基于ROV的近海底地形測量及其在馬努斯盆地熱液區(qū)的應(yīng)用

馬小川,欒振東,張鑫,鄭翠娥,閻軍*,孫大軍

(1.中國科學院海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室,山東 青島266071;2.哈爾濱工程大學 水聲工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

基于ROV的近海底地形測量及其在馬努斯盆地熱液區(qū)的應(yīng)用

馬小川1,欒振東1,張鑫1,鄭翠娥2,閻軍1*,孫大軍2

(1.中國科學院海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室,山東 青島266071;2.哈爾濱工程大學 水聲工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

針對重點的特殊深海研究區(qū)(如熱液冷泉、洋中脊區(qū)域)，在船載多波束數(shù)據(jù)獲得研究區(qū)大面積地形資料的基礎(chǔ)上，有必要選取典型深海小靶區(qū)進行高分辨率地形測量為進一步深入研究提供保障。根據(jù)船載多波束實測數(shù)據(jù)選取PACMANUS熱液區(qū)作為靶區(qū)，基于長基線定位，利用“發(fā)現(xiàn)”ROV搭載多波束系統(tǒng)進行近海底全覆蓋地形測量。結(jié)果表明，依托于船動力定位系統(tǒng)及差分GPS，長基線為ROV提供了可靠的高精度定位，使得近海底測量的地形數(shù)據(jù)分辨率數(shù)倍優(yōu)于船載多波束測得的地形數(shù)據(jù)的分辨率。高分辨率地形清晰的顯示了PACMANUS熱液區(qū)錐形丘體等特殊微地形，與已發(fā)現(xiàn)的熱液點和火山區(qū)有很好的對應(yīng)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域活動的熱液區(qū)主要發(fā)育于坡度大于30°斜坡上的地形突變區(qū)，其成因仍需深入研究。利用ROV搭載多波束近底測量是獲取深海小靶區(qū)高分辨率地形的可靠途徑和方法，有利于提高深海海底研究的針對性，將促進我國深?？茖W研究的發(fā)展。

地形測量；高分辨率；ROV；熱液；馬努斯盆地

1 引言

自從第一幅綜合的全球海底地形圖[1]發(fā)布以來，海底地形數(shù)據(jù)成為全球海洋研究特別是海洋地質(zhì)研究的重要參考。近年來，隨著水深測量技術(shù)的不斷發(fā)展及科考項目的實施，全球海洋海底地形數(shù)據(jù)得到進一步更新[2—3]的同時，熱點海域的海底地形也獲得精細的測量和研究[4—7]。特別是針對深海海底發(fā)育的特殊地質(zhì)現(xiàn)象，如洋中脊、海山、熱液冷泉、海底峽谷等，高分辨率海底地形的測量不僅為認識這些現(xiàn)象提供了直接的途徑，也為深入研究這些地質(zhì)現(xiàn)象提供了必要的基礎(chǔ)資料[8]，進而幫助我們更好地理解地球動力演化、深海生態(tài)系統(tǒng)以及海底沉積過程。特別是ROV(Remoted Operated Vehicle)和AUV(Autonomous Underwater Vehicle)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，使得我們能夠更近距離地觀測海底現(xiàn)象，這拓展了我們的研究區(qū)域并促進了深海研究的進一步發(fā)展[9—12]，一些重點研究區(qū)海底地形的分辨率已經(jīng)達到了亞米級[13—14]。然而由于技術(shù)水平的制約，我國的相關(guān)研究起步較晚，特別是高分辨率地形數(shù)據(jù)較為缺乏，影響了我們對近海底特殊現(xiàn)象的深入理解。

