0 引言

钴结壳主要分布于海山、岛屿、海台和洋脊等水下高地的顶部和斜坡地带，即最低含氧带以下、碳酸盐补偿深度以上，水深范围为400～4 000 m，其富集地带一般位于800～2 500 m^{[1, 2]}，基底岩石主要为玄武岩的水下平顶海山上,而且在平顶海山的上斜坡最发育,平顶海山上的顶面及其较深部位富钴结壳不发育^[3]。钴结壳富含钴、镍、铂、稀土等金属，其中的钴质量分数尤为显著，最高可达1.2%～2.0%，是陆地原生矿钴质量分数的20倍以上^[4]，是多金属结核钴质量分数的4倍，比陆地原生钴矿高几十倍。自1981年德国《太阳号》首次对太平洋莱恩群岛进行钴结壳资源调查证实，太平洋较大范围内存在具有经济潜力的钴结壳矿床以来^[3]，多个国家都投入大量经费进行了钴结壳资源调查研究。我国于1999年开始由海洋四号和大洋一号分别对麦哲伦海山和中太平洋海山进行了富钴结壳的系统性调查工作，已经对北太平洋近赤道海域大约20余座海山进行了调查，范围集中在北纬10°——25°的太平洋海山区^[5]，其主要利用地质拖网、浅钻和电视抓斗等手段，获得了大量的可供研究的样品^[6]。张富元等^[7]利用卫星测高反演的海山数据，按海山高度和洋壳年龄赋予不同结壳厚度初步计算了太平洋海山钴结壳资源量。刘永刚等^[8]在全球大洋划分出10个富钴结壳成矿区，按照结壳不同厚度的标准分别对富集区的富钴结壳资源量进行了估算，认为太平洋海山区是世界海底富钴结壳资源主要产出区。富钴结壳矿区圈定和资源评价旨在获取评价区域内的资源总量和有用金属含量，所涉及的参数主要包括：钴结壳的厚度、丰度、覆盖率、含水率，Mn、Cu、Co、Ni等元素质量分数，矿区的面积、坡度和水深，其中丰度是结壳厚度的导出量。这些重要参数和结壳资源评价方法，直接影响到富钴结壳矿区的范围、资源量和矿石质量。2012年7月，国际海底管理局大会通过《“区域”内富钴铁锰结壳探矿和勘探规章(ISBA/18/A/11)》(以下简称规章)，中国大洋协会及时提交了西太平洋面积约3 000 km²钴结壳矿区申请^[9]。笔者结合规章对矿块的有关条款要求，利用互联网上公开的海山数据和钴结壳调查资料，采用人机交互式的矿区圈定方法^[10]，圈定了麦哲伦海山区戈沃罗夫盖特平顶海山(以下简称Govorov海山)钴结壳远景区和可供申请的若干矿块，估算了矿区的结壳资源量。

麦哲伦海山群位于东马里亚纳海盆中，属大型断块状隆起,麦哲伦海山的盾形火山底，主要由早白垩世的拉斑玄武质枕状熔岩组成，其次有早白垩世——老第三纪的亚碱性玄武岩及新第三纪的碱性玄武岩和火山碎屑岩^[6]。Govorov海山(地理位置：150°E——151.8°E,16.9°N——18.5°N)位于麦哲伦海山区北部。俄罗斯1987——1989年在戈沃罗夫盖特海山连续3年开展了单波束水深调查，2005年采用SIMRAD EM12S-120多波束系统完成了1∶20万水深调查。V.M.Ankhin等^[11]研究了戈沃罗夫盖特东北部的构造特征。2006年Govorov海山被俄罗斯命名并提交SCUFN在19次会议审议通过^[12]。笔者收集的海山地形资料来自于俄罗斯海底地理实体命名申请材料^[12]。麦哲伦海山富钴结壳取样站位图^[6]分析表明，

Govorov海山属于我国大洋钴结壳的调查范围，曾被命名为MD海山。笔者处理Govorov海山地形数据的主要步骤包括：首先综合了图 1和MD海山取样站位图^[6]水深线走向和地理位置信息，利用Global Mapper软件对图 1的tiff格式图像进行地理坐标配准，生成Geotiff格式图像(图 2)并加载到ArcMap，对所有水深线进行矢量化并赋予水深属性形成线shape图层，导出经纬度坐标和水深的文本文件；再用Surfer软件选择近距离加权方法初步生成Govorov海山地形网格数据，融合美国加州大学圣地亚哥分校斯克利普斯海洋研究所制作的GEBCO_08(0.5分间隔，约1 km)在Govorov海山范围内的地形网格，生成了Govorov海山的地形网格DTM数据，据此可获得海山不同水深段的闭合区域和海山的坡度数据。笔者编制软件利用DTM网格数据生成海山的坡度网格数据，用于后续计算海底表面积和钴结壳资源量。

