基于DEM數(shù)據(jù)的菲律賓海典型區(qū)地貌類型劃分

宋維宇，劉婭楠，胡邦琦，楊慧良，陳江欣，賈超，劉森

1. 中國地質(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)國家試點實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測功能實驗室，青島 266071

3. 山東大學(xué)海洋研究院，青島 266237

4. 煙臺海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心，煙臺 264010

隨著海洋強國戰(zhàn)略的不斷推進，海底地貌的研究逐漸得到重視，其在國家建設(shè)、資源利用、生態(tài)保護、維護海洋權(quán)益等方面具有重要意義。一個多世紀以來，國內(nèi)外學(xué)者對海底地形地貌的成因和分類等開展了深入的調(diào)查研究，20世紀20—50年代，國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50—60年代，中國就已經(jīng)開展了海岸地貌的調(diào)查研究工作，并對黃海與東海重要海域的海底地貌類型與成因，以及東海、南海海底沉積物進行了研究，為中國開展海底地貌研究打下了良好基礎(chǔ)[2]。在20世紀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∶50萬～1∶100萬海底地貌圖。隨著測量技術(shù)的不斷更新，中國海底地貌研究是由宏觀向微觀、大地貌到微地貌、形態(tài)特征到地貌過程，同時人類活動對地貌的響應(yīng)研究等將會不斷深入[3]。

合理劃分海底地貌類型是海洋地貌研究的重要部分，對海洋地質(zhì)工作開展大有裨益。與陸地地貌內(nèi)、外營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)造運動，故對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力、內(nèi)營力、板塊構(gòu)造為基礎(chǔ)進行分類的三種觀點，其中以外營力作用為基礎(chǔ)的分類，在地貌學(xué)界有廣泛的應(yīng)用，其小范圍、大比例編圖對海洋工程、海岸帶及近海的開發(fā)和利用具有重要的使用價值；內(nèi)營力為基礎(chǔ)的分類能清晰地反映構(gòu)造對地貌的控制作用，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)成因分類和多指標綜合分類4種[3]。國際海底地名命名分委會（SCUFN）作為國際海底地名惟一官方組織，其界定評判海底地理實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)營力、外營力相結(jié)合的方式對海底地形地貌進行分類是一種比較合理的分類方式。目前，對于海底地貌的分類大多按照3個等級進行劃分，劃分類別不夠細致，考慮的因素不夠全面，四級地貌劃分缺少量化標準，不利于對海底地貌單元進行研究。本次研究主要針對以上不足，提出了基于DEM數(shù)據(jù)的菲律賓海典型區(qū)四級地貌定量化劃分標準和方案，并進行了地貌類型劃分。

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，針對菲律賓海地形地貌分類方面的研究內(nèi)容較少，分類標準大多采用三級標準，即使采用四級標準進行劃分，由于用途、制圖比例尺等因素的不同，在分類和分級方面也存在較大差異。四級地貌分類可以根據(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)外營力來進行地貌劃分[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)外營力、形態(tài)的方式來進行劃分[8]。這些分類標準不僅相差較大，而且大多僅給出分類結(jié)果，沒有提供細致的分類依據(jù)，無法很好地對海底地貌進行深度分析。采用四級地貌定量化劃分標準對海底地貌進行分類，并按形態(tài)特征、地貌規(guī)模大小及主從關(guān)系，依次逐級劃分，可以更好地細化海底地貌。