一般來講，在深海海域，船載多波束系統(tǒng)所獲得的海底地形數(shù)據(jù)的分辨率最高可以達到50 m[15]。由于船載多波束測量系統(tǒng)擁有較寬的覆蓋率和高效的測量方式，目前是大面積水深測量的優(yōu)先選擇[12]。但在某些重點研究區(qū)域，由于一些海底地質(zhì)現(xiàn)象如冷泉、熱液系統(tǒng)發(fā)育的范圍較集中，數(shù)十米分辨率的數(shù)據(jù)難以精細描述熱液或冷泉發(fā)育區(qū)的地形，不能為深入的研究目標提供精確指引。因此，有必要根據(jù)研究目標進一步確定重點典型研究靶區(qū)進行精細測量。本文闡述了基于ROV近海底測量高分辨地形的方法，通過2015年5-7月在西太平洋馬努斯盆地的實踐和應(yīng)用，獲得了PACMANUS熱液區(qū)的高分辨率地形并進行分析。

2 研究區(qū)概況

馬努斯海盆位于西太平洋俾斯麥海的東部(圖1)，巴布亞新幾內(nèi)亞的北部，是一個快速擴張的弧后盆地，平均水深2 000 m。本文的研究區(qū)位于東馬努斯盆地，位于Weitin轉(zhuǎn)換斷層和Djaul轉(zhuǎn)換斷層之間[16]，是一個島弧張裂區(qū)，該區(qū)域擴張速度可以達到137.5 mm/a，是俾斯麥海中擴張速率最高的區(qū)域[17]。該區(qū)域發(fā)育了多個熱液區(qū)，包括Vienna Woods熱液區(qū)[18]、PACMANUS熱液區(qū)[7,19—22]、DESMOS熱液區(qū)[23—25]和SuSu Knolls熱液區(qū)[26]，是研究現(xiàn)代海底熱液系統(tǒng)的典型區(qū)域和熱點區(qū)域[27—28]。自從該區(qū)域的熱液區(qū)被發(fā)現(xiàn)以來的20多年間，研究者通過獲得的一系列沉積物、巖石、海底環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，對該區(qū)域的活動熱液系統(tǒng)在地球化學、巖石組成、熱液過程等方向做了詳細的研究[29—31]。然而，這些研究多局限在地球化學等專業(yè)領(lǐng)域，對研究區(qū)地形的細節(jié)少有關(guān)注，盡管這些資料是進行深入研究的重要基礎(chǔ)。目前，針對該區(qū)域的精細地形地貌的報道也極少出現(xiàn)[7]。船載多波束測量是測量海底地形的有效手段，但受船速等因素的限制在深海區(qū)域其分辨率最高僅有數(shù)十米，遠不能達到精細描述特定靶區(qū)地形特征的目的。由于技術(shù)手段的制約，我國多采用船載多波束或深拖的方式進行地形測量，2007年中國大洋調(diào)查航次在西南印度洋脊利用美國伍茲霍爾研究所ABE水下機器人進行了熱液區(qū)的地形測繪[32]，然而，目前為止尚未有基于ROV的深海小靶區(qū)(如熱液區(qū))近海底高分辨率地形測量及分析的相關(guān)研究報道。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

3 基于ROV的近底地形測量方法

深海小靶區(qū)的高分辨率地形數(shù)據(jù)是基于船載多波束實測數(shù)據(jù)，并最終利用ROV或AUV搭載多波束系統(tǒng)進行近底測量來獲得的(圖2)。2015年5-7月，受中國科學院先導專項項目資助，中國科學院海洋研究所于2015年5-7月在馬努斯盆地研究區(qū)利用“科學”考察船搭載的多波束系統(tǒng)(Seabeam3012)采集水深地形數(shù)據(jù)。船載多波束測量時船的定位依靠差分GPS定位，定位精度優(yōu)于1 m，但是由于水深較深，波束有限，而且數(shù)據(jù)分辨率受船速和波束開角的共同影響，船速越高，波束開角越大，所獲得地形的分辨率越差[15]，獲得的地形數(shù)據(jù)分辨率通常低于數(shù)十米?？紤]的大面積調(diào)查的經(jīng)濟性，我們在研究區(qū)選擇5節(jié)航速，90°波束開角進行船載多波束全覆蓋測量。

圖2 深海小靶區(qū)選擇及高分辨率地形測量Fig.2 Target area selection and high-resolution measurement for the topography

