大洋鈷結(jié)殼資源評(píng)價(jià)的基本方法

章偉艷，張富元，程永壽，殷汝廣，李裕偉，朱克超

(1. 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；2. 國(guó)家海洋信息中心，天津 300171；3. 國(guó)土資源部高級(jí)咨詢中心，北京 100800；4. 國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760)

大洋鈷結(jié)殼資源評(píng)價(jià)的基本方法

章偉艷1，張富元1，程永壽2，殷汝廣2，李裕偉3，朱克超4

(1. 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；2. 國(guó)家海洋信息中心，天津 300171；3. 國(guó)土資源部高級(jí)咨詢中心，北京 100800；4. 國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760)

大洋鈷結(jié)殼資源是一種生長(zhǎng)在海山上的海底礦產(chǎn)資源, 隨著陸地礦產(chǎn)資源的日趨枯竭和人類(lèi)對(duì)海洋認(rèn)識(shí)的日益深化，分布在海山上的鈷結(jié)殼已成為世界各國(guó)矚目的21世紀(jì)具有商業(yè)開(kāi)發(fā)前景的戰(zhàn)略資源。海洋礦產(chǎn)資源和陸地礦產(chǎn)資源在資源評(píng)價(jià)理念、評(píng)價(jià)方法等方面有許多相似之處。但是，在選擇計(jì)算方法和建立理論模型時(shí)必須針對(duì)大洋鈷結(jié)殼資源這一特殊礦床特別對(duì)待。根據(jù)大量實(shí)踐研究工作，系統(tǒng)扼要地介紹了大洋鈷結(jié)殼資源評(píng)價(jià)的基本方法，論述了多元統(tǒng)計(jì)分析(聚類(lèi)分析、因子分析)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)(克里格法)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分析、分形方法以及進(jìn)行鈷結(jié)殼資源評(píng)價(jià)的資源量計(jì)算方法等的原理，并對(duì)實(shí)現(xiàn)雙邊界指標(biāo)（邊界品位、邊界厚度）條件下的鈷結(jié)殼品位-厚度-噸位分析的《大平洋鈷結(jié)殼資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)》軟件開(kāi)發(fā)做了簡(jiǎn)要介紹。

太平洋；鈷結(jié)殼；資源評(píng)價(jià)方法；品位·厚度—噸位關(guān)系圖

鈷結(jié)殼是一種分布于水下500～3 500 m的海山頂部和坡上的殼狀物，其中厚度較厚及鈷含量較高的結(jié)殼主要賦存于800～2 500 m的洋底。洋底富鈷結(jié)殼的鈷含量可達(dá)1%以上，遠(yuǎn)高于陸地鈷礦石的鈷含量(一般低于0.1%)，同時(shí)也含有Ni、Cu、Zn、Pb等金屬元素。此外，鈷結(jié)殼也富含鉑族元素（PGE）和稀土元素（REE），使其價(jià)值高于多金屬結(jié)核。據(jù)初步勘查表明，鈷結(jié)殼中的Co資源量約為3 × 109t，是大陸鈷資源量的359倍。

