CN115754212A - 厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，通过在典型深海多金属结核分布区海底面投放多金属结核的常见内核物质，监测并改变海底沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量以及内核类型和大小等参数，实现对比、观测和记录不同环境下各类型内核物质表面铁锰氧化物的形成和增生过程，从而使得量化评价不同成核物质和不同环境因子在多金属结核初始生长期和富集成矿过程中的作用具备可行性。本发明方案具有可操作强、准确度高等优势，可在深海多金属结核初始生长过程刻画研究、成矿机制调查和资源评价中得到有效利用。
Description
技术领域
本发明涉及多金属结核初始生长期富集成矿研究领域，具体涉及一种厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法。
背景技术
深海多金属结核一般由内核物质和环绕内核的外部铁锰氧化物同心圈层所组成。内核物质是驱动多金属结核开始生长的必备载体，常见的内核物质包括岩石、固结的沉积物、生物骨骼、先期形成的多金属结核以及这些物质的碎块等。环绕内核物质表面开始生长的外层铁锰氧化物在增生过程中会大量吸附周边海水或孔隙水内的铜、钴、镍等关键金属物质，从而富集成矿。
深海多金属结核的形成条件颇为宽泛，因此广泛分布在全球各大深海平原内，但不同海域结核的分布丰度、面积和关键金属含量却迥异。诸如太平洋克拉里昂-克利伯顿断裂带(CC区)结核中蕴藏的锰、镍、钴等金属的规模就超过目前陆上已知所有矿床探明和控制资源储量之和，潜在经济价值巨大，但也有许多海域却是一颗结核也难寻。除了分布地貌和水深条件等显而易见的因素外，深海沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量以及内核类型和大小等参数都是制约多金属结核大规模富集成矿，尤其是决定着初始生长期多金属结核能否形成进而增生壮大的关键环境因子。但目前采集到的海底多金属结核形成年代通常距今已数百万年甚至上千万年，结核初始生长期的信息和环境制约因素已无从知晓。
对于初始生长期各不同类型内核物质哪类更有利于驱动多金属结核开始形成，深海沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量、内核类型和内核大小等这些因子在多金属结核初始生长期增生以及富集成矿过程中扮演的角色孰轻孰重更是知之甚少，进而制约着多金属结核潜力区预测和资源评价工作的展开。因此，亟需一种厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿的环境因子，并对各环境因子给出量化指标的方法，以解决以上问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，实现对深海多金属结核初始生长过程的刻画研究和环境因子的量化分析。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，包括以下步骤：
步骤A、圈定分析区域，并对其进行清除：选定典型深海多金属结核分布区海底面，在选定的海底面圈定多个分析区域，相邻分析区域之间间距相等，并清除分析区域内长轴超过2mm的大颗粒和固结度高的物质；
步骤B、圈定投放区域，并投放内核样品：在选定的分析区域的中心位置圈定投放区域，将投放区域划分为多组试验区和原样区，同一组试验区和原样区相邻设置；
向试验区和原样区范围内垂直投放内核样品，同一组试验区和原样区投放一种相同种类的内核样品，所述内核样品包括岩石、固结的沉积物、生物骨骼和多金属结核；
步骤C、监测系统布设：设置长周期监测系统，以监测分析区域内海底沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量参数变化；
步骤D、参数采集与设定：
步骤D1、原样区投放的内核样品保持自然状态，试验区投放的内核样品的沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量逐期提升，且每个试验区只进行一种参数改变；
步骤D2、分别采集原样区和试验区中的若干个内核样品，观测、对比和记录各类内核样品表面铁锰氧化物层的生长变化特征，所述生长变化特征包括结构、质量和成分；
步骤D3、重复步骤D1和步骤D2，直至若干个周期后投放区域内的内核样品被采集完；
步骤E、相关性分析量化环境因子：将多金属结核每个监测周期增生的关键金属的总量价值与对应监测周期内的环境因子进行相关性分析；所述环境因子包括沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量，以及内核样品类型和内核样品大小数值。
