡的2個(gè)測(cè)站的結(jié)殼厚度大于6 cm，屬厚層板狀結(jié)殼。

拉蒙特平頂海山鈷結(jié)殼的Co含量為0.50%～ 0.86%，平均值為0.63%（表1），與太平洋其他海山Co的平均百分含量基本一致。Co含量的頻率分布曲線呈單峰式，峰值位于0.50%～0.70%。Co含量大于0.50%和大于0.60%的樣品比例分別為91%和61%，其他主要金屬元素平均值為Fe 16.00%，Mn 21.63%，Ni 0.42%和Cu 0.13%。

圖1　拉蒙特平頂海山地質(zhì)采樣鈷結(jié)殼厚度直方圖Fig.1 Histogram of cobalt crust sample thickness of Lamont Guyot

表1　拉蒙特平頂海山富鈷結(jié)殼主要金屬元素含量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Main metal contents of Co-rich crusts of Lamont Guyot

3　遠(yuǎn)景區(qū)圈定

富鈷結(jié)殼礦體在海底呈片狀、環(huán)狀和斑狀3種分布，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）［18］。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。

地形對(duì)富鈷結(jié)殼覆蓋率、產(chǎn)狀、形態(tài)具有明顯的控制作用，坡度太緩和太陡不利于結(jié)殼的生長(zhǎng)發(fā)育［17］。拉蒙特平頂海山的頂面一般較大且平坦，一般認(rèn)為，山頂由穩(wěn)定的沉積層（有孔蟲砂）構(gòu)成，早期形成的結(jié)殼往往被后期的沉積物覆蓋，因此，結(jié)殼分布的上界通常與沉積物分布的下界（尖滅處）有關(guān)［19］。礦體的上部邊界為平頂海山頂面松散沉積物發(fā)育的下部邊界，礦體的下部邊界為3 000 m等深線。潘家華1））潘家華，等.大洋“十一五”研究課題內(nèi)部報(bào)告——大洋富鈷結(jié)殼生長(zhǎng)與富集特征研究［R］.認(rèn)為海山斜坡只是結(jié)殼的分布場(chǎng)所，近山頂?shù)摹碍h(huán)狀”分布模式僅為結(jié)殼富集的一般規(guī)律，高品質(zhì)結(jié)殼在海山上主要呈現(xiàn)為“隆起帶效應(yīng)”、“窄脊效應(yīng)”和“坡折區(qū)效應(yīng)”等的富集模式和富集特征。在拉蒙特平頂海山的西北方向緊鄰的所謂尖頂海山上發(fā)現(xiàn)的結(jié)殼類型主要為連續(xù)性好的中厚層板狀結(jié)殼，結(jié)殼的豐度、覆蓋率等也均優(yōu)于此平頂海山。23個(gè)測(cè)站基本分布于拉蒙特平頂海山的斜坡上，面積多達(dá)1 520 k m2山頂上數(shù)據(jù)幾乎為空白，特別是沒(méi)有淺鉆站位，無(wú)法證實(shí)山頂結(jié)殼的真實(shí)分布情況。

本文將拉蒙特平頂海山4 000 m水深作為遠(yuǎn)景區(qū)的外邊界，把劃分出若干子區(qū)域分為3種類型（見圖2），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。在Arcgis軟件中，疊加地形DTM、水深等值線、站位等圖層，對(duì)站位圖層取距站點(diǎn)5 k m為半徑的緩沖區(qū)分析，在4 000 m水深圈閉區(qū)內(nèi)圈出Ⅰ級(jí)區(qū)4個(gè)，面積為1 531 k m2，2個(gè)空白區(qū)面積為275 k m2，Ⅱ級(jí)區(qū)面積為2 532 k m2。