圖3 ROV及綜合定位系統(tǒng)Fig.3 ROV and the integrated positioning system

在獲得地形數(shù)據(jù)后，根據(jù)實測地形在Pual洋脊頂部選取了一個近長方形區(qū)域(PACMANUS熱液區(qū))作為目標靶區(qū)，該區(qū)域面積約2 km×3 km，水深范圍約為1 641～1 895 m。之后利用“發(fā)現(xiàn)”ROV搭載多波束系統(tǒng)(Kongsberg EM2040)進行近底走航式全覆蓋水深測量，獲得PACMANUS熱液區(qū)的高分辨率地形數(shù)據(jù)。近海底觀測時，ROV觀測的方式類似于船載多波束走航式測量，不同的是ROV無法直接利用GPS進行定位，需要通過間接定位系統(tǒng)。此次測量利用哈爾濱工程大學研發(fā)的綜合定位系統(tǒng)對ROV進行定位。ROV下水測量之前，首先選擇目標靶區(qū)(PACMANUS熱液區(qū))地勢較高的點位布放長基線信標，構(gòu)建了一個長基線三角形陣，信標的標定位置見表1。在ROV進行近底地形測量的過程中，長基線為其提供定位服務(wù)?！鞍l(fā)現(xiàn)”ROV同時搭載綜合定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分體式安裝結(jié)構(gòu)，聲學換能器安裝于ROV艏部上方，電子艙則固定于ROV本體結(jié)構(gòu)上(圖3)。在測量時，測距儀通過ROV的光纖電纜與水面的超短基線部分進行時鐘同步，并能夠?qū)⒍ㄎ唤Y(jié)果實時通過光纖傳輸至ROV導航單元。該系統(tǒng)為ROV提供了水下長基線的精確定位和水面超短基線的跟蹤服務(wù)，其內(nèi)部的測距儀與水下信標相互應(yīng)答，實時解算ROV的位置信息，水面超短基線采用時鐘同步方式檢測測距儀的詢問信號，完成對ROV的定位和跟蹤。ROV測量航線間距150 m，距底高度40 m進行測量，自身動力驅(qū)動且能保證其姿態(tài)相對穩(wěn)定。在近底多波束測量過程ROV航跡線如圖4所示。

表1 信標標定結(jié)果

圖4 ROV定位軌跡Fig.4 Paths of ROV during topography measurement

為了驗證其定位精度，進行了靜態(tài)定位試驗，在ROV懸停狀態(tài)下，重復(fù)測量與信標的距離，獲得其數(shù)據(jù)偏差。經(jīng)過數(shù)據(jù)驗證和評估，長基線測距精度達到1.8 cm(圖5a)， ROV靜態(tài)定位精度優(yōu)于0.2 m(圖5b)。本次測量采集的原始水深數(shù)據(jù)由CARIS HIPS 8.1進行姿態(tài)校正和異常點剔除，處理后輸出散點數(shù)據(jù)，通過UTM投影(UTM 56度帶)進行坐標轉(zhuǎn)換，結(jié)果數(shù)據(jù)在網(wǎng)格化之后在Surfer中成圖。