进一步的，根据权利要求1所述的厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于：所述步骤A中，将分布水深位于该区碳酸盐补偿深度线及以深的区域设定为典型深海多金属结核分布区海底面。
进一步的，所述投放区域的面积为分析区域面积的3％～5％。
进一步的，所述内核样品的长轴长度为5mm～2cm之间，相同长轴样品的体积大小相同，每个投放区所投放的内核样品的数量为20～40个。
进一步的，所述步骤C中，长周期监测系统包括沉积物捕获器，深海工作站或者锚系上的流速计和自容式溶解氧探针，锚系上的海底相机监测以及沉积物插管，在进行监测参数采集时：
海底沉积物的沉积速率V通过监测周期内沉积物捕获器内沉降的沉积物的质量G除以时间T来得到；
底层水流速和底层水溶解氧含量通过放置在深海工作站或锚系上的流速计和自容式溶解氧探针在监测周期内的平均测试值来确定；
底栖巨型生物分布密度通过监测周期内深海工作站或锚系上的海底相机拍摄的影像资料识别体长超过1cm的底栖生物在海底单位面积内的分布数量的平均值来确定；
沉积物有机碳含量通过监测周期内遥控无人潜水器ROV在各投放区内的沉积物插管取样，并基于有机碳含量测试方法来测定。
进一步的，所述步骤D中，所述试验区沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量逐期提升采用以下策略：
沉积物沉积速率的改变通过锚系沉积物漏斗向下释放沉积物来实现，试验区每个监测周期释放的沉积物量在前一个监测周期该试验区沉积物沉降量的基础上增加a％；
底层水流速的改变通过泵和管道输水装置来控制，试验区每个监测周期底层水流速在前一个监测周期该试验区底层水流速的基础上增加a％；
底层水溶解氧含量的改变通过泵和管道输氧装置来控制，试验区每个监测周期底层水溶解氧含量在前一个监测周期该试验区底层水溶解氧含量基础上增加a％；
底栖巨型生物分布密度的改变通过ROV投放底栖巨型生物来实现，试验区每个监测周期底栖巨型生物分布密度在前一个监测周期该试验区底栖巨型生物分布密度的基础上增加a％；
沉积物有机碳含量的改变通过锚系沉积物漏斗投放有机碳组分来实现，试验区每个监测周期有机碳组分投放量在前一个监测周期该试验区插管取样测试值的基础上增加a％。
进一步的，所述监测周期为1～3年，沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量逐期提升量a的取值范围为5～15。
进一步的，所述步骤E中，所述关键金属包括锰、铜、钴和镍；内核样品类型与基于内核表面逐步生长形成的多金属结核在每个监测周期增生的锰、铜、钴、镍关键金属的总量价值之间的关系仅需确定从高到低排序，对于除内核类型之外的环境因子则通过相关系数ρ大小来量化厘定，相关系数越高，该环境因子在多金属结核初始期富集成矿过程中的制约权重也就越高。
进一步的，所述步骤E中，在确定相关系数时：
(1)计算单个关键金属的周期增生价值量Mi：
Mi＝(a1*c1-a0*c0)*m1
其中，i为关键金属的种类，i＝1,2,3…，a1为当前监测周期采集的多金属结核样品的质量，c1为当前采集样品该金属的含量，a0为上一监测周期采集样品的质量，c0为上一监测周期采集样品的该金属含量，m1为当前监测周期中该金属的平均价格；
(2)计算x为所有关键金属的总量价值之和：
x＝M1+M2+M3+…；
(3)总量价值x与环境因子y的相关系数值计算公式如下：
其中，ρ表示多个周期(一般不少于5个)x和y的相关系数，Cov(x，y)为x，y的协方差，D(x)、D(y)分别为x、y的方差，此处的y是指当前监测周期内的沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量数值和内核样品的体积大小。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案通过在典型深海多金属结核分布区海底面投放多金属结核的常见内核物质，监测并改变海底沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量以及内核类型和大小等参数，将百万年尺度内以上海洋环境参数的缓慢变化缩短到数十年内模拟完成，实现对比、观测和记录不同环境下各类型内核物质表面铁锰氧化物的形成和增生过程，从而使得量化评价不同成核物质和不同环境因子在多金属结核初始生长期和富集成矿过程中的作用具备可行性。此方法具有可操作强、准确度高等优势，可在深海多金属结核初始生长过程刻画研究、成矿机制调查和资源评价中得到有效利用。
附图说明
图1为本发明实施例所述分析方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所述分析区域的排布示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本实施例提出一种量化厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤A、选定典型深海多金属结核分布区海底面，并在选定的海底面圈定多个分析区域，相邻分析区域之间等间距间隔，并清除分析区域内大颗粒和固结度较高的物质；