4　基于勘探規(guī)章的礦塊圈定方法

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 k m2；（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 k m ×550 k m的地理區(qū)域內(nèi)。如何在拉蒙特平頂海山參照上述遠(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，本文稱為網(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 k m2大小的網(wǎng)格組成的目標(biāo)區(qū)圖層。調(diào)用“createfishnet”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。結(jié)殼分布的邊界往往為長(zhǎng)寬不定的條帶狀曲線而且很不規(guī)則，特別是隨地形和空間變化劇烈的區(qū)域如資源分布較好區(qū)域與結(jié)殼空白區(qū)交替出現(xiàn)的區(qū)域，對(duì)于礦塊面積為不超過(guò)20 k m2固定大小礦塊，邊界附近存在的“鋸齒狀”礦塊要滿足規(guī)章條款的選區(qū)模型要求，不可避免地造成落在遠(yuǎn)景區(qū)等目標(biāo)區(qū)以外的不愿意保留的空白區(qū)域面積ΔS過(guò)大，從而帶來(lái)較大的誤差。連片的區(qū)塊局部整體移動(dòng)能減小ΔS，但又可能“動(dòng)一處而引發(fā)全身”。

如何使ΔS盡量小，使圈定的礦區(qū)的資源好的面積盡量大，本文提出了人機(jī)交互式礦區(qū)圈定法（見圖2）。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，又稱為四向算法。如圖3，輸入的矩形區(qū)塊A，可選擇區(qū)塊A的左、右、上、下邊的任意一邊為邊界生成下一個(gè)矩形區(qū)塊Ai（i=1，3為左右；i=2，4為上下），以區(qū)塊A的左邊界Bl為邊生成區(qū)塊A1，再對(duì)區(qū)塊A1在Bl兩端的范圍內(nèi)依據(jù)遠(yuǎn)景區(qū)上下移動(dòng)；區(qū)塊A2、A3和A4類似。本方法的實(shí)現(xiàn)還有一個(gè)關(guān)鍵就是面積，規(guī)章要求單個(gè)區(qū)塊的面積不超過(guò)20 k m2。本方法在圖層設(shè)為地理坐標(biāo)系時(shí)，首個(gè)區(qū)塊的輸入是選擇矩形的一條邊的邊長(zhǎng)為前提，其鄰邊逐步增加若干適當(dāng)大小的Δb，計(jì)算區(qū)塊的地球橢球體表面積［19］，直到區(qū)塊面積滿足要求為止，此時(shí)得到首個(gè)區(qū)塊的坐標(biāo)。采用此法能保證區(qū)塊面積最大又不超過(guò)20 k m2，在地理坐標(biāo)系下若區(qū)塊采用固定長(zhǎng)寬，海山范圍較大時(shí)，必帶來(lái)區(qū)塊的面積變大或變小。與其他區(qū)塊毗連的區(qū)塊輸入方法說(shuō)明：設(shè)區(qū)塊A為已知，要以A的左邊Bl為共邊輸入?yún)^(qū)塊A1，選擇Bl為區(qū)塊A1的已知右邊（已知x2，y1，y2，求x1），x1=x2-n×Δb，計(jì)算判斷區(qū)塊A1的橢球體面積，直到區(qū)塊A1面積滿足要求（S＞20-eps）為止。區(qū)塊A1在y1～y2范圍內(nèi)或向上或向下移動(dòng)時(shí)，仍以A1的右邊為已知邊，計(jì)算其他邊的過(guò)程與前述類似。

圖2　拉蒙特平頂海山鈷結(jié)殼遠(yuǎn)景區(qū)示意圖Fig.2 Sketch of resource perspective areas distribution of Lamont Guyot

圖3　人機(jī)交互礦區(qū)圈定法示意圖Fig.3 Sketch of model of man-machine interactive mining del ineation resource area