4 結(jié)果與討論

4.1 海底地形船載測量與近底測量的結(jié)果對比

“科學”考察船搭載的多波束系統(tǒng)(Seabeam3012)在5節(jié)航速，90°波束開角測量2 000 m水深時的數(shù)據(jù)最優(yōu)橫向分辨率優(yōu)于40 m[15]。利用此船載多波束的測量數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)格化之后，獲得了分辨率為50 m的海底地形(圖6a)，結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育多個東北-西南走向的洋脊，其中規(guī)模最大的為Pual洋脊。Pual洋脊地形西北側(cè)較陡，坡度最大可達40°；東南側(cè)呈階梯狀，底部的坡度最大也可達40°；頂部相對較緩，大部分區(qū)域坡度小于15°。雖然通過此數(shù)據(jù)可以分辨洋脊等大尺度地形及其分布，但無法區(qū)分小區(qū)域的精細地形。如圖6b所示，小靶區(qū)水深約為1 600～1 900 m，地形西北側(cè)陡東南側(cè)緩，頂部呈馬鞍形，南北兩側(cè)地勢較高，但卻無法辨別地形的精細特征。相比之下，長基線定位精度高，且ROV近底測量(距底約40 m)，獲得水深數(shù)據(jù)橫向分辨率優(yōu)于1 m，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)格化之后獲得6 m網(wǎng)格的地形圖(圖6c)，該高分辨率地形圖不僅顯示了靶區(qū)的地形變化，也容易辨別該區(qū)域的復(fù)雜特殊地形，如發(fā)育于靶區(qū)中部的錐形地貌。因此，通過對比，可以看出ROV近底測量獲得的地形分辨率可以數(shù)十倍優(yōu)于船載多波束獲得的數(shù)據(jù)，在獲得小靶區(qū)高分辨地形方面有極大優(yōu)勢。然而，盡管船載多波束測量地形分辨率相對較低，在典型小靶區(qū)圈定及大面積海底地形測量中，船載多波束測量仍是必不可缺的重要基礎(chǔ)。

4.2 PACMANUS熱液區(qū)的高分辨率地形地貌特征

圖7清晰顯示了該區(qū)域的復(fù)雜地形特征，受火山作用及海底熔巖分布的影響，海底表面崎嶇多變，地形復(fù)雜。研究區(qū)中央地形相對平緩，坡度小于15°，西北側(cè)坡度大于40°(圖8)。測量結(jié)果顯示，研究區(qū)南部和北部地勢較高，中部偏北區(qū)域發(fā)育一個垂直于洋脊走向的低地，中部發(fā)育了一個新生的火山區(qū)[7]，面積約500 m×1 500 m。該新生火山區(qū)域是一個橢圓形區(qū)域，主要由3個丘狀地貌構(gòu)成，火山區(qū)南部發(fā)育兩個小型火山口，最南側(cè)火山口的環(huán)形坑直徑約50 m，最大深度約20 m，中部火山口的環(huán)形坑直徑約70 m，深約5 m。前人觀測表明該區(qū)域熱液溢出口和煙囪主要分布于中部的Snowcap、Fenway、Satanic區(qū)域和北部的Roman Ruins、Roger′s Ruins區(qū)域[7](圖7)。這些熱液噴口主要分布在火山區(qū)的兩側(cè)的斜坡處，其中有兩處熱液噴口能夠在高分辨地形圖上辨識出來。在火山區(qū)的東側(cè)邊緣，發(fā)育一個突出的圓錐形地貌，與周邊地形高差可達40 m，錐體中央下陷，對應(yīng)于活動的Snowcap熱液區(qū)。另外，在北部低地也發(fā)育一個長形的小型丘體，與周邊地形高差約20 m，對應(yīng)于之前發(fā)現(xiàn)的Roman Ruins熱液區(qū)[7]。

圖5 定位精度評估Fig.5 Assessment for the positioning accuracya.測距精度；b.靜態(tài)定位精度a.Accuracy of measured distance; b.accuracy of static positioning

圖6 船載多波束測量結(jié)果與ROV近底測量結(jié)果的對比Fig.6 Comparison between the results measured by multibeam sonar on board a ship and ROVa.船載多波束測量的研究區(qū)地形圖；b.目標靶區(qū)船載多波束測量結(jié)果；c.目標靶區(qū)ROV近底測量結(jié)果a.Relief map of the study area basing on shipboard multibeam survey; b.topography of the target area from shipboard multibeam survey; c.topography of the target area from near-bottom survey by ROV using a multibeam sonar

圖7 PACMANUS熱液區(qū)高分辨率地形圖及熱液點位置(分辨率6 m)Fig.7 High-resolution relief map of the PACMANUS hydrothermal field and the location of hydrothermal spots (at a resolution of 6 m)

圖8 PACMANUS熱液區(qū)地形坡度圖Fig.8 The slopes of the seafloor in the PACMANUS hydrothermal field

表2 PACMANUS主要熱液點的位置及分布面積(根據(jù)參考文獻[7]修改)

Tab.2 Locations of the main hydrothermal spots and their cover- age in the PACMANUS field (modified from reference[7])