图 1 图1 Govorov海山水深图（据文献[12]修改）Fig.1 Bathymetric map of Govorov guyot)

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图 2 Govorov海山富钴结壳取样站位分布图Fig. 2 Sketch of sampling sites of Govorov guyot

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笔者收集的钴结壳数据源自于国际海底管理局公布的结壳数据和公开发表的文献资料。富钴结壳按宏观构造分为单层构造、双层构造和三层构造，三层构造的结壳厚度较大(一般≥4 cm) ,是结壳找矿的重点。我国在Govorov海山结壳靶区实施DY95-9航次中共进行了11次成功的测站调查^[13]，在M17D-1等测站取得了典型的三层构造结壳^[14]。收集的9个钴结壳地质采样站位^[6]中3个站位为结膜或结皮，即钴结壳厚度小于1.0 cm，视为钴结壳丰度为0；另外6个站位取样分析28个(表 1)，均为板状结壳。可以推断，9个结壳采样站位手段均为地质拖网。采用的拖网采样往往无法准确在水下定位，其采样结果仅仅代表拖网行进轨迹，大洋地质采样实际情况表明，限于地质拖网采样的局限性，拖网站位取得的钴结壳厚度往往要小于浅钻和电视抓斗采样站位厚度。表 1统计表明，Govorov海山钴结壳采样站位主要分布在平顶边缘1 900～3 000 m 水深斜坡部位，以板状结壳为主，壳皮厚度最大85.65 mm左右，平均厚度28.00 mm，与太平洋其他海山钴结壳壳皮的平均厚度基本一致。基岩类型主要有玄武岩、火山碎屑岩,其次为灰岩和磷块岩，麦哲伦海山区,磷块岩、磷钙土等富集于结壳的底部^{[13, 14]}，Govorov海山板状富钴结壳的 CaO和P₂O₅的质量分数变化较大^[6]，表明该海山板状结壳样品部分被磷酸盐化。Govorov海山板状结壳的基岩包括玄武岩、风化玄武岩、角砾凝灰岩、磷块岩、磷酸盐化碳酸盐岩、碳酸盐胶结的老结核、白色碳酸盐岩、角砾岩和骨架灰岩等；海山砾状结壳的核心岩石类型包括磷块岩、角砾凝灰岩等；Govorov海山钴结核的核心岩石类型包括玄武岩、 磷块岩和碳酸盐岩等^[6]。

麦哲伦海山区富钴结壳主要金属元素Fe、Mn、Cu、Co、Ni 平均质量分数(表 2)分别为12.69%～20.00 %、17.46%～23.72 %、0.09%～0.18%、0.42%～0.66%、0.25%～0.54%^{[14, 15]}。收集的戈沃罗夫盖特海山钴结壳厚度和品位，其主要元素、稀土元素等元素质量分数测定方法为电感耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)。6站钴结壳品位分析表明，Govorov海山钴结壳的Co质量分数为0.42%～0.66%，平均值为0.55%(表 3)，和太平洋其他海山Co的平均质量分数基本一致(表 4)。其他主要金属元素Fe、Mn、Ni、Cu的平均质量分数分别为16.30%，21.11%，0.38%和0.13%。

Govorov海山由一个大型的主体海山和两个小型的伴生海山三部分组成(图 3)，南北长约155 km，东西164 km，以5 000 m等深线圈闭山体面积21 948 km²。主体海山发育大型的山顶平台，最浅水深1 420 m，主体为2 000 m等深线圈闭，面积为3 046 km²，山顶平台平均坡度2.7°(图 4)，山顶边缘水深1 700～2 500 m，面积3 535 km²，占海山面积的30%；主体海山形状不规则，长轴呈东西向，长110 km，最小水深为1 450 m，平均坡度小于10°，在平坦山顶北部有一缓坡，东南部斜坡相对平缓，其他山坡地形陡峭，山麓水深4 000～5 000 m。西南部小型平顶山，最浅1 600 m，略呈椭圆状，坡度4.2°，山顶东北向长轴长约40 km，其周围山坡陡峭；东南部的小型平顶山，山顶西北向长轴长约34 km，周围山坡陡峭，与其紧邻东南侧发育一个小型海山。

图 3 Govorov海山地形、结壳站位和海山年龄分布图Fig. 3 Sketch of topography,sampling sites of cobalt crust and mount age contour of Govorov guyot