資源評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)礦產(chǎn)資源的潛力，由資源評(píng)價(jià)工作所做得出的資源潛力并非是勘探工程控制的儲(chǔ)量，而是根據(jù)某些理論和認(rèn)識(shí)（規(guī)律或模型）所推斷的某礦種可能存在的潛在儲(chǔ)量，這種在一定研究基礎(chǔ)上所做的推斷，是制定某一地區(qū)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃和布置找礦勘查力量所不可缺少的依據(jù)[1]。礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)是地質(zhì)工作的主要組成部分，是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的實(shí)用地球科學(xué)，涉及到地學(xué)的各個(gè)方面和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)?！袄孟冗M(jìn)技術(shù)減少勘查風(fēng)險(xiǎn)”已成為礦產(chǎn)資源定量評(píng)價(jià)的趨勢(shì)，以多學(xué)科交叉滲透為特色，減少地質(zhì)模型定量分析的不確定性，探討地學(xué)研究的新方法是當(dāng)代地學(xué)研究的主流[3]。礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)的方法學(xué)是指將描述地質(zhì)體的各類(lèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為礦產(chǎn)資源量這一整個(gè)過(guò)程所涉及到的一切地質(zhì)理論和技術(shù)方法的手段。礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)中所涉及到的地質(zhì)資料的搜集和整理、變量的篩選和處理、評(píng)價(jià)方法的選擇和應(yīng)用、評(píng)價(jià)結(jié)果的地質(zhì)解釋等都屬于礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)范疇。與陸上礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)不同的是，大洋鈷結(jié)殼資源評(píng)價(jià)還涉及到水文氣象、以及國(guó)際政治法律等問(wèn)題。20世紀(jì)80年代中期，國(guó)外學(xué)者致力于鈷結(jié)殼資源量估算及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，提出了一些經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模式[4]。各“深海采礦先驅(qū)投資者”所采用的鈷結(jié)殼資源評(píng)價(jià)方法基本沿用了錳結(jié)核資源評(píng)價(jià)的方法，但是不同國(guó)家所采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法各異，法國(guó)以地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)（克里格法）為主，俄羅斯主要采用最近區(qū)域法，美國(guó)則以記點(diǎn)法對(duì)海底照片進(jìn)行評(píng)估。與陸上礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)相比，鈷結(jié)殼資源評(píng)價(jià)尚處于探索階段。近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)圖像處理技術(shù)的突破，促進(jìn)了各種定量的數(shù)學(xué)地質(zhì)方法如因子分析、聚類(lèi)分析等多元統(tǒng)計(jì)分析的實(shí)踐和研究，隨后比多元統(tǒng)計(jì)分析具有更多優(yōu)點(diǎn)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)在地學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。近幾年，智能化神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分析、分形理論分析等也開(kāi)始在礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用[5]。由于找礦難度和風(fēng)險(xiǎn)日益增大，找礦勘探效率降低，礦床勘查和開(kāi)發(fā)成本逐步提高，人們開(kāi)始探詢礦產(chǎn)勘查的新理論、新技術(shù)和新方法。一些科研機(jī)構(gòu)嘗試?yán)玫乩硇畔⑾到y(tǒng)（GIS)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行了礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)試點(diǎn)[6]。隨著各種新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)，鈷結(jié)殼資源評(píng)價(jià)方法也得到不斷的補(bǔ)充和完善，逐漸形成了一套現(xiàn)行的資源評(píng)價(jià)方法。

1 鈷結(jié)殼資源調(diào)查概況

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，德國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、法國(guó)、澳大利亞、韓國(guó)和日本等國(guó)家都投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行鈷結(jié)殼資源調(diào)查研究，調(diào)查區(qū)域主要位于太平洋的各國(guó)專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)，少部分為國(guó)際水域，1981－2002年鈷結(jié)殼的調(diào)查研究區(qū)域見(jiàn)表1[2]。中國(guó)對(duì)鈷結(jié)殼的調(diào)查起步較晚，1984年首次參加德國(guó)“太陽(yáng)號(hào)中太平洋海山區(qū)鈷結(jié)殼調(diào)查，1987年“海洋4號(hào)”科學(xué)考察船首次采到了鈷結(jié)殼樣品。1997-1998年“大洋1號(hào)”和“海洋4號(hào)”兩艘科考船從海底拖出3t鈷結(jié)殼樣品，拉開(kāi)了中國(guó)鈷結(jié)殼大規(guī)模調(diào)查的序幕。隨后中國(guó)科研人員對(duì)鈷結(jié)殼的物質(zhì)組成、金屬品位及豐度、物理參數(shù)等做了初步分析研究。自1997年以來(lái)，中國(guó)大洋協(xié)會(huì)(COMRA)組織“大洋1號(hào)”和廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋4號(hào)”調(diào)查船在中、西太平洋進(jìn)行了十余個(gè)航次、數(shù)十座海山的鈷結(jié)殼調(diào)查工作，在麥哲倫海山區(qū)、威克－馬爾庫(kù)斯海山區(qū)、馬紹爾群島、中太平洋海山區(qū)和萊恩群島都已發(fā)現(xiàn)資源前景較好的鈷結(jié)殼礦區(qū)。中國(guó)正積極進(jìn)行大洋鈷結(jié)殼資源的勘查和研究，以期縮小與西方國(guó)家的差距，確保我國(guó)在新一輪的國(guó)際海底資源競(jìng)爭(zhēng)與角逐中占有主動(dòng)。