本文通過對前人海底地貌研究成果的總結(jié)，提出了既具有普適性，又有針對于研究區(qū)四級地貌量化的劃分標準和方案。利用ArcGIS空間分析等技術(shù)手段對DEM（數(shù)字高程模型，Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)進行深度處理分析，提取了研究區(qū)微觀、宏觀地貌因子，進行了四級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)標準規(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[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，東部有四國海盆和帕里西維拉海盆等。其中，西菲律賓海盆形成時間最早，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、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7 900 m。九州-帕勞海嶺以東，海底地形自西向東由四國-帕里西維拉海盆地形過渡為伊豆-小笠原弧，四國-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)造運動控制，自約61 Ma以中央斷裂帶為擴張中心開始南北向擴張[2]。在約43 MaBP，太平洋板塊運動方向發(fā)生變化，由NNW向（相對于熱點運動方向）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，并伴隨著強烈的弧后巖漿活動，形成了老的伊豆-小笠原島弧[11-12]。約29 MaBP，菲律賓海板塊開始向西北運動（3.5 cm/a），并發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為50°[13-15]，四國-帕里西維拉海盆開始擴張，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)、擴張后于約15 Ma基本不再轉(zhuǎn)動，其后經(jīng)歷了小規(guī)模的運動、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375 km，南北長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)來源于全球水深數(shù)據(jù)，紅色方框為研究區(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)合深遠海地貌類型劃分標準，確定研究區(qū)海底地形地貌類型，繪制研究區(qū)地貌分布簡圖，顯示不同地貌類型分布概況。

2.2 數(shù)據(jù)來源和計算方法

2.2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究選擇DEM數(shù)據(jù)進行分析研究。DEM即數(shù)字高程模型，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地面地形的數(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體地面模型。目前國際上常用的開放DEM數(shù)據(jù)主要有SRTM、ASTER等，這些數(shù)據(jù)對全球陸地表面覆蓋率較高，但是缺乏海床數(shù)據(jù)，不利于對海底微地貌單元進行研究[19-20]。本文基于開放數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)DEM，利用ArcGIS平臺的“Spatial Analyst”、“3D Analyst Tools”、“Create TIN”等工具建立海底DEM模型、計算地貌因子等。

2.2.2 地貌因子計算

地貌因子是分析地貌的重要指標，從宏觀和微觀兩個角度對研究區(qū)地貌因子進行提取，有利于對海底地貌進行深入研究。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、坡度變化率的計算選取3×3窗口。

2.2.3 相對高程基準面

相對高程基準面是計算相對高差、判別地貌類型的基礎(chǔ)條件。相對高程基準面即是海底地形、地物相對高程的統(tǒng)一起算面。一般選取海底平原、山間臺地等地形平緩（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高程基準面。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高程基準面，為確定地貌類型和繪制地貌分布簡圖提供計算依據(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?；鶞拭孢x取范圍為水深5 000～5 999 m，根據(jù)計算平均深度為5 443 m，作為相對高程基準面。

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。基準面選取范圍為水深5 334～4 400 m，根據(jù)計算平均深度為4 808 m，作為相對高程基準面。

四國-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?；鶞拭孢x取范圍為水深5 669～4 700 m，根據(jù)計算平均深度為5 000 m，作為相對高程基準面。

2.3 地貌類型劃分依據(jù)及類型

本文主要依據(jù)中國現(xiàn)有的標準、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《海底地名命名標準》[21]，對研究區(qū)進行到四級地貌的劃分（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，頂部與周圍地勢起伏高差（相對高度）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個或3個以上海山呈線性排列者稱海山鏈；3個以上不呈線性排列者稱海山群，3個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，頂部與周圍地勢起伏高差（相對高度）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線狀凹地，伸長、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；西部海山規(guī)模遠大于東部海山。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地貌單元。研究區(qū)構(gòu)造作用活躍，構(gòu)造運動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議，部分科學(xué)家認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的共同作用下形成的。分析認為，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，這兩個區(qū)域地形變化較大，分析認為其是經(jīng)歷過復(fù)雜的構(gòu)造作用和頻繁的巖漿活動下形成。

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低洼的負地形，二是可能由于弧后擴張的構(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、長期接受沉積的負地形地貌。因此，其成因與海山的成因密切相關(guān)，是在海山形成過程中由于構(gòu)造作用的擠壓或拉伸造成區(qū)域相對下降而形成的。

4 結(jié)論

（1）本次研究提出了研究區(qū)深遠海海底地貌類型劃分標準，對四級地貌劃分標準進行了量化，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（二級地貌單元）。受控于不同形成時期的構(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烈的巖漿、構(gòu)造等地質(zhì)作用。

（3）我國暫時缺少對深遠海海底地貌類型劃分的相關(guān)標準、規(guī)范，應(yīng)盡快進行量化標準的制定，規(guī)范深遠海海底地貌圖件的繪制，本次研究是對解決這些問題的有益嘗試。