步骤B、在选定的分析区域的中心位置圈定投放区域，所述投放区域的面积为分析区域面积的3％～5％；将投放区域划分为多组试验区和原样区，同一组试验区和原样区相邻设置；
向试验区和原样区范围内垂直投放多个内核样品，同一组试验区和原样区投放一种种类相同的内核样品，所述内核样品包括岩石、固结的沉积物、生物骨骼和多金属结核；
步骤C、在相邻的投放区域的中央位置设置长周期监测系统，监测海底沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量参数；
步骤D、监测参数采集：
步骤D1、各内核样品的原样区保持自然状态，试验区的沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量逐期提升，且每个试验区只进行一种参数改变；
步骤D2、分别采集原样区和试验区中的若干个内核样品，观测、对比和记录各类样品表面铁锰氧化物层的结构、质量和成分等生长变化特征；
步骤D3、然后再重复步骤D1和步骤D2，直至若干个监测周期后投放区域内的内核样品被采集完，完成监测参数的采集；
步骤E、相关性分析量化环境因子：将多金属结核每个监测周期增生的关键金属的总量价值与对应监测周期内的环境因子进行相关性分析；所述环境因子包括沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量，以及内核样品类型和内核样品大小数值。
具体的，下面结合具体案例对本发明方案进行详细的说明：
(1)步骤A中，所述典型深海多金属结核分布区海底面的分布水深通常位于该区碳酸盐补偿深度线及以深，本实施例中，所述分析区域的数量可以根据内核样品的种类以及沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量等环境因子的数量来确定，分析区域的数量一般可取内核样品种类数量的6倍，以便于划分试验区和原样区进行试验及数据采集与分析。
如图2所示，本实施例在海底面圈定24个面积为25m2的正方形区域作为分析区域，根据内核样品的种类划分为4组，包括岩石内核类型区、固结的沉积物内核类型区、生物骨骼内核类型区以及多金属结核内核类型区，每一组以2行3列的排布方式设置，彼此相邻的任何两个分析区域间隔为1km，分析区域的面积、间隔以及排布方式可根据具体情况进行设定，比如，多个分析区域可以环形、星形等其他形式排布，在此不做具体限定。
在清除分析区域内大颗粒和固结度较高的物质时，可以通过履带式爬行车携带的2mm孔径的拖网将24个25m2的分析区域内存在的多金属结核、岩石、固结的沉积物以及大型生物骨骼等与随后人工投放内核样品相似的大颗粒和固结度较高物质清除干净，留下松散的沉积物，以避免天然结核与人工实验投放物及通过这些载体后续形成的结核产生混淆。
本方案选择典型深海多金属结核分布区的目的是保障内核物质能够形成多金属结核，若投放到当前不存在多金属结核的区域，可能永远都不能形成结核，也就无法量化计算制约其初始生长期富集成矿的环境因子。
(2)步骤B中、在以上每个分析区域的中央位置，圈定1m2的正方形范围作为投放区域，在距离海底沉积物上方3～5m处借助ROV向4组投放区域范围内分别垂直投放岩石、固结的沉积物、生物骨骼和多金属结核4种不同类型的内核样品，以作为多金属结核生长的驱动载体，其长轴为5mm～2cm的常见内核样品，岩石、固结的沉积物、生物骨骼以及多金属结核长轴长度对应的分别为5mm、1cm、1.5cm和2cm，每个类型的内核样品投放在同一组投放区域内，如图2所示，岩石内核类型区投放岩石，固结的沉积物内核类型区投放固结的沉积物，生物骨骼内核类型区投放生物骨骼，多金属结核内核类型区投放多金属结核，且每个投放区内投放内核样品约20～40个，且不同长轴长度样品的投放数量和形态均相同。
具体实施时，根据实际情况确定分析区域和投放区域的面积即可，面积越大，工作强度可能越高，本实施例中清除的正方形区域(分析区域)选择5m边长，投放的正方形区域(投放区)选择1m边长，主要考虑到深海典型多金属结核区的海底地形平坦，且底流通常低于5cm/s，投放区与天然多金属结核分布区间超过2m范围的清除地带足以保证人工投放的内核物质在生长过程中，不受底流从周边结核区可能携带过来的结核物质的影响。此外，相对于内核物质不超过2cm的长轴长度，1m2的投放区域也足够保证多金属结核的生长彼此不受干扰，且也为后续ROV采集样品减少搜索范围。而每两个相邻的清除区间隔1km是考虑到ROV采样等作业过程中可能造成沉积物扰动，形成沉积物羽状流并随着底流扩散，而1km的间距也足以保证在各投放区内进行的环境因子改变作业不会影响相邻投放区内结核的生长。
