Relation of the distribution of bottom polymetallic manganese nodules to multibeam backsactter in West Pacific
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摘要:
西太平洋高丰度高覆盖率多金属结核的发现受到各国学者的高度关注，如何高效探测不同覆盖率和丰度的多金属结核分布特征是目前研究的重点。利用EM122多波束回波强度资料对西太平洋海盆结核分布特征进行分析，结果表明，回波强度的高低变化与结核覆盖率关系密切，而当结核覆盖率相当时，回波强度的高低变化反映了结核的粒径大小，其中大型结核（直径D>6 cm）较多时，回波强度值明显增大。利用最大似然分类方法对回波强度资料进行监督分类，得出深海沉积物、低丰度、中等丰度和高丰度结核空间分布，结果显示，深海粘土沉积区与丰度>>30 kg/m2的高丰度结核分布区多回波强度差异高达近20 dB。
Abstract:As the discovery of high abundance and high coverage of manganese nodules in West Pacific has attracted much attention of many countries, how to detect the distribution characteristics of manganese nodules with different coverage and abundance is the focus of current research.In our project, the multibeam backscatter intensity data acquired by EM122 system were used to analysis the distribution characteristics of nodules.The results indicate that the change of backscatter intensity is closely related to nodule coverage, while when the coverage is equal, the change of backscatter intensity reflects the size of the nodule, and when nodules are large (D>6 cm), the backscatter intensity increases obviously.Then the maximum likelihood supervised classification method was used to classify the backscatter intensity data.The results of classification reveal that spatial distribution of sediment, low abundance, medium abundance and high abundance nodules. Significantly, in the deep-sea basin, whereas obvious high-backscatter values are observed on areas of clay deposit, the important difference in backscatter between two geological classes is nearly 20 dB which are pelagic clay sediments and nodules with high abundance around 30 kg/m2 in the deep sea basin.
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Key words:
- backscatter intensity /
- manganese nodules /
- abundance /
- seafloor acoustic classification /
- West Pacific
