海底熱液區地形復雜度分析

1海底地形分析自然地形的表面形狀是由各種外部環境造成的結果。其土地復雜性是描述地表形狀變化和褶皺的重要指標。通過應用柵格數據進行柵格計算能夠獲取地形的起伏度、切割度、粗糙度、變異系數、地形熵、分形維、全曲率等各種復雜度因子。隨著數字地形分析理論與應用研究的不斷深入,地形復雜度已經廣泛應用于地形數據壓縮、地形分類與可視化、生物多樣性評估、地表發育、地貌分類、土壤侵蝕等方面。海底熱液區是海底熱液活動重要場所,主要分布于具有特殊地形地貌、構造、沉積等環境特征的洋中脊、弧后盆地和島弧區域,總體地形相對復雜;其地形復雜性直接影響著熱液活動區的重力場、沉積、海流、溫度、鹽度等各種海洋要素的分布。因此,研究熱液活動區地形復雜性具有重要意義,并為熱液活動區的海洋地質、海洋地球物理、物理海洋、海洋生物等研究提供重要基礎數據。隨著海底探測技術的快速發展,利用多波束技術獲取高精度海底地形數據已成為海洋調查的重要內容之一。全球海底地形數據(GEBCO)是由國際海道測量組織和政府間海洋委員會聯合發布的最全面的世界大洋海底地形數據,它包括半分間隔數據、一分間隔數據及其相關輔助數據,其中半分間隔數據是基于船舶測深數據和衛星重力數據派生插值的水深數據綜合成果。盡管該數據已廣泛應用于全球氣候變化研究、全球水動力場模擬、海山識別、海底面積估算、水體體積估算、地形坡度分析等,然而全球海底熱液活動區分布的數字地形特征基本規律性仍缺乏系統的分析與研究。本文基于柵格地形復雜度計算方法,結合GEBCO數據特點,建立了海底熱液區地形復雜度窗口序列分析模型,并分析了伊豆—小笠原熱液活動區的地形復雜度,為實現全球海底熱液區地形復雜度的分析提供參考方法。2地形的復雜性2.1離散呈規則或規則分布的達形式數字高程模型(DEM)是一種區域地形表面高程特征的數字化表達形式,是一組離散的呈規則或不規則分布的高程數據。全球海底地形數據是一種特殊的數字高程模型,是以角度為單位通過經緯網格劃分的全球尺度地形數據,是全球尺度海洋科學研究的重要基礎數據。2.2土地復雜性建模2.2.1地形復雜度因子地形復雜度是描述地表形態整體特征的重要參數,現有各種單一地形復雜度因子僅從不同角度描述地表形態特征,無法全面客觀地表達整體變化趨勢,為描述地形整體特征,需要對地形復雜度因子進行綜合分析。目前,主要的地形復雜度因子計算方法有:地形起伏度、地形切割度、地形粗糙度、地形變異系數、地形熵、地形分形維、地形全曲率等。設p(xp,yp)點周圍局部地形區域為C,在該區域內的地形點為(xi,yi,Hi),i=1,2,…,n,則對于p點所在區域的地形復雜度因子運算函數可定義為:式中,i∈C;TCp為地形復雜度因子;f為各種因子計算方法。2.2.2綜合地形復雜度ntrp鑒于GEBCO是一種以角度為單位的經緯網格地形模型數據,其南北網格對應的投影平面距離變化較大,投影計算復雜且變形較大。為便于全球尺度海底熱液活動區地形復雜度的計算分析,本文選擇不涉及平面坐標計算并且能夠直接利用經緯網格地形數據進行計算的因子,主要有反映區域內地形宏觀起伏程度的地形起伏度(TRp)、反映地形被切割程度的地形切割度(TDp)、反映地形平均起伏程度的地形變異系數(TVp)、反映地形信息量大小的地形熵(TEp)等4種地形復雜度因子,其取值范圍各不相同,為計算綜合地形復雜度,需要對各因子進行歸一化處理,即把因子值歸算到0~1的范圍,計算方法如下:式中,TCp、minTCp、maxTCp分別為各因子的計算值、最小值和最大值。于是,地形起伏度、地形切割度、地形變異系數和地形熵對應的歸一化值為NTRp、NTDp、NTVp和NTEp。根據不同地形復雜度因子對地形復雜性表現程度的不同,通過加權算術平均方法對歸一化后的地形復雜度因子進行融合形成統一的綜合地形復雜度指標。