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图 4 Govorov海山坡度分布图Fig. 4 Slope contour map of Govorov guyot

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富钴结壳矿体在海底呈片状、环状或斑状分布^[16]，说明钴结壳厚度分布具有显著的“斑点”特征(不是连续分布)。利用有效数据圈定合理的资源远景区，是矿区圈定和资源评价的基础，其准确度也决定了矿区圈定的合理性和资源评价的精度。远景区圈定的任务是在作为研究对象的结壳矿体的范围内，按照一定的标准参数划分出若干单独的矿体，利用外推法将低至采样站含矿参数数据推广到其范围之外。为弥补目标海山资料不足，不妨在海底海山钴结壳的分布规律认识基础上结合证据权法研究圈定Govorov海山结壳的远景区。

富钴结壳矿体的特征是面积大、有条纹的带状结构、钴结壳的厚度多变和十分稳定的物质成分。在矿体范围内无矿和含矿区段(“条”)沿走向相互连接。钴结壳的厚度分布具有显著的“斑点”特征，厚度较大的区段在平顶海山岩脊处。结合海山浅剖和视像资料对结壳分布上界判定海山顶部沉积物分布 的下界往往与富钴结壳分布上界相对应^{[7, 18]}，海山山顶沉积层尖灭的地方即是富钴结壳开始出现的上界。多类资料^[19]表明，在平顶海山宽阔的平顶容留了大量沉积物抑制了钴结壳生长，仅零星分布结壳和结核；无矿区段基本上是由有孔虫砂形成的。平顶海山山体巨大，顶部和斜坡陡崖区不利于结壳成长。钴结壳富集地带一般位于800～2 500 m^[1]，地形对沉积物分布的影响间接影响到结壳的空间分布。根据11个重点海山钴结壳调查资料制作的钴结壳厚度与水深关系图^[20](图 5)表明，钴结壳主要分布在海山1 000～3 500 m水深范围内，水浅区域结壳较厚，总体上随着水深增加结壳厚度逐渐变薄。年轻的海山通常没有足够的时间形成较厚的结壳^{[21, 22]}，多数具有前景的平顶海山通常具有白垩纪的年龄。年龄老的海山才能够形成规模大的平顶区域，保持稳定的状态以支撑结壳连续数百万年生长。钴结壳厚度与海洋洋壳年龄基本呈正相关^[7]。Govorov海山基底洋壳的年龄为151～158 Ma^[23]，钴结壳分布应该潜力很大。

图 5 钴结壳厚度与水深关系Fig. 5 Relationship between crust thinckness and water depth

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证据权法^[24]基于概率不确定性与贝叶斯率，针对空间决策分析特点做了改进，如目标图层的定义、图层权系数的确定、图层独立性的检验等，在矿产资源评价中应用广泛。利用证据权法分析研究区的已知证据图层预测事件出现的概率，得到评价结果数值为0～1的后验概率图即为目标区该类矿产的成矿潜力图；把大于某一后验概率临界值的单元圈定出来，该单元即为该类矿产的潜力靶区^[25]。在ArcGIS软件arcmap下运行arcSDM(spatial data modeller)^[26]软件，计算所有证据图层对目标图层的权系数，再将训练区点图层、证据图层、权系数表三者进行关联，计算相应的图层，即可得到评价的后验概率图，把大于后验概率临界值的单元圈定出来，即获得有利找矿靶区。

综合目标海山的资料情况，覆盖率、含水率和品位无足够资料，故暂选择坡度、水深和采样站位资料作为实验分析图层。选取具有采样站位为矢量点训练图层，厚度≥4 cm的站点作为已知矿床训练点，不足4 cm的站点为非矿床点。选取转化为栅格的水深和坡度图层为证据图层，栅格的大小设置为4.7 km×4.7 km网格。水深等值线从1 500~5 000 m，间隔为100 m；坡度等值线从0°~32°，间隔为1°。将生成的水深和坡度等值线区图层转成整数栅格后，再进行分类形成水深和坡度证据图层。调用arcSDM的WofE-LR功能，对指定的证据图层计算预测出的训练矿床、证据正权(w⁺)、正权标准差s(w⁺)、证据负权(w^-)、负权标准差s(w^-)、衬度系数(即对比度)C、对比度标准差s(C)等统计参数，将结果存入DBF文件。C作为衡量证据图层对矿产资源评价重要性的指标，表示矿点图层同证据图层的关联性越大越好^[25]。评价结果(表 5)表明，Govorov海山坡度从7°～8°、12°～13°、15°～21°和水深2 200～2 500 m、2 600～2 800 m水深区域钴结壳成矿潜力(证据正权(w⁺))较大。

