海底熱液區(qū)地形復(fù)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(huán)境造成的結(jié)果。其土地復(fù)雜性是描述地表形狀變化和褶皺的重要指標(biāo)。通過(guò)應(yīng)用柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格計(jì)算能夠獲取地形的起伏度、切割度、粗糙度、變異系數(shù)、地形熵、分形維、全曲率等各種復(fù)雜度因子。隨著數(shù)字地形分析理論與應(yīng)用研究的不斷深入,地形復(fù)雜度已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地形數(shù)據(jù)壓縮、地形分類(lèi)與可視化、生物多樣性評(píng)估、地表發(fā)育、地貌分類(lèi)、土壤侵蝕等方面。海底熱液區(qū)是海底熱液活動(dòng)重要場(chǎng)所,主要分布于具有特殊地形地貌、構(gòu)造、沉積等環(huán)境特征的洋中脊、弧后盆地和島弧區(qū)域,總體地形相對(duì)復(fù)雜;其地形復(fù)雜性直接影響著熱液活動(dòng)區(qū)的重力場(chǎng)、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(dòng)區(qū)地形復(fù)雜性具有重要意義,并為熱液活動(dòng)區(qū)的海洋地質(zhì)、海洋地球物理、物理海洋、海洋生物等研究提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著海底探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展,利用多波束技術(shù)獲取高精度海底地形數(shù)據(jù)已成為海洋調(diào)查的重要內(nèi)容之一。全球海底地形數(shù)據(jù)(GEBCO)是由國(guó)際海道測(cè)量組織和政府間海洋委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的最全面的世界大洋海底地形數(shù)據(jù),它包括半分間隔數(shù)據(jù)、一分間隔數(shù)據(jù)及其相關(guān)輔助數(shù)據(jù),其中半分間隔數(shù)據(jù)是基于船舶測(cè)深數(shù)據(jù)和衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)派生插值的水深數(shù)據(jù)綜合成果。盡管該數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于全球氣候變化研究、全球水動(dòng)力場(chǎng)模擬、海山識(shí)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(dòng)區(qū)分布的數(shù)字地形特征基本規(guī)律性仍缺乏系統(tǒng)的分析與研究。本文基于柵格地形復(fù)雜度計(jì)算方法,結(jié)合GEBCO數(shù)據(jù)特點(diǎn),建立了海底熱液區(qū)地形復(fù)雜度窗口序列分析模型,并分析了伊豆—小笠原熱液活動(dòng)區(qū)的地形復(fù)雜度,為實(shí)現(xiàn)全球海底熱液區(qū)地形復(fù)雜度的分析提供參考方法。2地形的復(fù)雜性2.1離散呈規(guī)則或規(guī)則分布的達(dá)形式數(shù)字高程模型(DEM)是一種區(qū)域地形表面高程特征的數(shù)字化表達(dá)形式,是一組離散的呈規(guī)則或不規(guī)則分布的高程數(shù)據(jù)。全球海底地形數(shù)據(jù)是一種特殊的數(shù)字高程模型,是以角度為單位通過(guò)經(jīng)緯網(wǎng)格劃分的全球尺度地形數(shù)據(jù),是全球尺度海洋科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2.2土地復(fù)雜性建模2.2.1地形復(fù)雜度因子地形復(fù)雜度是描述地表形態(tài)整體特征的重要參數(shù),現(xiàn)有各種單一地形復(fù)雜度因子僅從不同角度描述地表形態(tài)特征,無(wú)法全面客觀地表達(dá)整體變化趨勢(shì),為描述地形整體特征,需要對(duì)地形復(fù)雜度因子進(jìn)行綜合分析。