注：X為未發(fā)現(xiàn)。

4.3 PACMANUS熱液點分布與地形變化的關(guān)系

研究區(qū)海底地形的變化與熱液活動可能相互影響。熱液點溢流區(qū)和煙囪區(qū)的發(fā)育面積(表2)表明，熱液活動在地形高點發(fā)育更為廣泛，已發(fā)現(xiàn)的熱液點中多數(shù)既有煙囪體也存在低溫溢流口，而且距離火山區(qū)更近的Tsukushi、Snowcap、Fenway和Satanic熱液點熱液活動更加強烈，溢流和煙囪更加發(fā)育；相對的，在距離火山區(qū)較遠的斜坡底部，Solwara-7和Solwara-8熱液活動最弱，煙囪體未發(fā)育(表2)。另外，該區(qū)域活動熱液點主要分布在火山區(qū)兩側(cè)斜坡的階地上，而且在熱液點發(fā)育的區(qū)域海底局部坡度超過30°(圖8，圖9)。進一步對研究區(qū)地形進行一階導數(shù)計算獲得定向坡度的分布，發(fā)現(xiàn)熱液點主要位于斜坡上的地形突變區(qū)，這些斜坡上地形突變可能是由斷裂、火山活動或熱液活動本身導致，但基于目前的資料無法確定其成因，相關(guān)研究需要進一步開展。目前對該區(qū)域熱液活動的控制因素仍有爭議，Binns等[33]認為該區(qū)域的熱液流體活動主要受斷裂控制，然而最近的研究認為熱液活動可能與該區(qū)域的火山活動有關(guān)，與火山附近沉積結(jié)構(gòu)的相關(guān)性更為顯著，因為對該區(qū)域的調(diào)查未在海底發(fā)現(xiàn)顯著的斷裂現(xiàn)象[7]。值得注意的是，在火山區(qū)兩側(cè)平行的相同方向上，地形的變化是相反的(圖10)，即火山區(qū)西北側(cè)向西南方向傾斜，而火山區(qū)東南側(cè)向東北方向傾斜，這可能與構(gòu)造活動有關(guān)。

5 結(jié)論與展望

(1)基于ROV搭載多波束對西太平洋馬努斯盆地PACMANUS熱液區(qū)進行了近海底全覆蓋地形觀測。研究證實，在測量過程中，長基線系統(tǒng)定位精度高，能夠保證ROV位置的準確性。由于是近底測量，在測量高分辨率地形時，ROV測量的優(yōu)勢極為明顯，測量的地形分辨率數(shù)倍優(yōu)于船載多波束觀測結(jié)果。然而，雖然船載多波束測量精度較低，船載多波束測量仍是獲得大面積海底地形的首選，也是目標小靶區(qū)選定的基礎(chǔ)。

圖9 熱液點地形剖面Fig.9 Bathymetrical profiles crossing the main hydrothermal spots in PACMANUS field剖面位置見圖7，圖中面積為溢流區(qū)/煙囪區(qū)的發(fā)育面積見表2，X為未發(fā)現(xiàn)Location of the profiles seeing Fig.7, the coverage values are from Tab.2 and X denote no occurence

圖10 定向一階導數(shù)的分布特征及與熱液點發(fā)育區(qū)的關(guān)系Fig.10 Characters of the directional first derivative and their relation to the distribution of the hydrothermal spots正值表示上坡，負值表示下坡Positive value of the directional first derivative denotes upslope while the negative value means downslope

(2)高分辨率地形顯示PACMANUS熱液區(qū)南部和北部地勢較高，中部偏北區(qū)域發(fā)育一個低地，中部發(fā)育了一個新生的火山區(qū)，一些錐形地形對應(yīng)了之前發(fā)現(xiàn)的多個熱液點。通過分析發(fā)現(xiàn)PACMANUS熱液區(qū)的熱液點主要發(fā)育于坡度大于30°的斜坡的地形突變區(qū)域，其原因仍需進一步深入研究。