2 多元統(tǒng)計(jì)分析

任何一門(mén)自然科學(xué)都需要對(duì)作為其學(xué)科基礎(chǔ)的觀測(cè)、概念和觀點(diǎn)加以分析、歸納和分類(lèi)，對(duì)地質(zhì)研究的對(duì)象進(jìn)行科學(xué)合理的分類(lèi)，是地學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)主要是根據(jù)少數(shù)變量特征建立一個(gè)定性的概念化分類(lèi)系統(tǒng)。為了能考慮多種變量，使分類(lèi)更精確，這就需要用數(shù)字方法對(duì)地學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)依照數(shù)學(xué)模型中參數(shù)大?。ǜ鶕?jù)相似系數(shù)和判別函數(shù)值的大?。﹣?lái)進(jìn)行分類(lèi)，如因子分析、判別分析等。鈷結(jié)殼成礦元素相互關(guān)系、成礦元素受控因素分析可通過(guò)聚類(lèi)分析和因子分析來(lái)實(shí)現(xiàn)；鈷結(jié)殼資源分布與海山類(lèi)型密切相關(guān)，海山類(lèi)型也可通過(guò)因子分析和聚類(lèi)分析來(lái)確定（圖1）[7]。

3 非線性分析法

3.1 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分析

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的聯(lián)想、容錯(cuò)功能，在地質(zhì)地球物理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。BP網(wǎng)絡(luò)模型是反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱(chēng)，不同于通常意義的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，它不需要對(duì)樣本的分布及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作任何假設(shè)，也不對(duì)樣本統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行估算。它只要一定量的學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本集，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)學(xué)習(xí)（神經(jīng)元并行計(jì)算），可自組織地找到樣本模式與分類(lèi)模式之間的

映射關(guān)系，達(dá)到的效果是網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出與期望輸出之間的匹配誤差為最小。由于環(huán)境的時(shí)空復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，人們還不十分清楚鈷結(jié)殼資源的具體影響因素和各影響因素的相對(duì)貢獻(xiàn)大小。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以隱式的形式實(shí)現(xiàn)控礦因素和成礦之間復(fù)雜的非線性映射關(guān)系，即自動(dòng)找出結(jié)殼的厚度與各控礦因素間的非線性關(guān)系，并合理地在各參數(shù)之間分配權(quán)值[8]，從而為鈷結(jié)殼礦區(qū)圈定、成礦預(yù)測(cè)和資源評(píng)價(jià)提供參考，因而顯示了極大的優(yōu)越性。結(jié)殼厚度是鈷結(jié)殼礦區(qū)圈定的重要參數(shù)之一，依托于鈷結(jié)殼的地理位置、水深、坡度、形成年代、基巖類(lèi)型、成礦環(huán)境等，結(jié)殼厚度隨海山不同及其所處水深不同而有所變化。鈷結(jié)殼厚度的影響因素及其作用是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題，對(duì)于指導(dǎo)鈷結(jié)殼的資源評(píng)價(jià)及礦區(qū)圈定都是極其重要的，因此有必要對(duì)各種控制因素進(jìn)行定量研究。利用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法，挑選經(jīng)度、緯度、水深、坡度、基巖、山體方位、Mn/Fe比值作為輸入影響因子，進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，可以求解難于找到好的求解規(guī)則的問(wèn)題。表2為某海山訓(xùn)練、驗(yàn)證結(jié)果。結(jié)殼厚度的學(xué)習(xí)精度為100%，驗(yàn)證精度為60%，目前的調(diào)查水平約6 km × 6 km，本文認(rèn)為已經(jīng)得到某海山鈷結(jié)殼分布的特征網(wǎng)絡(luò)。將各權(quán)值歸一，結(jié)果表明，坡度、水深、Mn/Fe比值對(duì)厚度影響〔權(quán)值分別為0.200 6、0.195 5、0.173 8〕權(quán)值遠(yuǎn)大于經(jīng)度、基巖、緯度、山體方位（權(quán)值分別為0.129 8、0.124 8、0.094 2、0.081 4）四個(gè)因素的影響，說(shuō)明某海山地形坡度、水深、物質(zhì)來(lái)源對(duì)結(jié)殼的分布有著明顯的控制作用。因此在進(jìn)行礦區(qū)圈定時(shí)，首先應(yīng)考慮坡度、水深、成礦地球化學(xué)環(huán)境對(duì)結(jié)殼成礦的影響，其次是經(jīng)度、基巖，最后為緯度、山體方位。