笔者将Govorov海山4 000m水深作为远景区的外边界，综合钴结壳的分布规律和海山证据权法钴结壳资源预测后验概率图，把划分出的若干子区域分为3种类型，即I级区(符合标准查明的资源潜力大的区域)、II级区(有资源潜力需进一步调查区)和结壳空白区(查明的无结壳资源潜力的区域)。站位外推法有2种方案：符合标准的采样站与不符合标准的采样站毗邻，要考虑钴结壳参数的稳定性及其有用组分的均匀分布，分析每个采样站位含矿参数的影响，确定远景区边界；符合标准的采样站与无矿段毗邻，远景区边界通过采样站之间的中间线。在ArcGIS软件中，叠加地形网格数据、水深等值线、坡度等值线和站位等图层，对站位图层取距站点5 km为半径的缓冲区分析，在4 000 m水深圈闭区内(图 6)圈出钴结壳I级区4个，面积为983 km²；II级区6个，面积为1 053 km²；结壳空白区3个，面积为298 km²。

图 6 Govorov海山钴结壳远景区 Fig.6 Sketch of resource perspective areas of Govorov guyot

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规章对结壳申请涵盖区块的基本要求包括: 1)“钴结壳区块”是指国际海底管理局规定的一个或多个网格单元，可以是正方形或长方形，面积不超过20 km²；2)每一份请求核准勘探钴结壳工作计划的申请书所涉区域由不超过150个钴结壳区块组成， 这些区块应排列为组群；3)5个毗连钴结壳区块构成一个钴结壳区组群。在任何一点相接触的2个钴结壳区块视为毗连区块，钴结壳区块组群不一定毗连但须邻近，且完全局限在一个不超过550 km×550 km的地理区域内。如何在Govorov海山参照上述远景区圈定符合规章要求的若干结壳区块的方法，称为网格微分法和人机交互式矿区圈定法。所谓网格微分法是将相关图层设为WGS84坐标系下的等面积投影，生成覆盖所有远景区的由若干划分为20 km²大小的网格组成的目标区图层。调用“create fishnet”和“feature to polygon”功能，生成边长为4 472.13 m的正方形网格矿块区域图层，再和分类远景区叠加分析，删除与远景区以外的和完全在结壳空白区的区块，保留的区块逐个分析对比排序，优先保留资源潜力大的区块，直至最后保留的区块数满足海山的面积要求为止。网格微分方法操作方便，能够最大限度地反映众多地质变量包含的矿产资源信息，利于判断含矿与非矿的判断。如何使非矿面积Δs尽量小，使圈定矿区的资源好的面积尽量大，采用了人机交互式矿区圈定法。此法借鉴了计算机图形学中多边形的种子填充算法，即把远景区视为待填充的多边形，假设在多边形区域内已知一个像素(区块)，可以通过左、右、上、下4个方向移动的四联通区域，从4个方向寻找下一个区块，又称为四向算法^[10]。

图 7 网格微分法(左图)和人机交互矿区圈定法(右图)形成的矿块分布 Fig.7 Mining blocks distribution based on gridding differential coefficient(left) and man-machine interactive mining delineation(right)