(3)深海海底發(fā)育了特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，對深入認識地球演化及動力過程、海底環(huán)境等研究有重要意義，針對重點的特殊深海研究區(qū)(如熱液冷泉、洋中脊區(qū)域)，在船載多波束數(shù)據(jù)獲得研究區(qū)大面積地形資料的基礎(chǔ)上，有必要選取多個典型深海小靶區(qū)進行高分辨率地形測量為進一步深入研究提供保障。其中，ROV搭載多波束測量為其提供了可靠有效的途徑，應(yīng)得到進一步更為廣泛的實踐應(yīng)用。

致謝:感謝“科學”考察船馬努斯熱液航次上工作的所有科學家和全體船員為此工作所做的努力!

[1] Heezen B C, Tharp M. World Ocean Floor Panorama[M]//Full Color, Painted by H. Ber Mercator Projection, Scale:1:23,230,300, 1168×1930 mm. New York, 1977.

[2] Becker J J, Sandwell D T, Smith W H F, et al. Global bathymetry and elevation data at 30 arc seconds resolution: SRTM30_PLUS[J]. Marine Geodesy, 2009, 32(4): 355-371.

[3] Harris P T, Macmillan-Lawler M, Rupp J, et al. Geomorphology of the oceans[J]. Marine Geology, 2014, 352: 4-24.

[4] Kwasnitschka T, Hansteen T H, Devey C W, et al. Doing fieldwork on the seafloor: Photogrammetric techniques to yield 3D visual models from ROV video[J]. Computers & Geosciences, 2013, 52: 218-226.

[5] German C R, Lin J, Parson L M. Mid-Ocean Ridges: Hydrothermal Interactions Between the Lithosphere and Oceans[M]. Washington: American Geophysics Union, 2004: 245-266.

[6] Dorschel B, Wheeler A, Huvenne V, et al. Cold-water coral mounds in an erosive environmental setting: TOBI side-scan sonar data and ROV video footage from the northwest Porcupine Bank, NE Atlantic[J]. Marine Geology, 2009, 264(3): 218-229.

[7] Thal J, Tivey M, Yoerger D, et al. Geologic setting of PACManus hydrothermal area-high resolution mapping and in situ observations[J]. Marine Geology, 2014, 355: 98-114.

[8] 李家彪, 等. 多波束勘測原理技術(shù)與方法[M]. 北京: 海洋出版社, 1999.

Li Jiabiao, et al. Multibeam Sounding Principles Survey Technologies and Data Processing Methods[M]. Beijing: China Ocean Press, 1999.

[9] Roberts H, Shedd W, Hunt J. Dive site geology: DSV ALVIN (2006) and ROV JASON II (2007) dives to the middle-lower continental slope, northern Gulf of Mexico[J]. Deep-Sea Research Part Ⅱ: Topical Studies in Oceanography, 2010, 57(21): 1837-1858.

[10] Neves B M, Du Preez C, Edinger E. Mapping coral and sponge habitats on a shelf-depth environment using multibeam sonar and ROV video observations: Learmonth Bank, northern British Columbia, Canada[J]. Deep-Sea Research Part Ⅱ: Topical Studies in Oceanography, 2014, 99: 169-183.

[11] Sen A, Ondréas H, Gaillot A, et al. The use of multibeam backscatter and bathymetry as a means of identifying faunal assemblages in a deep-sea cold seep[J]. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2016, 110: 33-49.

[12] 陳義蘭, 劉樂軍, 劉曉瑜, 等. 深海油氣勘探中的海底地形勘測技術(shù)[J]. 海洋測繪, 2015,35(2): 18-22.

Chen Yilan, Liu Lejun, Liu Xiaoyu, et al. Seabed topographic survey technology in deep-sea oil and gas exploration[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2015, 35(2): 18-22.

[13] Ferrini V L, Fornari D J, Shank T M, et al. Submeter bathymetric mapping of volcanic and hydrothermal features on the East Pacific Rise crest at 9°50′ N[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2007, 8(1)：Q01006.

[14] Ferrini V L, Tivey M K, Carbotte S M, et al. Variable morphologic expression of volcanic, tectonic, and hydrothermal processes at six hydrothermal vent fields in the Lau back-arc basin[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(7)：Q07022.