表1 1981-2002年鈷結(jié)殼的調(diào)查研究航次[2]Tab, 1 Cruises dedicated to the study of ferromanganese crusts, 1981-2002[2]

圖1 海山類(lèi)型聚類(lèi)分析普系圖Fig. 1 Tree diagram of cluster analysis on seamount types

表2 某海山厚度BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)－預(yù)測(cè)值與原始值的比較Tab. 2 Comparison between the survey data and studied and predicted value of the crust thickness from the BP artificial neural networks on a seamount

3.2 分形方法

分形這一概念是法國(guó)當(dāng)代數(shù)學(xué)家B B Mandelbrot于20紀(jì)70年代中期提出的，是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種具有強(qiáng)大生命力的新工具。地質(zhì)現(xiàn)象具有分形結(jié)構(gòu)已經(jīng)是公認(rèn)的事實(shí)，各種礦床的資源量滿足分形分布已被證實(shí)，目前由于對(duì)鈷結(jié)殼的研究程度不高，尚無(wú)法利用分形理論對(duì)鈷結(jié)殼的資源量進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，但是運(yùn)用分形理論對(duì)鈷結(jié)殼資源量評(píng)價(jià)的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析研究，對(duì)資源量評(píng)價(jià)將具有重要意義。由神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分析可知，鈷結(jié)殼厚度受海山坡度、地形影響較大，因此通過(guò)資源與地形空間分布變化及分維異常進(jìn)行分析，可為鈷結(jié)殼資源分布規(guī)律的定量化研究提供一種方法和手段[9-11]。圖2為麥哲倫海山坡度S與鈷結(jié)殼資源量N(S)的散點(diǎn)圖[9]，三條擬合直線方程分別為：lgN(s) = -0.219 3l gs + 3.530 8，r = 0.985 8，0°≤S＜10°；lgN(s) = -1.611 l gs + 4.943，r = 0.979 2，10°≤S＜19°；lgN(s) = -8.090 7l gs +13.234，r =0.987 3，S≥19°。分維數(shù)D1= 0.219 3，D2= 1.611，D3= 8.090 7，分界點(diǎn)坡度為S = 10°、S = 19°。＜10°的坡度-資源量的分維數(shù)是0.219 3，10°≤S＜19°的分維數(shù)是1.611，≥19°的分維數(shù)是8.090 7。坡度大區(qū)域的分維數(shù)大于坡度小的分維數(shù)，說(shuō)明坡度太大不利于鈷結(jié)殼生長(zhǎng)，10°、19°坡度可能是鈷結(jié)殼生長(zhǎng)發(fā)育的海山坡度臨界值。Jeong等[12]認(rèn)為鈷結(jié)殼生長(zhǎng)與海山的穩(wěn)定性有關(guān)，海山塊體崩塌會(huì)破壞和刮掉結(jié)殼，影響結(jié)殼厚度，海山山坡的不穩(wěn)定是導(dǎo)致結(jié)殼與海山年齡巨大差異的主要原因，海山塊體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與結(jié)殼厚度為負(fù)相關(guān)[13]。俄羅斯波格丹諾夫等詳細(xì)研究太平洋海山鈷結(jié)殼后認(rèn)為，鈷結(jié)殼一般形成于水深2 000～2 500 m的基巖表面，海山坡度應(yīng)不超過(guò)20°，坡度＞20°的海山表面僅覆蓋著一層極薄的鐵錳氧化物礦膜[14]，而坡度＜8°的區(qū)域主要分布于水深＜2 000 m的山頂和水深＞3 000 m的坡腳。研究區(qū)水深、坡度、豐度綜合分析結(jié)果表明，坡度18°～20°和水深2 500～-2 800 m分別是西太平洋鈷結(jié)殼分布的海山坡度和水深的臨界值[9]。分形分析得到鈷結(jié)殼分布海山臨界坡度為19°，這與以往“鈷結(jié)殼生長(zhǎng)的良好環(huán)境應(yīng)是海山坡度＜20°、水深＜2 500 m”基本認(rèn)識(shí)相吻合。