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多金属结核是重要的海底固体矿产资源，也是人类发现最早的大洋矿产资源，近年来，西太平洋高丰度结核的发现[1-5]引起了各国学者的高度关注。目前主要采用地质取样、海底视像、声学探测等技术手段对其进行勘探和评价。就声学探测技术而言，诸多学者对其在多金属结核勘探方面的应用开展了相应研究。Spiess[6]最早对单频率声波探测结核分布进行了研究；Magnuson等[7]利用多频探测推断结核的大小和丰度；Moustier[8-9]利用SeaBeam多波束回波强度资料对太平洋CC区多金属结核进行了初步研究，认为多金属结核分布区与深海软泥分布区存在11 dB的回波强度差异，并认为多波束资料在多金属结核覆盖率估算方面具有较好的应用前景；Huggett等[10]与Scanlon等[11]利用GLORIA深水远程拖曳式地质声呐资料对大西洋多金属结核分布区进行了划分，认为多金属结核分布区表现为中等强度的回波强度灰度值；Weydert[12]利用Scripps海洋研究所的深拖侧扫声呐资料对CC区多金属结核分布进行了详细研究，对不同大小的多金属结核和远洋沉积的回波强度特征及它们在不同频率声波下的响应进行了分析，认为频率在15 kHz以上的回波强度资料能够较好地区分多金属结核和深海软泥的分布；Chakraborty等[13]研究了印度洋多金属结核区的回波强度特征，主要分析了沉积物的粗糙度，并将分析结果应用到多金属结核覆盖区，表明多金属结核覆盖区的粗糙度较小；Thomas[14]利用多波束回波强度数据对CC区德国多金属结核申请矿区的结核分布进行了详细研究，结果显示，结核分布区表现为中等强度回波强度声纳图像值(70~140)，并利用76个箱式取样对分析结果进行了验证。日本学者Machida等[4-5]在西太平洋南鸟岛附近海盆利用多波束回波强度数据，并结合地质取样和海底摄像，发现了高覆盖率和高丰度多金属结核资源，认为回波强度高值与高丰度的多金属结核分布密切相关。这些学者对声学探测(多波束和侧扫声呐)在多金属结核勘探中的应用进行了较详细的研究，基本认为多金属结核分布区总体表现为中等强度的回波强度特征。中国多金属结核资源勘探始于20世纪80年代，限于当时的技术手段，声回波探测技术并未被真正重视。近年来，Tao等[15]利用SeaBeam多波束回波强度资料对东太平洋中国多金属结核合同区的结核资源进行了初步研究，认为入射角大于20°的回波强度与理论分析结果一致性很好。
2015年和2016年，中国地质调查局广州海洋地质调查局“海洋六号”船在太平洋分别开展了中国大洋36和41航次科学考察，利用EM122多波束系统采集获得了大量的高精度测深和回波强度资料。在此背景下，本文利用多波束回波强度资料，并结合海底视像和地质取样资料，识别多金属结核空间分布，初步分析了不同覆盖率和丰度的多金属结核分布区与多波束回波强度之间的定量关系，并进行声学底质分类研究，得到研究区深海粘土沉积和不同丰度的多金属结核等底质类型分布状况。
1. 数据来源
1.1 数据采集
“海洋六号”船执行了中国大洋36和41航次科学考察，利用EM122多波束系统在太平洋海盆区获取了高精度测深和回波强度数据。该多波束系统由广州海洋地质调查局2009年从挪威Kongsberg公司引进，是第四代深水多波束系统的代表，不仅能够获取海底高精度测深资料，而且可获取用于了解海底底质特征的回波强度资料。海况、海流、航向、发射模式、条幅开角等均会对测深和回波强度数据的采集产生影响，特别是海况和海流对回波强度数据的采集影响较大，经采集试验认为：在浪高小于1.5 m，风力小于3级作业时，流速流向对回波强度数据采集影响均不大，回波强度数据质量较好，船速可以控制在10节左右，波束开角可以适当增加至65°；在1.5 m < 浪高 < 2 m，3级 < 风力 < 5级作业时，流向对回波强度数据采集影响较大，顺流作业时数据质量较好，逆流作业时波束丢失现象较明显，数据质量较差，船速需控制在8节以内，波束开角可适当控制在50°左右；当浪高大于2 m，风力大于5级时，不适合野外数据采集，无法获得较高质量的回波强度数据。同时，利用6000 m级海底视像系统获取了研究区高清视像资料，利用50型箱式取样器获取了研究区多金属结核丰度与覆盖率及深海沉积分布等信息。
1.2 数据处理
多波束声呐获取床表的背散射数据，处理后形成海底背散射图像，该图像可用于底质声学性质的反演及分类。在EM系列仪器中，波束强度数据对应EM公司定义的Beam Intensity数据，片段回波数据对应定义的Seabed Image数据。此次利用结合业界主流的GeoCoder处理器进行数据处理及分析，处理流程及参数设置见图 1和图 2。
回波强度数据处理主要分为辐射畸变改正与角度响应移除2个步骤。辐射畸变改正根据处理顺序的前后分为换能器增益的改正、传播损失、吸收、照射面积改正和波束模式改正，其中换能器增益改正、照射面积改正、波束模式改正与仪器硬件相关，传播损失、吸收与海水中温度、盐度、压强相关，采用默认参数。
辐射畸变改正步骤为：波束模式改正需选择一片坡度很小、底质单一的测区所覆盖的测线，利用实测的角度响应曲线与理论的角度响应曲线相比，确定波束模式改正值，建立波束模式文件，然后在后续的辐射畸变改正过程中导入该文件即可。照射面积改正需勾选加载测深格网数据surface，解算实际海底入射角及该区域的局部坡度。
角度响应是多波束后向散射数据固有的属性，后向散射的强度与波束的入射角、频率、海水与底质交界面的性质、底质的声学性质密切相关。对于声呐镶嵌图，角度响应特性造成图像视觉上的障碍，应移除，针对底质声学反演及底质分类应保留。软件中提供了3种角度响应移除的方法，由于测区地形变化剧烈，坡度大，处理过程中选择了软件推荐的自适应移除算法，滑动窗口设置为默认值300。
