宋維宇，劉婭楠，胡邦琦，楊慧良，陳江欣，賈超，劉森

1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

3. 山東大學(xué)海洋研究院，青島 266237

4. 煙臺(tái)海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心，煙臺(tái) 264010

隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，海底地貌的研究逐漸得到重視，其在國(guó)家建設(shè)、資源利用、生態(tài)保護(hù)、維護(hù)海洋權(quán)益等方面具有重要意義。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海底地形地貌的成因和分類等開(kāi)展了深入的調(diào)查研究，20世紀(jì)20—50年代，國(guó)際上出版了一系列采用大量篇幅論述了海底地貌的形態(tài)和成因的專著[1]。20世紀(jì)50—60年代，中國(guó)就已經(jīng)開(kāi)展了海岸地貌的調(diào)查研究工作，并對(duì)黃海與東海重要海域的海底地貌類型與成因，以及東海、南海海底沉積物進(jìn)行了研究，為中國(guó)開(kāi)展海底地貌研究打下了良好基礎(chǔ)[2]。在20世紀(jì)60—80年代的海洋地質(zhì)調(diào)查中，系統(tǒng)地采用板塊構(gòu)造地貌分類方法，編制了1∶50萬(wàn)～1∶100萬(wàn)海底地貌圖。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷更新，中國(guó)海底地貌研究是由宏觀向微觀、大地貌到微地貌、形態(tài)特征到地貌過(guò)程，同時(shí)人類活動(dòng)對(duì)地貌的響應(yīng)研究等將會(huì)不斷深入[3]。

合理劃分海底地貌類型是海洋地貌研究的重要部分，對(duì)海洋地質(zhì)工作開(kāi)展大有裨益。與陸地地貌內(nèi)、外營(yíng)力相互作用的形成方式不同[4]，海底地貌的形成更多源于地殼大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，故對(duì)海底地貌的分類方法也應(yīng)與陸地不盡相同[5]。海底地貌分類有以外營(yíng)力、內(nèi)營(yíng)力、板塊構(gòu)造為基礎(chǔ)進(jìn)行分類的三種觀點(diǎn)，其中以外營(yíng)力作用為基礎(chǔ)的分類，在地貌學(xué)界有廣泛的應(yīng)用，其小范圍、大比例編圖對(duì)海洋工程、海岸帶及近海的開(kāi)發(fā)和利用具有重要的使用價(jià)值；內(nèi)營(yíng)力為基礎(chǔ)的分類能清晰地反映構(gòu)造對(duì)地貌的控制作用，適用于大范圍、小比例尺的地貌分類和制圖；而以板塊構(gòu)造為基礎(chǔ)的分類則為地貌的成因機(jī)制和分布規(guī)律提出了嶄新的解釋。從分類依據(jù)出發(fā)，現(xiàn)有的分類方法可以分為成因分類、形態(tài)分類、形態(tài)成因分類和多指標(biāo)綜合分類4種[3]。國(guó)際海底地名命名分委會(huì)（SCUFN）作為國(guó)際海底地名惟一官方組織，其界定評(píng)判海底地理實(shí)體類型的主要手段依賴于多波束數(shù)據(jù)反演的海底三維地形，對(duì)于構(gòu)造地質(zhì)、海底沉積物等因素則考慮較少[6]。單純的基于表面形態(tài)進(jìn)行分類容易產(chǎn)生誤判，以形態(tài)和成因相結(jié)合的方式逐漸成為海底地形地貌劃分的主要依據(jù)。因此，以板塊構(gòu)造為基礎(chǔ)，形態(tài)、成因相結(jié)合，內(nèi)營(yíng)力、外營(yíng)力相結(jié)合的方式對(duì)海底地形地貌進(jìn)行分類是一種比較合理的分類方式。目前，對(duì)于海底地貌的分類大多按照3個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分，劃分類別不夠細(xì)致，考慮的因素不夠全面，四級(jí)地貌劃分缺少量化標(biāo)準(zhǔn)，不利于對(duì)海底地貌單元進(jìn)行研究。本次研究主要針對(duì)以上不足，提出了基于DEM數(shù)據(jù)的菲律賓海典型區(qū)四級(jí)地貌定量化劃分標(biāo)準(zhǔn)和方案，并進(jìn)行了地貌類型劃分。