圖2 麥哲倫某海山坡度與資源量關(guān)系Fig. 2 Relationship between cobalt crust resource amounts and seamount slope of the Magellan seamount

4 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)是數(shù)學(xué)地質(zhì)領(lǐng)域中一門(mén)發(fā)展迅速且有著廣泛應(yīng)用前景的新興學(xué)科。國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)實(shí)踐表明，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)在異常評(píng)價(jià)、找礦勘探、礦體圈定、儲(chǔ)量計(jì)算、采礦設(shè)計(jì)、礦山生產(chǎn)等方面具有明顯的優(yōu)越性。大洋鈷結(jié)殼資源是一種新型海洋礦產(chǎn)資源，其勘查網(wǎng)度是鈷結(jié)殼資源勘查中首先遇到的、并且必須認(rèn)真解決的一個(gè)問(wèn)題，隨著勘查工作的逐步深入，還需進(jìn)行必要的調(diào)整，使之趨于合理。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的前向法[15]是一種無(wú)需事先對(duì)礦床勘探達(dá)到極高的程度且能事先對(duì)勘探精度做出估計(jì)的方法，因此該法是適合鈷結(jié)殼資源勘查網(wǎng)度確定的一種方法。其原理是依據(jù)估計(jì)方差取決于信息樣品的分布與數(shù)量以及信息點(diǎn)到待估塊段的距離，而不依賴于信息點(diǎn)數(shù)據(jù)的具體數(shù)值[16]。具體做法是：在求出某區(qū)域化變量的變差函數(shù)γ（h）后，確定克里格估計(jì)參數(shù)。然后將研究區(qū)按不同網(wǎng)度劃分為各種網(wǎng)形，計(jì)算每一結(jié)點(diǎn)（測(cè)站）的估計(jì)方差，再計(jì)算各種網(wǎng)形（度）的平均估計(jì)方差。建立克里格標(biāo)準(zhǔn)差與勘查工程量、網(wǎng)度、網(wǎng)形的關(guān)系曲線。曲線由陡變緩處曲率明顯變小，這一段所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)度即是優(yōu)選網(wǎng)度。圖3是中太平洋某海山勘查工程數(shù)(D)與克里格標(biāo)準(zhǔn)差(δK)曲線。根據(jù)估計(jì)方差是勘探網(wǎng)度和網(wǎng)型的函數(shù)這一原理，定量地優(yōu)選出中太平洋某海山的基本控制網(wǎng)度為0.045o × 0.045o、局部控制的最優(yōu)勘查網(wǎng)度為0.045o × 0.022 5o[16]。