另外，每类内核样品需要单独投放到一个区域内，因为当这些内核物质表面被形成的黑褐色铁锰氧化物包裹后，难以目视识别出内核类型。如果所有内核物质均投放到一个区域内，则后续现场采样无法区分，可能采集到船舶实验室内的所有样品均为一类内核形成的结核，导致测试分析和对比研究工作无法开展。
(3)在每组分析区域的中央位置放置1套长周期监测系统，监测周期一般取1～3年，本实施例取2年为一次监测周期，长周期监测系统包括沉积物捕获器(沉积物速率监测)、深海工作站或者锚系上的流速计和自容式溶解氧探针监测(底层水流速和溶解氧含量监测)、锚系上的海底相机监测(底栖巨型生物分布密度监测)以及ROV在各分布区内的沉积物插管(沉积物有机碳含量监测)，具体各监测模块为成熟技术设备，根据实际监测参数进行选择布设即可，在此不做过多阐述。
如图2所示，本实施例共需布放4套。其中海底沉积物的沉积速率(V)通过2年内沉积物捕获器内沉降的沉积物的质量(G)除以时间(T)来得到(V＝G/T)；底层水流速和溶解氧含量通过放置在深海工作站或锚系上的流速计和自容式溶解氧探针在2年内的平均测试值来确定；底栖巨型生物分布密度通过2年内深海工作站或锚系上的海底相机拍摄的影像资料识别体长超过1cm的底栖生物在海底单位面积内的分布数量的平均值来确定；沉积物有机碳含量通过2年内ROV在各分布区内的沉积物插管取样，并借助重铬酸钾容量法等有机碳含量测试方法来测定。
(4)如图2所示，每组分析区域的原样区保持自然状态，对试验区通过布放锚系沉积物漏斗、泵和管道输水输氧装置以及ROV的环境因子人工干预系统，对其中内核样品分布位置的沉积物沉积速率、底层水流速、溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量实现梯度改变(即依据长周期监测系统监测数据实现梯度改变)，本实施例中，每组分析区域包括5个试验区，分别为沉积物沉积速率改变区、底层水流速改变区、底层水溶解氧含量改变区、底栖巨型生物分布密度改变区和沉积物有机碳含量改变区，试验区的沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量每2年提升5％～15％，优选逐期提升10％；
其中沉积物沉积速率的改变通过锚系沉积物漏斗向下释放沉积物来实现，试验区每2年释放的沉积物沉降量在前2年试验区沉积物沉降量的基础上增加10％；
比如，设长周期监测系统监测的沉积物沉降量为10mm，则在第一个监测周期，试验区内投放的内核样品的沉积物沉降量增加10*10％＝1，则此时试验区内的沉积物沉降量为10+1＝11；则在第二个监测周期，试验区内投放的内核样品的沉积物沉降量在第一个监测周期试验区沉积物沉降量的基础上增加10％，即第二个监测周期投放的内核样品的沉积物沉降量增加11*10％＝1.1，以此类推；
底层水流速的改变通过泵和管道输水装置来控制，试验区每个2年期底层水流速在前2年试验区底层水流速的基础上增加10％；
同理，设长周期监测系统监测的底层水流速为10cm/s，则在第一个监测周期，试验区内底层水流速增加10*10％＝1，则此时试验区内的底层水流速为10+1＝11；则在第二个监测周期，试验区内底层水流速在第一个监测周期试验区底层水流速的基础上增加10％，即第二个监测周期底层水流速增加11*10％＝1.1，以此类推；
底层水溶解氧含量的改变通过泵和管道输氧装置来控制，试验区每个2年期底层水溶解氧释放量在前2年该试验区底层水溶解氧含量的基础上增加10％；其计算原理同上，在此不做详述；
底栖巨型生物分布密度的改变通过ROV投放底栖巨型生物来实现，试验区每个2年期底栖巨型生物投放量在前2年试验区底栖巨型生物的投放量的基础上增加10％；
沉积物有机碳含量的改变与沉积物沉积速率一样通过锚系沉积物漏斗投放有机碳组分来实现，试验区每2年有机碳组分投放量在前2年试验区ROV插管取样测试值的基础上增加10％。
长周期监测系统监测参数的目的是对试验区内沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量实现梯度改变，本实施例中，长周期监测系统可以监测分析区域内自然状态下的区域参数，也可以直接监测试验区内的区域参数，由于典型深海多金属结核分布区海底地形平坦，通常相邻数千里到数十千米范围内沉积物沉积速率、底层水流速和溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量差异较小，因此本实施例在四组分析区域内分别布设4套由沉积物捕获器、深海工作站或锚系上的流速计、自容式溶解氧探针和海底相机，以及ROV在所有投放区的插管取样所组成的长周期监测系统足以得到整个区域自然状态下的环境因子数据(图2)，当然，也可根据实际情况在所有投放区域都布设以上长周期监测系统，不过成本也会增加，具体根据实际需要进行布设即可。另外，因为多金属结核生长缓慢，所以每2年改变一次环境因子参数足以满足量化厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿的需求。