目前,主要的地形復(fù)雜度因子計(jì)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(shù)、地形熵、地形分形維、地形全曲率等。設(shè)p(xp,yp)點(diǎn)周?chē)植康匦螀^(qū)域?yàn)镃,在該區(qū)域內(nèi)的地形點(diǎn)為(xi,yi,Hi),i=1,2,…,n,則對(duì)于p點(diǎn)所在區(qū)域的地形復(fù)雜度因子運(yùn)算函數(shù)可定義為:式中,i∈C;TCp為地形復(fù)雜度因子;f為各種因子計(jì)算方法。2.2.2綜合地形復(fù)雜度ntrp鑒于GEBCO是一種以角度為單位的經(jīng)緯網(wǎng)格地形模型數(shù)據(jù),其南北網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的投影平面距離變化較大,投影計(jì)算復(fù)雜且變形較大。為便于全球尺度海底熱液活動(dòng)區(qū)地形復(fù)雜度的計(jì)算分析,本文選擇不涉及平面坐標(biāo)計(jì)算并且能夠直接利用經(jīng)緯網(wǎng)格地形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的因子,主要有反映區(qū)域內(nèi)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(shù)(TVp)、反映地形信息量大小的地形熵(TEp)等4種地形復(fù)雜度因子,其取值范圍各不相同,為計(jì)算綜合地形復(fù)雜度,需要對(duì)各因子進(jìn)行歸一化處理,即把因子值歸算到0~1的范圍,計(jì)算方法如下:式中,TCp、minTCp、maxTCp分別為各因子的計(jì)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(shù)和地形熵對(duì)應(yīng)的歸一化值為NTRp、NTDp、NTVp和NTEp。根據(jù)不同地形復(fù)雜度因子對(duì)地形復(fù)雜性表現(xiàn)程度的不同,通過(guò)加權(quán)算術(shù)平均方法對(duì)歸一化后的地形復(fù)雜度因子進(jìn)行融合形成統(tǒng)一的綜合地形復(fù)雜度指標(biāo)。為便于計(jì)算,本文取等權(quán)算術(shù)平均值作為上述4類(lèi)因子的綜合指標(biāo),計(jì)算公式如下:2.2.3海底熱液區(qū)地形復(fù)雜度分析(1)分析窗口序列選擇鑒于任何空間現(xiàn)象的發(fā)生對(duì)其周?chē)臻g環(huán)境均有一定影響,海底熱液活動(dòng)是一種重要海底活動(dòng)現(xiàn)象,其對(duì)地形形態(tài)起伏的影響必然體現(xiàn)在一定范圍,通過(guò)在這一定影響范圍內(nèi)的地形復(fù)雜度能夠體現(xiàn)海底熱液活動(dòng)強(qiáng)度。由于海底熱液活動(dòng)影響的具體范圍難以確定,為更好地體現(xiàn)海底熱液活動(dòng)區(qū)的實(shí)際地形復(fù)雜度,以海底熱液活動(dòng)中心為起算點(diǎn),根據(jù)數(shù)字地形模型數(shù)據(jù)建立“3×3、5×5、7×7、……”等分析窗口序列,從而進(jìn)行區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜度分析。(2)復(fù)雜度因子計(jì)算根據(jù)選擇的分析窗口序列,應(yīng)用數(shù)字地形模型數(shù)據(jù),基于選定的地形復(fù)雜度因子計(jì)算方法,分別對(duì)每一窗口序列數(shù)據(jù),計(jì)算獲取海底熱液區(qū)的TRp、TDp、TVp和TEp復(fù)雜度因子值。(3)因子歸一化與融合根據(jù)式(2)對(duì)每一類(lèi)因子進(jìn)行窗口序列歸一化計(jì)算,獲取海底熱液區(qū)的NTRp、NTDp、NTVp和NTEp復(fù)雜度因子歸一化值;同時(shí),對(duì)每一類(lèi)因子的窗口序列歸一化值取算術(shù)平均作為該類(lèi)因子的復(fù)雜度,并利用式(3)進(jìn)行復(fù)雜度因子融合,求取海底熱液區(qū)的綜合復(fù)雜度指標(biāo)。