圖3 中太平洋某海山勘查工程數(shù)(D)與克里格標(biāo)準(zhǔn)差(δK)曲線Fig. 3 Number of exploration engineering (D) to estimated standard deviation (δK) curve of the mid-Pacific seamount

5 傳統(tǒng)資源量計(jì)算方法

5.1 算術(shù)平均法

算術(shù)平均法是一種傳統(tǒng)的最簡(jiǎn)單的儲(chǔ)量計(jì)算方法。其實(shí)質(zhì)是將整個(gè)形狀不規(guī)則的礦體變?yōu)橐粋€(gè)厚度和質(zhì)量一致的板狀體，即把勘探地段內(nèi)全部勘探工程查明的礦體厚度、品位、礦石密度等數(shù)值，用算術(shù)平均的方法加以平均，分別求出其算術(shù)平均厚度、平均豐度、平均品位和平均體重，然后按圈定的礦體面積，算出整個(gè)礦體的資源量[16]。對(duì)于各指標(biāo)變化不大時(shí)，通常采用算術(shù)平均法；而對(duì)變化系數(shù)極大的指標(biāo)，因常常是由特高值引起，應(yīng)先對(duì)特高值進(jìn)行處理，處理后的指標(biāo)再用算術(shù)平均法進(jìn)行計(jì)算。算術(shù)平均法在錳結(jié)核資源量計(jì)算中得到了廣泛的使用，效果較為理想[17]，該方法同樣可以應(yīng)用于鈷結(jié)殼的資源量計(jì)算。

5.2 地質(zhì)塊段法

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，原理是將一個(gè)礦體投影到一個(gè)平面上，根據(jù)礦石的不同類(lèi)型、不同品級(jí)、不同儲(chǔ)量級(jí)別等地質(zhì)特征將一個(gè)礦體劃分為若干個(gè)不同厚度的理想板塊，即塊段，然后用算術(shù)平均法（品位用加權(quán)平均法）的原則求出每個(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[17]。對(duì)鈷結(jié)殼的勘查研究表明：海山微地貌對(duì)鈷結(jié)殼的分布和厚度有影響，平頂海山橢圓形支脈及其附屬地段上鈷結(jié)殼厚度最大，而在傾斜角度大于20°的陡坡上結(jié)殼變得很薄，甚至僅為鐵錳氧化物薄膜，可見(jiàn)鈷結(jié)殼主要是在坡度小于45°區(qū)，因此主要采用水平投影地質(zhì)塊段法進(jìn)行鈷結(jié)殼的資源量計(jì)算?？紤]到目前鈷結(jié)殼采樣站位少，鈷結(jié)殼一般是沿等深線呈水平條帶狀展布在海山斜坡上，且鈷結(jié)殼品位隨水深而變化，故對(duì)鈷結(jié)殼的塊段劃分暫時(shí)按水深段劃分(表3)[19]，而在各塊段內(nèi)計(jì)算公式采用算術(shù)平均法公式[18]。地質(zhì)塊段法應(yīng)用簡(jiǎn)便，可按實(shí)際需要計(jì)算礦體的不同部分的資源量，通常用于勘探工程分布比較均勻，由單一鉆探工程控制的礦床。