菲律賓海位于歐亞板塊、太平洋板塊和印度-澳大利亞板塊三聯(lián)點(diǎn)海域，周圍幾乎全部被俯沖帶所環(huán)繞，構(gòu)造作用活躍，地形地貌復(fù)雜多變，發(fā)育著地球上最年輕的、最壯觀的“海溝-島弧-弧后盆地”體系。由于其特殊的地理位置和現(xiàn)有技術(shù)手段的限制，針對(duì)菲律賓海地形地貌分類方面的研究?jī)?nèi)容較少，分類標(biāo)準(zhǔn)大多采用三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即使采用四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，由于用途、制圖比例尺等因素的不同，在分類和分級(jí)方面也存在較大差異。四級(jí)地貌分類可以根據(jù)板塊環(huán)境、板塊構(gòu)造要素、中型構(gòu)造地貌或地貌組合、內(nèi)外營(yíng)力來(lái)進(jìn)行地貌劃分[7]；也可以根據(jù)板塊構(gòu)造環(huán)境和形態(tài)、區(qū)域構(gòu)造和水深、內(nèi)外營(yíng)力、形態(tài)的方式來(lái)進(jìn)行劃分[8]。這些分類標(biāo)準(zhǔn)不僅相差較大，而且大多僅給出分類結(jié)果，沒(méi)有提供細(xì)致的分類依據(jù)，無(wú)法很好地對(duì)海底地貌進(jìn)行深度分析。采用四級(jí)地貌定量化劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海底地貌進(jìn)行分類，并按形態(tài)特征、地貌規(guī)模大小及主從關(guān)系，依次逐級(jí)劃分，可以更好地細(xì)化海底地貌。

本文通過(guò)對(duì)前人海底地貌研究成果的總結(jié)，提出了既具有普適性，又有針對(duì)于研究區(qū)四級(jí)地貌量化的劃分標(biāo)準(zhǔn)和方案。利用ArcGIS空間分析等技術(shù)手段對(duì)DEM（數(shù)字高程模型，Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理分析，提取了研究區(qū)微觀、宏觀地貌因子，進(jìn)行了四級(jí)地貌類型定量化劃分。研究成果能夠豐富海底地貌類型劃分和成因研究領(lǐng)域，為今后相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

菲律賓海盆地南北跨越0°～35°N，東西橫跨124°～147°E，面積約為 5.4×106km2，海底地形十分復(fù)雜，發(fā)育有海溝、島弧、海脊、海山、海盆、裂谷等地形，是一個(gè)海嶺與海盆并列、具有洋殼基底的大型邊緣海（圖1）。海盆整體位于菲律賓海板塊之上，周邊環(huán)繞島弧與深海溝俯沖帶，水深范圍為3 000～6 000 m，平均水深約為4 500 m，整體表現(xiàn)為“西部深、東部淺”的特點(diǎn)[9]。

基于已有調(diào)查研究成果，可以將菲律賓海盆分為不同的地貌單元：以菲律賓海盆中央南北走向的九州-帕勞海嶺為界，西部是西菲律賓海盆，東部有四國(guó)海盆和帕里西維拉海盆等。其中，西菲律賓海盆形成時(shí)間最早，以中央斷裂為界可分為三部分：北部的西北次海盆、南部的南次海盆以及中間的中央裂谷盆地[10]。

九州-帕勞海嶺西側(cè)的西菲律賓海盆區(qū)，海底地形復(fù)雜，有海嶺、海臺(tái)、陡崖、裂谷等地貌形態(tài)，平均水深在5 000 m以上，局部地區(qū)（中央海盆裂谷軸部）可達(dá)7 900 m。九州-帕勞海嶺以東，海底地形自西向東由四國(guó)-帕里西維拉海盆地形過(guò)渡為伊豆-小笠原弧，四國(guó)-帕里西維拉海盆平均水深為4 500～5 500 m。