(4)復(fù)雜度指標(biāo)評(píng)價(jià)根據(jù)不同海底熱液區(qū)的數(shù)字地形模型數(shù)據(jù),求取不同活動(dòng)區(qū)的綜合地形復(fù)雜度指標(biāo),通過(guò)系統(tǒng)的比較分析,對(duì)海底熱液區(qū)的空間分布特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),為海底熱液區(qū)系統(tǒng)研究提供重要地形參數(shù)信息。最后,從地形復(fù)雜度角度,獲取全球海底熱液活動(dòng)區(qū)的分布特征,以及不同構(gòu)造環(huán)境下海底熱液活動(dòng)區(qū)的地形復(fù)雜度特征。3分析海底熱液區(qū)地形復(fù)雜性的例子3.1洋中脊、火山、弧后盆地?cái)U(kuò)張中心、弧后盆地?cái)U(kuò)展變形及網(wǎng)絡(luò)分析海底熱液活動(dòng)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(fā)現(xiàn)。海底熱液活動(dòng)所處的構(gòu)造環(huán)境各不相同,有分布在洋中脊、火山弧、裂谷海淵、弧后盆地?cái)U(kuò)張中心、轉(zhuǎn)換斷層、熱點(diǎn)火山等處。本文選擇伊豆—小笠原熱液活動(dòng)亞帶作為地形復(fù)雜度分析區(qū),該熱液活動(dòng)亞帶由伊豆—小笠原火山島弧體系中的熱液區(qū)構(gòu)成,位于菲律賓海板塊東北邊緣的洋內(nèi)島弧火山帶內(nèi),屬環(huán)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(qū)域已發(fā)現(xiàn)的熱液有13處(見(jiàn)圖1和表1)。3.2綜合地形復(fù)雜度評(píng)價(jià)通過(guò)利用半分間隔的全球海底地形數(shù)據(jù),應(yīng)用上述計(jì)算方法對(duì)伊豆—小笠原海底熱液區(qū)的地形復(fù)雜度進(jìn)行計(jì)算分析。首先,對(duì)13處海底熱液區(qū)選擇“3×3、5×5、7×7、9×9、11×11、13×13、15×15、17×17、19×19”的9個(gè)分析窗口進(jìn)行TRp、TDp、TVp和TEp地形復(fù)雜度因子值計(jì)算,同時(shí)以每類(lèi)因子窗口序列的歸一化平均值代表每處海底熱液區(qū)地形復(fù)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(qū)的綜合地形復(fù)雜度指標(biāo)(見(jiàn)表2)。3.3海底熱液區(qū)綜合地形復(fù)雜度根據(jù)表2結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)Suiyo海山區(qū)域的海底熱液區(qū)綜合地形復(fù)雜度指數(shù)為最大0.677,Sumisu裂谷區(qū)域的海底熱液區(qū)綜合地形復(fù)雜度指數(shù)為最小0.408,總體上,伊豆—小笠原海底熱液活動(dòng)亞帶的熱液區(qū)綜合地形復(fù)雜度指數(shù)主要分布在0.5~0.7之間,其平均綜合地形復(fù)雜度指數(shù)為0.602。從熱液區(qū)活動(dòng)性情況,說(shuō)明活動(dòng)的熱液區(qū)地形復(fù)雜度指標(biāo)相對(duì)較大,不確定活動(dòng)性的熱液區(qū)地形復(fù)雜度指標(biāo)相對(duì)較小。4基于度分析方法的方法海底熱液活動(dòng)區(qū)的地形復(fù)雜度是進(jìn)行海底熱液活動(dòng)區(qū)環(huán)境要素特征研究的重要參考指標(biāo),因此,鑒于海底地形數(shù)據(jù)難于獲取,利用現(xiàn)有全球海底地形數(shù)據(jù)進(jìn)行熱液區(qū)地形復(fù)雜度分析方法的研究具有重要意義。全球海底熱液區(qū)分布廣泛,其地形復(fù)雜度各異,為全面分析和了解海底熱液區(qū)地形復(fù)雜度變化情況,充分應(yīng)用現(xiàn)