5.3 鄰近區(qū)域法

鄰近區(qū)域法的實(shí)質(zhì)是將形狀不規(guī)則的礦體，人為地簡(jiǎn)化為便于計(jì)算體積的多角形柱體。將礦體劃分為一系列緊密連接的多邊形區(qū)塊，依每個(gè)多角形區(qū)塊中心的工程資料分別計(jì)算其礦產(chǎn)資源量。這種資源量計(jì)算法只有在勘探點(diǎn)分布不均勻，所揭露的礦體厚度、品位相差懸殊，以及礦體形狀極不規(guī)則的情況下才采用的方法，為考慮各工程所影響的權(quán)數(shù)。為了計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，多邊形頂點(diǎn)的選擇有時(shí)也采用內(nèi)插法，這種方法適用于地質(zhì)勘探程度不高，探點(diǎn)分布少，研究程度低的只供遠(yuǎn)景規(guī)劃的資源量計(jì)算，也可用于資源量的概略計(jì)算。如X海山的X05與X06測(cè)站，二站相距3.5 km，但豐度變化很大，X05站的豐度為66.50 kg/m2，X06站的豐度為19.30 kg/m2，勘查程度也不高，因此可以采用鄰近區(qū)域法進(jìn)行資源量計(jì)算。

鑒于鄰近區(qū)域法可以有效地準(zhǔn)確圈定富礦區(qū)，而地質(zhì)塊段法具有用綜合標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確圈定礦區(qū)范圍的優(yōu)點(diǎn)，把二者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行資源量評(píng)估可收到既能獲得礦塊面上信息又能得到其點(diǎn)上信息的功效。因此，可以通過(guò)海山水深-資源量分形、坡度-資源量分形研究找到水深和坡度的分段點(diǎn)，結(jié)合鄰近區(qū)域法對(duì)各海山進(jìn)行資源評(píng)估。表3是將分形方法與地質(zhì)塊段法、鄰近區(qū)域法相結(jié)合綜合應(yīng)用得到的某海山資源量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表3可見(jiàn)，海山不同水深段單位面積資源量變化較大，1 600～3 200 m水深資源較好，＜1 600 m和＞3 200 m水深區(qū)域資源量相對(duì)差一些；也可以看到各海山不同坡度段單位面積資源分布情況也不相同，海山資源集中在9° ～18°之間，即在緩坡和陡坡處結(jié)殼發(fā)育不好。通過(guò)地質(zhì)塊段法與鄰近區(qū)域法相結(jié)合的計(jì)算，可以有效地圈出資源富集地。

表3 某海山分形方法與地質(zhì)塊段法、鄰近區(qū)域法相結(jié)合的綜合應(yīng)用資源量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 3 Statistical result from integrating the neighbor-region technique and geological block approach with fractal method on a seamount

6 雙邊界指標(biāo)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法

品位—噸位關(guān)系曲線是礦床勘探必須附有的重要技術(shù)資料，它被用于確定在任意邊界品位下一個(gè)礦區(qū)的資源量。但在研究鈷結(jié)殼的資源量時(shí)，則需要從結(jié)殼的邊界品位和邊界厚度兩個(gè)因素來(lái)確定資源量，即計(jì)算品位·厚度—噸位關(guān)系圖，在指定任意邊界品位和邊界厚度的情況下，可從品位·厚度—噸位關(guān)系圖上讀取大于該品位和厚度的資源量。品位·厚度—噸位關(guān)系圖的繪制是以設(shè)定的邊界品位和邊界厚度的全程下限所在的平面點(diǎn)為原點(diǎn)，滿足邊界品位、邊界厚度的聯(lián)合累計(jì)概率計(jì)算式為：

圖4 鈷結(jié)殼品位-厚度-累積概率曲線圖Fig. 4 Curve to grade-thickness- probability of the cobalt crust resources

圖5 鈷結(jié)殼品位-厚度-干結(jié)殼噸位圖Fig. 5 Curve to grade-thickness-tonnage of the dry cobalt crust resources

圖6 鈷結(jié)殼品位-厚度-Co金屬量噸位圖Fig. 6 Curve to grade-thickness- metal tonnage of the cobalt crust resources