2. 地形与回波强度特征
经过多波束测深和回波强度数据处理，分别得到了研究区地形和回波强度处理结果，揭示了研究区的地形地貌和回波强度特征，数据网格间距为100 m×100 m，地形地貌和回波强度图分别对应图 3和图 4。
2.1 地形地貌特征
研究区位于西太平洋麦哲伦海山群北部海山山间盆地，处于海山宽缓斜坡底部至深海盆地过渡地带(图 3)，水深在5380~5755 m之间变化。中部存在南北延伸约30 km，东西宽约40 km的宽缓隆起，其水深大致在5600~5700 m之间变化，该隆起两侧为平坦的深海盆地，水深大致在5700~5750 m之间。坡度图(图 5)显示，研究区内整体比较平缓，坡度在0°~13°之间变化，平均坡度为0.4°，绝大部分区域坡度均在1°以内。
2.2 回波强度特征
原始回波强度图(图 4)显示，研究区回波强度值在-60~-10 dB之间，西侧海盆表现为明显的低值特征，其值大致在-60~-40 dB之间，平均值约为-44 dB；宽缓斜坡及其西侧海盆总体表现为回波强度高值特征，其值大致在-32~-22 dB之间，平均值约为-28 dB；东侧及南部海盆大部表现为中等回波强度特征，其值大致在-40~-32 dB之间，平均值约为-35 dB。
为了消除随机噪声的影响和反映研究区回波强度宏观特征，利用多次迭代滑动平均法对原始回波强度数据进行了平滑滤波处理，得到滤波后的回波强度图(图 5)显示，回波强度值主要在-52~-20 dB之间变化，更好地反映了研究区的回波强度宏观特征。大致可分为西部海盆回波强度低值区(-52~-40 dB)、东部及南部中等回波强度值区(-40~-30 dB)、中部隆起回波强度高值区(-30~-20 dB)，其中研究区东北端存在面积约300 km2的回波强度值大于-25 dB的全区最高值区域。
3. 多金属结核与回波强度关系及声学底质分类
3.1 结核覆盖率与回波强度
海底视像和箱式调查结果显示，研究区存在高覆盖率的多金属结核资源。为了揭示覆盖率和回波强度之间的对应关系，选取部分视像截图计算了结核视像覆盖率，并与回波强度值进行了综合对比分析(图 7)，结果显示，沉积物分布区表现为明显的回波强度低值特征，中等-高结核覆盖率分布区大体表现为回波强度高值特征。将结核覆盖率(C-Coverage)与回波强度(B-Backscatter)进行对比分析，其中截图1处为明显回波强度低，其值为-45 dB，此处为沉积物分布区，仅有结核零星分布，其覆盖率为2%；截图3处结核覆盖率为47%，回波强度值为-30 dB；截图5处结核覆盖率为62%，回波强度值为-29 dB；截图7处结核覆盖率高达67%，回波强度值为-26 dB。然而，截图8和9处结核覆盖率虽高达72%和70%，但表现为中等回波强度特征，其值分别为-31 dB和-36 dB。
图 7. 结核覆盖率与回波强度对比分析B—回波强度；C—结核覆盖率；D—水深；H—视频截图离底高度Figure 7. Comparison between backscatter and nodule coverage总体来说，沉积物分布区回波强度值小于-40 dB，中—高覆盖率多金属结核(40%~70%)分布区表现为回波强度中—高值(-31~-25 dB)。将结核覆盖率与回波强度进行线性回归分析，回归方程为C=147+2.99×B(C为结核覆盖率，B为回波强度)，相关系数为0.56，标准误差为21.74，F值为31.12，p值为4.72e-007。方差分析如表 1所示，结果显示，回归方程表现为高度显著特征。
表 1. 线性回归方差分析结果Table 1. Result of variance analysis of linear regression方差来源 偏差平方和 自由度 方差 F值 显著性 回归 14700.97 1 14700.97 31.12 高度显著 剩余 31654.02 67 472.448 总和 46354.99 68 | Show Table
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3.2 结核粒径与回波强度
在视像剖面上进行了箱式取样，取样结果(图 8)显示，BC01处结核覆盖率为60%，丰度为18.8 kg/m2，该处的回波强度值为-31 dB，此处结核大部分粒径在3 cm左右，个别粒径为3~6 cm；BC02处结核覆盖率为90%，丰度为52.4 kg/m2，该处的回波强度值为-25 dB，此处结核大部分为中型结核，其粒径在3~6 cm之间，个别为大型结核，其粒径大于6 cm。视像截图(图 8)亦显示BC02处结核粒径明显大于BC01处，大部分为中型—大型结核，由此可见此2处回波强度的差异不仅是由结核覆盖率的差异引起的，而且与该2处的结核粒径大小密切相关。