(5)间隔2年时间后分别采集岩石内核类型区、固结的沉积物内核类型区、生物骨骼内核类型区以及多金属结核内核类型区所有投放区域中的2～4个结核内核样品；观测、对比和记录各类型样品表面铁锰氧化物层的结构、质量和成分等生长变化特征，然后再重复步骤(4)和步骤(5)，通过不断提升试验区的沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量，并采集有效数据与原样区的数据进行对比、分析和记录；
本实施例中，假设每个投放区域投放20个内核样品，每个监测周期(2年)采集4个内核样品进行观察、测试和比较研究，则共需要5个监测周期完成一次分析，具体可根据实际情况进行调整。记录相同类型内核样品在试验区相对于原样区增生的铁锰氧化物质量，以及彼此间成分的差异。
(6)在超过5次重复步骤(4)和步骤(5)之后，将多金属结核每2年增生的锰、铜、钴、镍关键金属的总量价值(x)与这2年的沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量，以及内核类型和内核大小等环境因子的数值进行线性相关分析。
除内核样品类型与多金属结核每2年增生的锰、铜、钴、镍关键金属的总量价值之间的关系不用给出量化数值而仅需要确定从高到低的四类排序外，其余均可用相关系数(ρ)大小来量化厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿的环境因子。相关系数越高，该环境因子在多金属结核初始期富集成矿过程中的制约权重也就越高。
其中多金属结核每2年增生的锰、铜、钴、镍关键金属的总量价值等于当前采集样品的质量(a1)乘以当前样品该金属的含量(c1)，来减去2年前采集的样品的质量(a0)乘以2年前采集的样品的含量(c0)，然后再乘以2年中该金属的平均价格(m1)来得到。以锰为例即：
铜、钴、镍的计算方法与之相同，用x表示锰、铜、钴、镍四种关键金属的总量价值之和。
锰、铜、钴、镍四种关键金属的总量价值(x)与沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量以及内核大小等环境因子数值(y)的相关系数值计算公式如下：
其中Cov(x，y)为x，y的协方差，D(x)、D(y)分别为x、y的方差。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、圈定分析区域，并对其进行清除：选定典型深海多金属结核分布区海底面，在选定的海底面圈定多个分析区域，相邻分析区域之间间距相等，并清除分析区域内大颗粒和固结度高的物质；
步骤B、圈定投放区域，并投放内核样品：在选定的分析区域的中心位置圈定投放区域，将投放区域划分为多组试验区和原样区，同一组试验区和原样区相邻设置；
向试验区和原样区范围内垂直投放内核样品，同一组试验区和原样区投放一种相同种类的内核样品，所述内核样品包括岩石、固结的沉积物、生物骨骼和多金属结核；
步骤C、监测系统布设：设置长周期监测系统，以监测分析区域内海底沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量参数变化；
步骤D、参数采集与设定：
步骤D1、原样区投放的内核样品保持自然状态，试验区投放的内核样品的沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量逐期提升，且每个试验区只进行一种参数改变；
步骤D2、分别采集原样区和试验区中的若干个内核样品，观测、对比和记录各类内核样品表面铁锰氧化物层的生长变化特征，所述生长变化特征包括结构、质量和成分变化；
步骤D3、重复步骤D1和步骤D2，直至若干个监测周期后投放区域内的内核样品被采集完；
步骤E、相关性分析量化环境因子：将多金属结核每个监测周期增生的关键金属的总量价值与对应监测周期内的环境因子进行相关性分析；所述环境因子包括沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量，以及内核样品类型和内核样品大小数值。
2.根据权利要求1所述的厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于：所述步骤C中，长周期监测系统包括沉积物捕获器，深海工作站或者锚系上的流速计和自容式溶解氧探针，锚系上的海底相机以及沉积物插管，在进行监测参数采集时：
海底沉积物的沉积速率通过监测周期内沉积物捕获器内沉降的沉积物的质量除以时间来得到；
底层水流速和底层水溶解氧含量通过放置在深海工作站或锚系上的流速计和自容式溶解氧探针在监测周期内的平均测试值来确定；
底栖巨型生物分布密度通过监测周期内深海工作站或锚系上的海底相机拍摄的影像资料识别体长超过1cm的底栖生物在海底单位面积内的分布数量的平均值来确定；