7 大洋鈷結(jié)殼資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

為實(shí)現(xiàn)鈷結(jié)殼礦區(qū)邊界指標(biāo)（厚度·品位）－噸位動(dòng)態(tài)分析，已開(kāi)發(fā)完成了“大洋鈷結(jié)殼資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)”軟件[20]。本系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)為后臺(tái)、地理信息系統(tǒng)（GIS）為平臺(tái)，利用Windows強(qiáng)大的計(jì)算和圖形繪制功能，選取最優(yōu)算法，采用多種編程和模塊化設(shè)計(jì)，能夠快速方便地定量表現(xiàn)礦區(qū)資源和地形條件；系統(tǒng)界面交互性強(qiáng)，界面友好，操作使用方便。針對(duì)鈷結(jié)殼礦床特點(diǎn)，該系統(tǒng)運(yùn)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)與地理信息系統(tǒng)（GIS）的集成計(jì)算方法，最終實(shí)現(xiàn)鈷結(jié)殼礦區(qū)圈定、面積計(jì)算、資源量計(jì)算、厚度·品位－噸位分析、資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的計(jì)算機(jī)化和可視化。大洋鈷結(jié)殼資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)構(gòu)圖見(jiàn)圖7。

8 結(jié) 語(yǔ)

大洋鈷結(jié)殼資源調(diào)查研究十余年來(lái)，資源評(píng)價(jià)方法日趨完善。大洋鈷結(jié)殼資源廣泛分布于海底大洋的火山上，但并非每個(gè)海山上都有結(jié)殼。要摸清大洋鈷結(jié)殼資源的潛力，僅在研究評(píng)價(jià)方法方面完善是不夠的，必須要開(kāi)展廣泛的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，查明其生儲(chǔ)和分布規(guī)律、資源儲(chǔ)量以及可開(kāi)采的價(jià)值和可行性（包括成本和技術(shù)能力），這將是今后的一個(gè)主要研究方向。

圖7 大洋鈷結(jié)殼資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)構(gòu)圖[20]Fig. 7 Program structure of dynamic evaluation system of oceanic cobalt crust resources[20]

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Method for the evaluation of oceanic cobalt crust resources

ZHANG Wei-yan1, ZHANG Fu-yuan1, CHENG Yong-shou2, YIN Ru-guang2, LI Yu-wei3, ZHU Ke-chao4
(1 Lab of submarine science of SOA, Second Institute of Oceanography of SOA, Hangzhou 310012 China;2 National Marine Information Center, Tianjin 300171, China;3 Consulting and research center ministry of Land and Resources, Beijing 100800, China;4 Second Marine Geological Investigation Brigade of MLR, Guangzhou 510760, China)

Oceanic cobalt crust deposit is a kind of submarine mineral resource growing up on the seamount. With depleting of land mineral resources and human’s deepening understanding of marine resource significance, the cobalt crusts on the seamount have attracted the world′s attention in the 21 century with the strategic resources of the commercial exploitation prospect. Basic theory and method of submarine mineral resources evaluation are similar to those of the land mineral resources. However, it should be thoughtful to select mathematical function and to construct theory model based on cobalt crust deposit. The foundational theory and method of cobalt crust resources evaluation has been briefly introduced. The principle and the advantage of the resources evaluation methods such as multivariate statistical method (including cluster analysis, factor analysis), Geostatistics (Kriging), neural network analysis, fractal methods and resources calculation methods of the cobalt crust resource evaluation are respectively described in detail.The software of “dynamic evaluation system of cobalt crust resources” has been developed by authors for realizing the computerized mobile analysis of indices (grade-thickness-tonnage) on the cobalt crust resource amounts and its program structure is shown in the paper.

Pacific; cobalt crust; resources evaluation method; grade-thickness-tonnage curves

P744

A

1001-6932(2010)03-0342-09

2008-12-24 ；

2009-09-03

中國(guó)大洋協(xié)會(huì)“十一五”資助項(xiàng)目（DYXM115-01-1-06），國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（JG0709），科學(xué)技術(shù)部資助項(xiàng)目（2006FY220400），浙江省908專(zhuān)項(xiàng)（ZJ908-02-01）

章偉艷（1972－），女，浙江諸暨人，博士，副研究員，主要從事海洋地質(zhì)研究，電子郵件：ZWY885@163.com