视像截图7和9处的结核覆盖率分别为67%和70%(图 7)，相差不大，而此两处的回波强度值分别为-26 dB和-36 dB，相差达10 dB。对图像进行分析后可以看出，截图9处的结核粒径基本在3 cm以内，绝大部分为小型结核；截图7处的结核约有半数粒径在6~8 cm之间，为大型结核。此两处的回波强度存在较大差异，进一步表明，当结核覆盖率相当时，回波强度值的大小与结核粒径关系密切。视像截图6、8与9处结核覆盖率几乎一致，结核粒径相同，回波强度却不一样，主要原因来自结核内部的多金属含量差异，回波强度高区域对应的多金属含量较高。同样，由于多金属含量的差异，导致视像截图4和5相比，虽然结核覆盖率一致，结核粒径大小不一致，但是回波强度值相差无几。
3.3 声学底质分类与结核空间分布
(1) 底质分类方法
目前用于声学底质分类的方法主要有非监督分类法和监督分类法。其中非监督分类(即聚类分析)主要是基于数据体存在不同的相似度(亲密程度)，根据观测样找出并计算一些能够度量样品间相似程度的统计量(如相似系数、相关系数等)，按相似性统计量的大小，将相似程度大的聚合到一类，关系疏远的聚合到另一类，直到把所有样本都聚合完毕，形成一个由小到大的分类系统。目前主要的非监督分类方法有K-means算法、ISO算法等。其中ISO聚类算法(即迭代式自组织聚类方法)，首先设定初始聚类中心和聚类数，然后定义相似度准则函数，对全部样本进行调整，调整完毕后重新计算样本均值作为新的聚类中心，经过多次的合并与分裂过程最终完成对像元的聚类分析，从而得到类数较合理的聚类结果。
监督分类是以建立统计识别函数为理论基础，依据典型样本训练方法进行分类的技术，即根据已知训练区提供的样本，通过选择特征参数，求出特征参数作为决策规则，建立判别函数对各待分类数据进行分类。常用的算法有判别分析法和最大似然分类法等，其中最大似然分类法[16]是基于贝叶斯准则的分类错误概率最小的一种非线性分类，是应用较广泛和成熟的一种监督分类方法，其基本原理为：假定训练样本中的数据体近似服从正态分布，利用训练样本可求出各类均值、方差及协方差等特征参数，从而求出总体的先验概率密度函数。在此基础上，反过来求取属于各类的概率，取最大概率对应的类为分类结果。
(2) 底质分类结果与结核分布
利用最大似然分析法(监督分类)对回波强度进行底质分类，并结合海底视像和箱式取样资料，得到了研究区域的底质分类结果(图 9)，其中研究区东侧为沉积物分布区，主要为深海粘土沉积，该区域面积约763 km2，回波强度值在-52.3~-38.4 dB之间，平均值为-42.7 dB，协方差为5.4 dB；东部及南部大部区域为结核低丰度分布区，该区域面积约2020 km2，回波强度值在-38.4~-33.5 dB之间，平均值为-35.5 dB，协方差为1.9 dB；宽缓隆起及其西侧海盆周边区域为结核中等丰度分布区，该区域面积约为1627 km2，回波强度值在-33.5~-28.9 dB之间，平均值为-30.6 dB，协方差为2.0 dB；宽缓隆起大部及西侧海盆局部区域为结核高丰度分布区，该区域面积约为954 km2，回波强度值在-28.9~-20.0 dB之间，平均值为-26.1 dB，协方差为3.9 dB。
在最大似然分类中生成了置信度等级结果(图 10)，用以显示分类置信度，共有4类，置信度等级越低，分类数据与输入特征文件中所存储的任意均值向量距离最短，表示这些数据的分类确定性越高，表示其分类可能性最小。置信栅格中最低的置信度值为4，结果显示，分类总平均置信度为2.0，其中西南部深海粘土沉积类的分类结果具有较高的确定性，东部和南部大部区域的分类结果为中等确定性，北端隆起高丰度结核分布区分类结果确定性最差，还需对回波强度数据进一步深入分析。
4. 结论与展望
利用多波束回波强度数据，并结合海底视像和箱式取样资料，对多金属结核分布与回波强度对应关系进行了分析，研究结果如下。
(1) 结核覆盖率的变化是引起回波强度高低变化的主要原因，两者基本呈正相关关系。
(2) 当结核覆盖率相当时，回波强度的变化亦与结核粒径的大小变化密切相关，当大型结核(直径D>6 cm)分布较多时，回波强度值明显增大。
(3) 研究区内多金属结核分布范围广泛，其中中-高丰度结核分布区面积约2581 km2，占该区域面积的48.1%。
利用多波束回波强度资料能够实现多金属结核资源的高效准确识别，大大提高了结核资源勘探和评价效率，具有良好的应用前景。未来研究的重点是建立回波强度与不同覆盖率、粒径大小和丰度多金属结核的地质-声回波强度定量关系模型，实现多波束回波强度资料在多金属结核识别从定性到定量化应用，服务于国际海底区域多金属结核矿区申请。
致谢
感谢中国大洋36和41航次全体科考队员的辛苦工作。
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表 1 线性回归方差分析结果
Table 1. Result of variance analysis of linear regression
方差来源 偏差平方和 自由度 方差 F值 显著性 回归 14700.97 1 14700.97 31.12 高度显著 剩余 31654.02 67 472.448 总和 46354.99 68
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