本文采用人機(jī)交互礦區(qū)圈定法在拉蒙特平頂海山根據(jù)遠(yuǎn)景區(qū)，圈出4個(gè)礦塊群和51個(gè)礦塊（見圖4b），單個(gè)礦塊的地球橢球體面積為20 k m2（長(zhǎng)寬均約為4 472 m），總面積為1 020 k m2，51個(gè)區(qū)塊平均水深為2 292 m，最大水深為3 500 m；平均坡度為12.3°，最大坡度為21°。拉蒙特平頂海山日本申請(qǐng)區(qū)的單個(gè)區(qū)塊東西長(zhǎng)為5 k m，南北寬為4 k m，共51個(gè)礦塊（見圖4a），總面積為1 020 k m2，平均水深為1 544 m，最大水深為1 990 m，礦塊平均坡度為5.7°，最大坡度為16°，此海山上日本申請(qǐng)區(qū)主要分布在水深1 700 m以淺的平頂海山山頂。左圖中的礦塊編號(hào)順序是先從下至上再?gòu)淖笾劣遗帕?，其圈礦方法同樣是采用上述網(wǎng)格微分法得到規(guī)則網(wǎng)格后，刪除部分礦塊。

5　鈷結(jié)殼資源量估算

鈷結(jié)殼資源量估算和資源評(píng)價(jià)的方法有多種［6］，主要有算術(shù)平均法［7］、地質(zhì)塊段法、加權(quán)平均法、克立格法［7］、最近區(qū)域法［9］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［20］、分形理論法［21—22］和基于網(wǎng)格剖分積分計(jì)算富鈷結(jié)殼資源［14］。鈷結(jié)殼資源量估算和資源評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)有濕結(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等。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)平均法可滿足評(píng)價(jià)精度，通常采用算術(shù)平均法和地質(zhì)塊段法；詳查和勘探階段，隨著數(shù)據(jù)量的增加和調(diào)查網(wǎng)度縮小，應(yīng)用克立格法等地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法可達(dá)到較佳效果，獲得最優(yōu)估計(jì)結(jié)果并給出估計(jì)誤差。從調(diào)查資料分析，拉蒙特平頂海山的結(jié)殼調(diào)查尚處于普查階段，資源評(píng)價(jià)宜采用算術(shù)平均法，能較好地滿足階段評(píng)估精度要求。

圖4　拉蒙特平頂海山礦塊分布圖Fig.4 Distribution of cobalt blocks of Lamont Guyot

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，方法的原理是將一個(gè)礦體投影到一個(gè)平面上，根據(jù)礦石種類、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、豐度和金屬元素百分含量等要素的平均值，最終獲得礦區(qū)的資源量［23］。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。

拉蒙特平頂海山1 200～1 600 m和3 000～4 000 m水深段面積較大（表2），沒(méi)有結(jié)殼采樣資料的水深段取海山結(jié)殼的均值，該水深段濕結(jié)殼量為4 810×104t和7 661×104t，分別占海山資源量的25%和40%。拉蒙特平頂海山濕結(jié)殼資源量為19 340.4×104t（見表3），干結(jié)殼資源量為13 209.4 ×104t，錳金屬量為2 691.1×104t，銅金屬量為15.7 ×104t，鈷金屬量為80.4×104t，鎳金屬量為49.5× 104t，鈷等量金屬量為158.8×104t。拉蒙特平頂海山圈定的51個(gè)礦塊平均坡度為12.3°，平均厚度為2.90 cm，濕結(jié)殼資源量為5 490.97×104t，干結(jié)殼資源量為3 766.41×104t，錳金屬量為775.5×104t，銅金屬量為4.51×104t，鈷金屬量為23.07×104t，鎳金屬量為14.15×104t，鈷等量金屬量為45.66×104t。拉蒙特平頂海山日本申請(qǐng)的51個(gè)區(qū)塊平均坡度為5.7°，表明其主要分布在海山山頂，區(qū)塊內(nèi)僅有2個(gè)拖網(wǎng)采樣站，結(jié)殼厚度不足1 cm，取海山結(jié)殼站位數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算其結(jié)殼資源量為5 071.57×104t。

表2　拉蒙特平頂海山結(jié)殼資源量（按水深）Tab.2 Estimation of cobalt crust resource amount of Lamont Guyot（based on water depth）

續(xù)表2

表3　拉蒙特平頂海山圈定礦區(qū)和日本申請(qǐng)區(qū)結(jié)殼資源量Tab.3 Estimation of cobalt crust resource amount of delineation blocks and Japan application blocks in Lamont Guyot