菲律賓海主要受太平洋板塊的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，自約61 Ma以中央斷裂帶為擴(kuò)張中心開(kāi)始南北向擴(kuò)張[2]。在約43 MaBP，太平洋板塊運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，由NNW向（相對(duì)于熱點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向）變?yōu)镹WW向，由于俯沖板塊方向的變化，使得太平洋板塊西緣的走滑帶被轉(zhuǎn)變成了俯沖帶，并伴隨著強(qiáng)烈的弧后巖漿活動(dòng)，形成了老的伊豆-小笠原島弧[11-12]。約29 MaBP，菲律賓海板塊開(kāi)始向西北運(yùn)動(dòng)（3.5 cm/a），并發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為50°[13-15]，四國(guó)-帕里西維拉海盆開(kāi)始擴(kuò)張，九州-帕勞海嶺與老的伊豆-小笠原-馬里亞納弧裂離[16-18]。菲律賓海板塊經(jīng)歷多次旋轉(zhuǎn)、擴(kuò)張后于約15 Ma基本不再轉(zhuǎn)動(dòng)，其后經(jīng)歷了小規(guī)模的運(yùn)動(dòng)、俯沖，最終形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

研究區(qū)位于西太平洋海域第一島鏈和第二島鏈之間，地處菲律賓海盆，東西長(zhǎng)375 km，南北長(zhǎng)108 km（圖1），橫跨西菲律賓海盆、九州-帕勞海嶺和帕里西維拉海盆三大地貌單元，構(gòu)造作用復(fù)雜，地貌類型豐富，是研究的理想?yún)^(qū)域。

圖1 菲律賓海板塊海底地形地貌與研究區(qū)位置圖底圖DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于全球水深數(shù)據(jù)，紅色方框?yàn)檠芯繀^(qū)。Fig.1 Submarine topographic and geomorphological map of the Philippine Sea plate and the location map of study areaDEM are derived from global bathymetric data.

2 研究區(qū)深海地貌定量劃分

2.1 地貌類型劃分方法

建立DEM模型，提取典型地貌因子（圖2），結(jié)合深遠(yuǎn)海地貌類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定研究區(qū)海底地形地貌類型，繪制研究區(qū)地貌分布簡(jiǎn)圖，顯示不同地貌類型分布概況。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算方法

2.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究選擇DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。DEM即數(shù)字高程模型，是通過(guò)有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬，用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型。目前國(guó)際上常用的開(kāi)放DEM數(shù)據(jù)主要有SRTM、ASTER等，這些數(shù)據(jù)對(duì)全球陸地表面覆蓋率較高，但是缺乏海床數(shù)據(jù)，不利于對(duì)海底微地貌單元進(jìn)行研究[19-20]。本文基于開(kāi)放數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)DEM，利用ArcGIS平臺(tái)的“Spatial Analyst”、“3D Analyst Tools”、“Create TIN”等工具建立海底DEM模型、計(jì)算地貌因子等。

2.2.2 地貌因子計(jì)算

地貌因子是分析地貌的重要指標(biāo)，從宏觀和微觀兩個(gè)角度對(duì)研究區(qū)地貌因子進(jìn)行提取，有利于對(duì)海底地貌進(jìn)行深入研究。本文將高程、坡度、坡度變率和地形起伏度等作為典型地貌因子（表1），其中坡度、坡度變化率的計(jì)算選取3×3窗口。

2.2.3 相對(duì)高程基準(zhǔn)面

相對(duì)高程基準(zhǔn)面是計(jì)算相對(duì)高差、判別地貌類型的基礎(chǔ)條件。相對(duì)高程基準(zhǔn)面即是海底地形、地物相對(duì)高程的統(tǒng)一起算面。一般選取海底平原、山間臺(tái)地等地形平緩（海底坡度小于5°）區(qū)域（不包括海山、海丘、海嶺、深海峽谷等凹凸地）的平均水深為海底相對(duì)高程基準(zhǔn)面。本文選取研究區(qū)坡度小于5°的地形平緩區(qū)域的平均水深為本次工作的海底相對(duì)高程基準(zhǔn)面，為確定地貌類型和繪制地貌分布簡(jiǎn)圖提供計(jì)算依據(jù)，具體數(shù)值如下：

西菲律賓海盆：該區(qū)域最大水深6 713 m，最小水深3 033 m，平均水深4 953 m。基準(zhǔn)面選取范圍為水深5 000～5 999 m，根據(jù)計(jì)算平均深度為5 443 m，作為相對(duì)高程基準(zhǔn)面。