沉积物有机碳含量通过监测周期内遥控无人潜水器在各投放区内的沉积物插管取样，并基于有机碳含量测试方法来测定。
3.根据权利要求1所述的厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于：所述步骤D中，所述试验区沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量逐期提升采用以下策略：
沉积物沉积速率的改变通过锚系沉积物漏斗向下释放沉积物来实现，试验区每个监测周期释放的沉积物量在前一个监测周期该试验区沉积物沉降量的基础上增加a％；
底层水流速的改变通过泵和管道输水装置来控制，试验区每个监测周期底层水流速在前一个监测周期该试验区底层水流速的基础上增加a％；
底层水溶解氧含量的改变通过泵和管道输氧装置来控制，试验区每个监测周期底层水溶解氧含量在前一个监测周期该试验区底层水溶解氧含量基础上增加a％；
底栖巨型生物分布密度的改变通过ROV投放底栖巨型生物来实现，试验区每个监测周期底栖巨型生物分布密度在前一个监测周期该试验区底栖巨型生物分布密度的基础上增加a％；
沉积物有机碳含量的改变通过锚系沉积物漏斗投放有机碳组分来实现，试验区每个监测周期有机碳组分投放量在前一个监测周期该试验区插管取样测试值的基础上增加a％。
4.根据权利要求3所述的厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于：所述监测周期为1～3年，沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度和沉积物有机碳含量逐期提升量a的取值范围为5～15。
5.根据权利要求1所述的厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于：所述步骤E中，内核样品类型与多金属结核每个监测周期增生的关键金属的总量价值之间的关系仅需确定排序，所述关键金属包括锰、铜、钴和镍，对于除内核样品类型之外的环境因子则通过相关系数大小来量化厘定，相关系数越高，该环境因子在多金属结核初始生长期富集成矿过程中的制约权重也就越高。
6.根据权利要求5所述的厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于：所述步骤E中，在确定相关系数时：
(1)计算单个关键金属的周期增生价值量Mi：
Mi＝(a1*c1-a0*c0)*m1
其中，i为关键金属的种类，i＝1,2,3…，a1为当前监测周期采集的多金属结核样品的质量，c1为当前采集样品该金属的含量，a0为上一监测周期采集样品的质量，c0为上一监测周期采集样品的该金属含量，m1为当前监测周期中该金属的平均价格；
(2)计算x为所有关键金属的总量价值之和：
x＝M1+M2+M3+…；
(3)总量价值x与环境因子y的相关系数值计算公式如下：
其中，ρ表示x和y的相关系数，Cov(x，y)为x，y的协方差，D(x)、D(y)分别为x、y的方差，此处的y是指当前监测周期内的沉积物沉积速率、底层水流速、底层水溶解氧含量、底栖巨型生物分布密度、沉积物有机碳含量数值和内核样品的体积大小。
7.根据权利要求1所述的厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于：所述步骤A中，将分布水深位于该区碳酸盐补偿深度线及以深的区域设定为典型深海多金属结核分布区海底面。
8.根据权利要求1所述的厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于：所述投放区域的面积为分析区域面积的3％～5％。
9.根据权利要求1所述的厘定制约多金属结核初始生长期富集成矿环境因子的方法，其特征在于：所述内核样品的长轴长度为5mm～2cm之间，相同长轴样品的体积相同，每个投放区所投放的内核样品的数量为20～40个。
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Citations (3)
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| CN112033383A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-04 | 中国海洋大学 | 深海多金属结核开采工程地质环境监测系统及方法 |
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| CN114707376A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-07-05 | 国家海洋信息中心 | 一种模拟海底多金属结核赋存分布方法 |
-
2022
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