6　結(jié)論與討論

（1）基于初查階段有限的調(diào)查資料，以水深4 000 m作為遠(yuǎn)景區(qū)的外邊界，將拉蒙特平頂海山劃分為3種類型區(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）、Ⅱ級(jí)區(qū)（有資源潛力需進(jìn)一步調(diào)查分析區(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）。

（2）拉蒙特平頂海山平均坡度為11°，結(jié)殼濕資源量為19 340.4×104t，主要分布在1 700～3 000 m斜坡上，西部結(jié)殼資源分布不如東部；基于拖網(wǎng)站位和遠(yuǎn)景區(qū)圈定的51個(gè)長(zhǎng)寬均約為4 472 m、面積為20 k m2區(qū)塊，符合規(guī)章條款要求，其面積為1 020 k m2，占海山面積的14.5%，結(jié)殼平均厚度為2.30～2.90 cm，濕結(jié)殼資源量為19 340.4×104t，資源量基本正確。山頂上資料少，無(wú)法判斷結(jié)殼分布上邊界，日本在此海山上的申請(qǐng)面積約為1 020 k m2，分布在水深1 700 m以淺山頂，所計(jì)算的資料量的結(jié)果可信度難以判定；日本申請(qǐng)區(qū)位于拉蒙特海山山頂，無(wú)法確定為何其沒(méi)有全部包含此海山的結(jié)殼資源潛力大的東部斜坡。結(jié)殼分布的上界與沉積物分布的下界（尖滅處）有關(guān)和近山頂?shù)摹碍h(huán)狀”分布模式僅為結(jié)殼富集的一般規(guī)律，需要結(jié)合海山實(shí)際具體分析。

（3）與日本采用的網(wǎng)格微分法得到的結(jié)殼申請(qǐng)區(qū)塊礦區(qū)相比，本文的圈定結(jié)果表明所提出的人機(jī)交互式礦區(qū)圈定方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。基于GIS開發(fā)的國(guó)際海域金屬礦產(chǎn)資源礦區(qū)申請(qǐng)輔助軟件實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互礦區(qū)圈定方法，已經(jīng)應(yīng)用于我國(guó)大洋熱液硫化物和富鈷結(jié)殼礦區(qū)申請(qǐng)工作中。

致謝：何高文、馬維林、宋成兵、楊克紅、任向文等專家都為本文的完成給予了幫助，在此表示由衷感謝！

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Delineation of cobalt crust blocks and estimation of Co-rich crust resource of Lamont Guyotin the western Pacific

Cheng Yongshou1，2，Jiang Xiaodian1，Zhang Fuyuan3，Sun Si jun2，Song Shi j i4，Zhang Weiyan3

（1.Ocean University of China，Qingdao266003，China；2.National Marine Data and Information Service，Tianjin300171，China；3.Key Laboratory of Submarine Geosciences，State Oceanic Ad ministration，The Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou310012，China；4.Automation Department of Tsinghua University，Beijing100084，China）

In order to define reasonable and preferable mine area for oceanic Co-rich crust mine appl ication，a new method of man-machine interactive mining del ineation is putforward based on the model of mining selection which was proposed through the International Seabed Authority（ISBA），as well as the crusts distribution of Pacific seamount and the parameter index of mine del ineation.Besides，the prospective areas of Lamont Guyot crusts resources and 51 crust blocks which meet regulations about blocks required by ISBAare del ineated based on the surveying data of Co-rich crust resources on Lamont Guyot by means of dredge haul ing，the amount of Co-rich crust and metal are estimated.Finally，by analyzing the location of areas 51 blocks in this guyot appl ied by Japan in 2013，it is indicated that the results of the man-machine interactive mining del ineation method is more unanimous with the goal of mining del ineation of crusts resource.It provides a new method for oceanic crust cobalt-rich mine appl ication.

Co-rich crusts；resources amount；del ineating method of cobalt crust resources；marine geology

P744

A

0253-4193（2015）01-0106-09

2013-07-22；

2014-09-05。

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，河南省嵩縣人，博士研究生，主要從事海洋地球物理研究。E-mai l：yshcheng@163.com