九州-帕勞海嶺：該區(qū)域最大水深5 334 m，最小水深1 692 m，平均水深4 131 m。基準(zhǔn)面選取范圍為水深5 334～4 400 m，根據(jù)計(jì)算平均深度為4 808 m，作為相對(duì)高程基準(zhǔn)面。

四國(guó)-帕里西維拉海盆：該區(qū)域最大水深5 669 m，最小水深3 933 m，平均水深4 963 m?；鶞?zhǔn)面選取范圍為水深5 669～4 700 m，根據(jù)計(jì)算平均深度為5 000 m，作為相對(duì)高程基準(zhǔn)面。

2.3 地貌類型劃分依據(jù)及類型

本文主要依據(jù)中國(guó)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，包括《海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查規(guī)范（1∶50 000）》（DD2012-07）、《海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查規(guī)范（1∶100 000）》（DD2012-03）、《海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查規(guī)范（1∶250 000）》（DD2012-03）、《地球科學(xué)大辭典基礎(chǔ)卷》以及《海底地名命名標(biāo)準(zhǔn)》[21]，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行到四級(jí)地貌的劃分（表2），包括海山、海丘、海底裂谷、山間谷地、山間洼地、山間盆地，海山根據(jù)起伏度可分為小起伏山、中起伏山、大起伏山和極大起伏山（表3）。

圖2 基于DEM數(shù)據(jù)的海底地貌類型劃分技術(shù)路線Fig.2 Technical flowchart for classification of seabed geomorphology based on DEM data

表1 典型地貌因子概念及算法Table 1 The concept and algorithm of typical terrain factors

表2 研究區(qū)地貌類型劃分Table 2 The classification of geomorphic types in the study area

表3 基于海底起伏高程的海山類型Table 3 The seamount type based on sea floor relief elevation

其中，海山指清晰可辨的、大體呈等維展布的海底高山，具有圓形或橢圓形頂面，頂部水深一般2000～2 500 m，從環(huán)繞其主體周圍的最深等深線算起，頂部與周圍地勢(shì)起伏高差（相對(duì)高度）大于1 000 m，坡度大于10°。大多由海底火山構(gòu)成，部分由構(gòu)造作用形成。3個(gè)或3個(gè)以上海山呈線性排列者稱海山鏈；3個(gè)以上不呈線性排列者稱海山群，3個(gè)以上在海隆或洋脊上則構(gòu)成海底山脈。海丘指清晰可辨的海底隆起區(qū)，形狀一般不規(guī)則，從環(huán)繞其主體周圍的最深等深線算起，頂部與周圍地勢(shì)起伏高差（相對(duì)高度）小于1 000 m，坡度大于10°。海底裂谷指大洋海底兩側(cè)以高角度正斷層為邊界的窄長(zhǎng)線狀凹地，伸長(zhǎng)、狹窄且邊坡陡峭的海底洼地，深度大于6 000 m。山間谷地指大洋海底山地間的縱長(zhǎng)凹地，兩側(cè)為海山或者海丘，坡度較緩，低于10°。山間洼地指近似封閉比周圍地面相對(duì)低洼的地形，一般低于周圍海底200～500 m，坡度低于10°，其周圍為海山、海丘環(huán)繞，其規(guī)模較山間盆地為小。山間盆地指由海山圍限的低地，一般低于周圍海山500 m，坡度低于10°，其規(guī)模較山間洼地大。

3 典型地貌分布特征及成因分析

研究區(qū)覆蓋了西菲律賓海盆、九州-帕勞海嶺和帕里西維拉海盆三大地貌單元（二級(jí)地貌）。整體上水深變化較大，最淺處水深約為1 692 m，最深處水深約為6 713 m（圖3）。海嶺處水深較淺，平均水深約為3 000 m。兩側(cè)水深較深，平均水深約為4 500 m。