[15] 鄭翔. 沖繩海槽中部熱液區(qū)及典型噴溢區(qū)地形地貌特征及成因分析[D]. 青島: 中國科學院海洋研究所, 2015.

Zheng Xiang. Topographic and geomorphologic features and genesis analyses of the hydrothermal fields and typical hydrothermal vents in the mid-Okinawa Trough[D]. Qingdao: Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, 2015.

[16] Taylor B, Crook K, Sinton J. Extensional transform zones and oblique spreading centers[J]. Journal of Geophysical Research, 1994, 99(B10): 19707-19718.

[17] Tregoning P. Plate kinematics in the western Pacific derived from geodetic observations[J]. Journal of Geophysical Research, 2002, 107: 1-8.

[18] Tufar W. Modern hydrothermal activity, formation of complex massive sulfide deposits and associated vent communities in the Manus back-arc basin (Bismarck Sea, Papua New Guinea)[J]. Mitteilung der Osterreichen Geologischen Gesellshaft, 1990, 82: 183-210.

[19] Craig H, Poreda R J. Studies of Methane and Helium in Hydrothermal Vent Plumes, Spreading-axis Basalts, and Volcanic Island Lavas and Gases in Southwest Pacific Marginal Basins: Papatua Expedition Legs V and VI, 1 February 1986-15 March 1986[R]. Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego, 1987.

[20] Bach W, Roberts S, Vanko D A, et al. Controls of fluid chemistry and complexation on rare-earth element contents of anhydrite from the Pacmanus subseafloor hydrothermal system, Manus Basin, Papua New Guinea[J]. Mineralium Deposita, 2003, 38(8): 916-935.

[21] Lackschewitz K S, Devey C W, Stoffers P, et al. Mineralogical, geochemical and isotopic characteristics of hydrothermal alteration processes in the active, submarine, felsic-hosted PACMANUS field, Manus Basin, Papua New Guinea[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2004, 68(21): 4405-4427.

[22] Reeves E P, Seewald J S, Saccocia P, et al. Geochemistry of hydrothermal fluids from the PACMANUS, Northeast Pual and Vienna Woods hydrothermal fields, Manus Basin, Papua New Guinea[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2011, 75(4): 1088-1123.

[23] Gamo T, Sakai H, Ishibashi J, et al. Hydrothermal plumes in the eastern Manus Basin, Bismarck Sea: CH 4, Mn, Al and pH anomalies[J]. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 1993, 40(11): 2335-2349.

[24] Gamo T, Ishibashi J, Shitashima K. Unique hydrothermal fluid from the DESMOS caldera, Manus Basin: reply to comments by JA Resing and FJ Sansone[J]. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 1996, 43(11): 1873-1875.

[25] Gamo T, Okamura K, Charlou J-L, et al. Acidic and sulfate-rich hydrothermal fluids from the Manus back-arc basin, Papua New Guinea[J]. Geology, 1997, 25: 139-142.

[26] Yeats C J, Parr J M, Binns R A, et al. The SuSu Knolls hydrothermal field, eastern Manus Basin, Papua New Guinea: An active submarine high-sulfidation copper-gold system[J]. Economic Geology, 2014, 109(8): 2207-2226.

[27] Auzende J M, Urabe T. Cruise explores hydrothermal vents of the Manus Basin[J]. Eos, Transaction American Geophysical Union, 1996, 77(26): 244-244.

[28] Auzende J M, Urabe T, Ruellan E, et al. SHINKAI 6500 dives in the Manus Basin: New STARMER Japanese-French program[J]. Deep-Sea Research, 1996, 42(12):323-334.

[29] Craddock P R, Bach W, Seewald J S, et al. Rare earth element abundances in hydrothermal fluids from the Manus Basin, Papua New Guinea: Indicators of sub-seafloor hydrothermal processes in back-arc basins[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2010, 74(19): 5494-5513.

[30] Park S-H, Lee S-M, Kamenov G D, et al. Tracing the origin of subduction components beneath the South East rift in the Manus Basin, Papua New Guinea[J]. Chemical Geology, 2010, 269(3): 339-349.