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运用网格微分法生成网格后，先删除与远景区有利区不相交(包括空白区)的网格区块，对余下的248个区块遵循矿区最大化、尽量减少非矿区的原则保留100个区块并对部分区块适当移动。运用网格微分法和人机交互式矿区圈定法分别圈定100个单个区块的面积为20 km²(长宽均约为4 472 m)的钴结壳矿块。两种方法均圈出7个矿块群100个矿块(图 7)总面积为2 000 km²结壳矿区，分别与远景区进行相交(intersect)分析,得到2 000 km²区域的含矿区。基于网格微分法和人机交互矿区圈定法两种矿区圈定方法所得到的100个矿块组成的2 000 km²区域的含矿面积分别为1 696.24 km²和1 735.60 km²，2 000 km²区域落在远景区以外的面积分别为303.76 km²和264.40 km²，分别占2 000 km²区域的15.19%和13.22%。比较结果(表 6)表明，勘探规章关于矿块必须是矩形的规定和海底海山钴结壳自然生长分布区域不规则造成上述两种方法圈定的矿块均不可避免地会覆盖少量非矿区；运用人机交互矿区圈定法圈定的矿区包含的非矿区面积小于用网格微分法圈定的非矿区面积，因而人机交互矿区圈定法更灵活而具有明显优势。
4 Govorov海山钴结壳资源量 钴结壳资源量估算和资源评价有多种方法，主要有算术平均法^[27]、地质块段法、加权平均法、最近区域法^[28]、克立格法^[18]、神经网络法^[29]、分形理论法^{[30, 31]}和基于网格剖分积分计算富钴结壳资源^[32]。钴结壳湿结壳资源量、干结壳资源量、金属资源量以及钴等量金属量是结壳资源评价的主要指标之一。结壳资源评价方法的选取与调查程度有关，在预查和普查阶段测站数据少、网度大，且分布不均匀，应用克立格法、邻近区域法等地质统计法误差太大，而算术平均法可满足评价精度，通常采用算术平均法和地质块段法。Govorov海山的结壳调查资料不足，资源评价宜采用算术平均法，能较好地满足阶段评估精度要求。地质块段法是在算术平均法的基础上加以改进的资源量计算方法，其原理是将一个矿体投影到一个平面上，根据矿石种类、品位和储量级别等地质特征的不同，将一个矿体划分为若干个不同厚度的理想块体，即块段，然后使用算术平均法求出每个块段的资源量，各块段资源量的总和即为整个矿体的资源量。按照水深范围计算结壳资源量是采用地质块段法对海山资源进行的初步评价方法之一。资源量计算的算法基本流程：选择待计算的区域图层，添加其面积和坡度属性，调用查询站位图层或数据库，遍历区域图层的每个区块或域图层的每个区块或水深段区域计算其结壳厚度、丰度和金属元素质量分数等要素的平均值，最终获得矿区的资源量^[33](表 7)。对区域内分布有采样站位数据的取其平均值，部分没有站位数据的区域，暂取海山范围内结壳站位数据的平均值。

Govorov海山1.42～2.00 km和3.00～4.00 km水深段面积较大，没有结壳采样资料的水深段取海山结壳的平均丰度和质量分数，该水深段湿结壳量为34 734.28×10⁴ t和17 014.18×10⁴ t，分别占海山资源量的50%和24%。2.00～2.50 km水深段资料最多，结果数据最可靠，湿结壳量约11 970.00×10⁴t，占海山资源量17%。Govorov平顶海山湿结壳资源量为69 487.60×10⁴ t，干结壳资源量为48 641.32×10⁴ t，锰金属量为9 800.38×10⁴ t，铜金属量为63.24×10⁴ t，钴金属量为254.92×10⁴ t，镍金属量为196.83×10⁴ t，钴等量金属量为548.05×10⁴ t。Govorov海山人机交互矿区圈定法圈定的100个矿块主要分布在2.00～3.00 km斜坡上(表 8)，平均水深2.626 km，平均坡度为12.74°，平均厚度为3.39 cm，湿结壳资源量为14 092.00×10⁴ t，干结壳资源量为9 789.35×10⁴ t，锰金属量为1 961.30×10⁴ t，铜金属量为10.17×10⁴ t，钴金属量为54.06×10⁴ t，镍金属量为34.87×10⁴ t，钴等量金属量为110.71×10⁴ t。

1)Govorov海山由一个大型的主体海山和两个小型的伴生海山三部分组成，南北长约155 km，东西164 km，以5 000 m 等深线圈闭山体面积21 948 km²。主体海山发育大型的山顶平台，主体为2 000 m等深线圈闭，面积为3 046 km²，山顶平台平均坡度2.7°，山顶边缘水深1 700～2 500 m，面积3 535 km²，占海山面积的30%。

2)证据权法评价结果表明，Govorov海山坡度7°～8°、12°～13°、15°～21°和水深2 200～2 500 m、2 600～2 800 m水深区域钴结壳成矿潜力较大。基于调查资料，以水深4 000 m作为远景区的外边界，将戈沃罗夫盖特平顶海山划分为3种类型区域，即I级区(符合标准查明的资源潜力大的区域)4个，面积为983 km²、II级区(有资源潜力需进一步调查分析区)6个，面积为1 053 km²和结壳空白区(查明的无结壳资源潜力的区域)3个，面积为298 km²。

3)Govorov海山结壳湿资源量为69 487.60×10⁴ t，主要分布在2 000～3 000 m斜坡上；2 000～2 500 m水深段资料最多，计算结果最可靠，湿结壳量约11 970.00×10⁴ t，占海山资源量17%。基于拖网站位和远景区圈定的100个长宽均约为4 472 m、面积为20 km²钴结壳优质区块，符合规章条款要求，其面积为2 000 km²，占海山面积的10%，结壳平均厚度为3.30 cm，湿结壳资源量为14 092.00×10⁴ t。这些数据表明，戈沃罗夫盖特平顶海山规模大，钴结壳资源前景潜力较大，可作为钴结壳继续调查和矿区申请备选海山。