研究區(qū)九州-帕勞海嶺為一系列連續(xù)分布的鏈狀海嶺，最大水深5 334 m，最小水深1 692 m，海嶺與凹地相間分布，兩側(cè)呈明顯不對(duì)稱，東側(cè)陡、西側(cè)緩，包含海山、山間盆地、山間洼地三種不同四級(jí)地貌單元。西部與東部具有顯著的構(gòu)造走向差異，西部海嶺呈近EW向雁式排列，東部海丘呈近NS向雁式排列；東部海丘相較于西部海嶺更為狹長(zhǎng)；西部海山規(guī)模遠(yuǎn)大于東部海山。西部西菲律賓海盆內(nèi)包含海山、海底裂谷、山間谷地三種不同四級(jí)地貌單元，東部帕里西維拉海盆內(nèi)包含海丘、山間谷地兩種不同四級(jí)地貌單元。研究區(qū)構(gòu)造作用活躍，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和火山巖漿作用是多種地貌形成的主因之一。研究區(qū)典型地貌成因分析如下：

海山：海山的成因目前仍有爭(zhēng)議，部分科學(xué)家認(rèn)為大部分海山是在地幔柱的作用下形成的[22]。研究區(qū)海山主要位于九州-帕勞海嶺及周邊，九州-帕勞海嶺是在太平洋板塊俯沖和火山活動(dòng)的共同作用下形成的。分析認(rèn)為，研究區(qū)的海山地貌可能與該區(qū)域的板塊俯沖和火山作用引起的巖漿活動(dòng)有關(guān)。

海丘：海丘多由海底構(gòu)造、巖漿作用形成，不同構(gòu)造、巖漿活動(dòng)區(qū)的海丘可能是不同類型巖漿作用的產(chǎn)物，也可能是多種巖漿作用的共同產(chǎn)物[23]。研究區(qū)內(nèi)海丘廣泛分布，在東部隆起區(qū)和西部盆地區(qū)尤為發(fā)育，這兩個(gè)區(qū)域地形變化較大，分析認(rèn)為其是經(jīng)歷過(guò)復(fù)雜的構(gòu)造作用和頻繁的巖漿活動(dòng)下形成。

圖3 研究區(qū)地貌圖Fig.3 Geomorphologic map of the study area

山間谷地：山間谷地通常分布在走向狹長(zhǎng)的海丘或海丘群之間，海丘較海山高程小，所夾持的山間谷地相對(duì)山間盆地較淺。海丘或海丘群特殊形態(tài)的分布，造成了山間谷地的狹長(zhǎng)發(fā)育。

山間洼地：山間洼地主要有兩種成因，一是可能由于周圍海山或海丘圍繞而形成相對(duì)低洼的負(fù)地形，二是可能由于弧后擴(kuò)張的構(gòu)造裂谷而形成的低洼地[4]。研究區(qū)主要受九州-帕勞海嶺影響，缺少裂谷地貌干預(yù)，山間洼地的形成主要由正地形地貌圍限形成。

山間盆地：主要位于海山與海山之間，受海山隆起影響而形成規(guī)模較大、深度較深、長(zhǎng)期接受沉積的負(fù)地形地貌。因此，其成因與海山的成因密切相關(guān)，是在海山形成過(guò)程中由于構(gòu)造作用的擠壓或拉伸造成區(qū)域相對(duì)下降而形成的。

4 結(jié)論

（1）本次研究提出了研究區(qū)深遠(yuǎn)海海底地貌類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)四級(jí)地貌劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了量化，劃分出了海山、海丘、海底裂谷、山間谷地、山間洼地、山間盆地6種四級(jí)地貌單元。

（2）研究區(qū)水深變化較大，最淺處約為1 692 m，最深處約為6 713 m，覆蓋了西菲律賓海盆、九州-帕勞海嶺和帕里西維拉海盆三大地貌單元（二級(jí)地貌單元）。受控于不同形成時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力特征，西部與東部具有顯著的構(gòu)造走向差異，西部海嶺呈近EW向雁式排列，東部海丘呈近NS向雁式排列；東部海丘相較于西部海嶺更為狹窄。海山、山間盆地等大規(guī)模地貌單元的形成往往受控于強(qiáng)烈的巖漿、構(gòu)造等地質(zhì)作用。

（3）我國(guó)暫時(shí)缺少對(duì)深遠(yuǎn)海海底地貌類型劃分的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，應(yīng)盡快進(jìn)行量化標(biāo)準(zhǔn)的制定，規(guī)范深遠(yuǎn)海海底地貌圖件的繪制，本次研究是對(duì)解決這些問(wèn)題的有益嘗試。