[31] 曾志剛, 陳帥, 王曉媛, 等. 東馬努斯海盆PACMANUS熱液區(qū)Si-Fe-Mn羥基氧化物的礦物學和微形貌特征[J]. 中國科學: 地球科學, 2013, 43(1): 61-71.

Zeng Zhigang, Chen Shuai, Wang Xiaoyuan, et al. Mineralogical and micromorphological characteristics of Si-Fe-Mn oxyhydroxides from the PACMANUS hydrothermal field, Eastern Manus Basin[J]. Science China: Earth Sciences, 2013, 43(1): 61-71.

[32] 陶春輝, 李懷明, 金肖兵, 等. 西南印度洋脊的海底熱液活動和硫化物勘探[J]. 科學通報, 2014, 59(19): 1812-1822.

Tao Chunhui, Li Huaiming, Jin Xiaobing, et al. Seafloor hydrothermal activity and polymetallic sulfide exploration on the southwest Indian ridge[J]. Chinese Science Bulletin, 2014, 59(19): 1812-1822.

[33] Binns R A, Barriga F J A S, Miller D J. Leg 193 synthesis: anatomy of an active felsic-hosted hydrothermal system, eastern Manus Basin, Papua New Guinea[C]//Proceedings of the Ocean Drilling Program, Scientific Results. Ocean Drilling Program, College Station, TX, 2007: 1-71.

石盛玉，程和琴，鄭樹偉，等. 三峽截流以來長江洪季潮區(qū)界變動河段沖刷地貌[J]. 海洋學報,2017,39(3): 85-95, doi.10.3969/j.issn.0253-4193.2017.03.008

Shi Shengyu, Cheng Heqin, Zheng Shuwei, et al. Erosional topography of the tidal limit in the Yangtze River in flood seasons after the river closure at Three Gorges[J]. Haiyang Xuebao, 2017,39(3): 85-95, doi.10.3969/j.issn.0253-4193.2017.03.008

Near-bottom topography measurement using ROV and its application in a deep-sea hydrothermal field in the Manus Basin

Ma Xiaochuan1, Luan Zhendong1, Zhang Xin1, Zheng Cuie2, Yan Jun1, Sun Dajun2

(1.KeyLaboratoryofMarineGeologyandEnvironment,InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China; 2.CollegeofUnderwaterAcousticEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

It is necessary to deploy high-resolution topographic surveys in a typical small target in deep-sea areas (e. g. hydrothermal seep, ridge area) to support the future further studies, after the full-covered topography data acquisition of the large study area using a shipborne mutli-beam system. Here, we select PACMANUS hydrothermal area as target area in the Manus Basin and deploy a near-bottom full-covered survey to obtain topography data basing on “FAXIAN” ROV. Results show that Long Baseline provide a reliable high-precision positioning relying on the ship dynamic positioning system and a differential GPS. The resolution of seabed topography which is near-bottom measured by ROV is tens of times better than that obtained by an onboard multi-beam system. High-resolution terrain clearly shows the detailed characters of the terrain in the PACMANUS hydrothermal field, and some cones are corresponding to the locations of the discovered hydrothermal points and volcanic area. Further analysis show that hydrothermal points mainly developed on the steep slopes whose gradients exceed 30°, and the causes are still unknown and need a further study. It is a reliable mean for obtaining high-resolution topography data by deploying near-bottom measurements using ROV, which will promote the development of deep-sea scientific research.

topography measurement; high-resolution; ROV; hydrothermal field; Manus Basin

2016-06-08；

2016-10-11。

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA11030301)。

馬小川(1985—)，男，山東省萊州市人，博士，助理研究員，從事海底地形地貌和沉積動力過程研究。E-mail:mxch@qdio.ac.cn

*通信作者：閻軍(1961—)，男，博士，研究員，主要從事海洋地質(zhì)、深海探測技術(shù)、海洋沉積動力等研究。E-mail:jyan@qdio.ac.cn

P736.21+2

A

0253-4193(2017)03-0076-09