為便于計算,本文取等權算術平均值作為上述4類因子的綜合指標,計算公式如下:2.2.3海底熱液區地形復雜度分析(1)分析窗口序列選擇鑒于任何空間現象的發生對其周圍空間環境均有一定影響,海底熱液活動是一種重要海底活動現象,其對地形形態起伏的影響必然體現在一定范圍,通過在這一定影響范圍內的地形復雜度能夠體現海底熱液活動強度。由于海底熱液活動影響的具體范圍難以確定,為更好地體現海底熱液活動區的實際地形復雜度,以海底熱液活動中心為起算點,根據數字地形模型數據建立“3×3、5×5、7×7、……”等分析窗口序列,從而進行區域內地形復雜度分析。(2)復雜度因子計算根據選擇的分析窗口序列,應用數字地形模型數據,基于選定的地形復雜度因子計算方法,分別對每一窗口序列數據,計算獲取海底熱液區的TRp、TDp、TVp和TEp復雜度因子值。(3)因子歸一化與融合根據式(2)對每一類因子進行窗口序列歸一化計算,獲取海底熱液區的NTRp、NTDp、NTVp和NTEp復雜度因子歸一化值;同時,對每一類因子的窗口序列歸一化值取算術平均作為該類因子的復雜度,并利用式(3)進行復雜度因子融合,求取海底熱液區的綜合復雜度指標。(4)復雜度指標評價根據不同海底熱液區的數字地形模型數據,求取不同活動區的綜合地形復雜度指標,通過系統的比較分析,對海底熱液區的空間分布特征進行綜合評價,為海底熱液區系統研究提供重要地形參數信息。最后,從地形復雜度角度,獲取全球海底熱液活動區的分布特征,以及不同構造環境下海底熱液活動區的地形復雜度特征。3分析海底熱液區地形復雜性的例子3.1洋中脊、火山、弧后盆地擴張中心、弧后盆地擴展變形及網絡分析海底熱液活動分布范圍廣泛,在太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋、南極洲、紅海和地中海均有發現。海底熱液活動所處的構造環境各不相同,有分布在洋中脊、火山弧、裂谷海淵、弧后盆地擴張中心、轉換斷層、熱點火山等處。本文選擇伊豆—小笠原熱液活動亞帶作為地形復雜度分析區,該熱液活動亞帶由伊豆—小笠原火山島弧體系中的熱液區構成,位于菲律賓海板塊東北邊緣的洋內島弧火山帶內,屬環太平洋島弧體系的一部分,其北端和南端分別與東北日本弧和馬里亞納弧接壤,目前該區域已發現的熱液有13處(見圖1和表1)。3.2綜合地形復雜度評價通過利用半分間隔的全球海底地形數據,應用上述計算方法對伊豆—小笠原海底熱液區的地形復雜度進行計算分析。首先,對13處海底熱液區選擇“3×3、5×5、7×7、9×9、11×11、13×13、15×15、17×17、19×19”的9個分析窗口進行TRp、TDp、TVp和TEp地形復雜度因子值計算,同時以每類因子窗口序列的歸一化平均值代表每處海底熱液區地形復雜度歸一化因子值,從而基于式(3)能夠獲得13處海底熱液區的綜合地形復雜度指標(見表2)。3.3海底熱液區綜合地形復雜度根據表2結果,可以發現Suiyo海山區域的海底熱液區綜合地形復雜度指數為最大0.677,Sumisu裂谷區域的海底熱液區綜合地形復雜度指數為最小0.408,總體上,伊豆—小笠原海底熱液活動亞帶的熱液區綜合地形復雜度指數主要分布在0.5~0.7之間,其平均綜合地形復雜度指數為0.602。從熱液區活動性情況,說明活動的熱液區地形復雜度指標相對較大,不確定活動性的熱液區地形復雜度指標相對較小。4基于度分析方法的方法海底熱液活動區的地形復雜度是進行海底熱液活動區環境要素特征研究的重要參考指標,因此,鑒于海底地形數據難于獲取,利用現有全球海底地形數據進行熱液區地形復雜度分析方法的研究具有重要意義。全球海底熱液區分布廣泛,其地形復雜度各異,為全面分析和了解海底熱液區地形復雜度變化情況,充分應用現