探秘地球 | 深海礦產(chǎn)：地球的“終極前沿”之窗
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海洋覆蓋了地球2/3以上的面積，并儲存了地球上97%的水,。作為全球氣候的控制器,，幾千年來海洋持續(xù)為人類提供無窮無盡的資源。全球海洋的平均深度約為3700米,，被廣泛認(rèn)為是地球的“終極前沿”。其中,，深海海底覆蓋了地球面積的60%左右,。
深海海底演化歷史悠久，幾乎沒有光合作用,，造就了豐富而獨(dú)特的地質(zhì)環(huán)境,、地貌特征和生態(tài)系統(tǒng)，也形成了特有的礦產(chǎn)資源類型,。隨著能源轉(zhuǎn)型的加速推進(jìn),，清潔能源對金屬礦產(chǎn)的需求成為亟待研究的課題,。在此背景下，深海礦產(chǎn)為人類提供了認(rèn)識地球和滿足可持續(xù)發(fā)展需求的終極前沿之窗,。
深海礦產(chǎn)形成示意圖（改編自英國地質(zhì)調(diào)查局,，2018）
不斷發(fā)展的深海成礦視角
長期以來，人們一直認(rèn)為海洋盆地是從陸地風(fēng)化顆粒和溶解物質(zhì)經(jīng)過億萬年的沉積而成,，是相對靜止的,，然而這無法解釋海底礦物的形成，板塊構(gòu)造學(xué)說和板塊邊界的概念從根本上改變了這一觀點(diǎn)（如右上圖）,。
從圖中可以看出,，巖漿過程對海洋盆地的形成起著重要作用：地幔巖漿在大洋中脊處上升，固結(jié)后生成大洋地殼,，較老的地殼被推向兩側(cè)從而生長出洋盆,。海水經(jīng)地殼裂隙滲入地下，遇到熔巖被加熱,，熱水溶解了巖石圈層中的金屬,，并從地下噴出。這些金屬形成硫化物沉積,，進(jìn)而形成塊狀海底礦床,。1977年，人類首次觀測到海底熱液活動,，隨后在東太平洋隆起的洋中脊上觀察到了熱液噴口和海底塊狀硫化物礦床,，促進(jìn)了對深海海底的進(jìn)一步探索。
三大深海礦產(chǎn)類型
鐵錳結(jié)核,。鐵錳（或“多金屬”）結(jié)核是一種礦物凝結(jié)物,，由氫氧化鐵和氧化錳組成。錳結(jié)核的形態(tài)多樣,，有球狀,、橢圓狀、馬鈴薯狀,、葡萄狀,、扁平狀、爐渣狀等,。錳結(jié)核的大小尺寸變化也比較懸殊,，尺寸從幾微米到幾十厘米不等，重量最大的可達(dá)幾十公斤,。它含有30多種金屬元素,，其中最有商業(yè)開發(fā)價值的是錳、銅、鈷,、鎳等,。
鐵錳結(jié)核主要賦存于深海平原，水深范圍為4000米~6500米,，位于沉積物覆蓋的海底或正下方。在數(shù)百萬年的時間里,，鐵和錳氧化物膠體從周圍的海水（氫）和沉積物孔隙水（成巖）逐漸緩慢沉淀在硬核周圍,。
結(jié)核形成需要集齊五大環(huán)境因素，這些因素也被用于確定海底勘探前景區(qū)域,。一是沉積速度和生物擾動緩慢,，從而保證結(jié)核停留在海底表面；二是存在移除細(xì)小沉積物并為深海平原帶來氧氣的底層流,；三是地表水為沉積物中的細(xì)菌提供足夠的有機(jī)物,，從而產(chǎn)生將金屬釋放到孔隙液中的成巖反應(yīng)；四是半液態(tài)沉積物增加孔隙水量和結(jié)核生長的成巖輸入,；五是所處位置靠近且低于方解石補(bǔ)償深度（方解石溶解速度快于其積累速度的深度）,。這些成巖過程使得鐵錳結(jié)核富含鎳、銅,、鈷,、鉬、鋯,、鋰和稀土元素,。
鐵錳結(jié)殼。與鐵錳結(jié)核相反,，鐵錳結(jié)殼主要形成于海洋的硬質(zhì)基巖上,，也被稱為“鈷結(jié)殼”“富鈷結(jié)殼”和“錳結(jié)殼”。在礦物學(xué)上,，它們與水生鐵錳結(jié)核相似,。與結(jié)核相似的物理化學(xué)性質(zhì)及其水生形成機(jī)制意味著它們也從周圍海水中捕獲了大量金屬。
其表面呈瘤狀,，多為黑色或黑褐色,，斷面構(gòu)造呈層紋狀或樹枝狀，結(jié)殼平均厚度為2厘米左右,，最厚者可達(dá)10厘米~15厘米,。構(gòu)成結(jié)殼的鐵錳礦物主要為二氧化錳和針鐵礦，稀土元素總量很高,，很可能成為戰(zhàn)略金屬鈷,、稀土元素和貴金屬鉑的重要資源來源。
除了富含金屬元素以外，鐵錳結(jié)殼的重要意義還在于其賦存地層保留了沉積時期的海水的同位素構(gòu)成,，可以提供可能跨越數(shù)千到數(shù)千萬年的海洋和氣候演變記錄,。鐵錳結(jié)殼還影響海洋環(huán)境中某些元素的濃度及其氧化還原狀態(tài)。例如,，可以使用同位素地層學(xué)來確定覆蓋鯨魚骨骼化石上的鐵錳結(jié)殼的形成年代,，從而推斷鯨魚尸體的沉積時間，并為這些尸體供養(yǎng)的海底生物群落的進(jìn)化提供時間判定依據(jù),。
海底塊狀硫化物,。巖漿活動會引起富含金屬的熱液噴發(fā)，通常在深度達(dá)5000米的構(gòu)造板塊邊界發(fā)生,。熱液噴口及其周邊生存的大量動物群落的發(fā)現(xiàn),，被認(rèn)為是20世紀(jì)最引人注目的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，被公認(rèn)為可能是地球上的古老生命起源,。熱液噴發(fā)與上覆海水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),，便形成了塊狀硫化物沉積。迄今,，海底塊狀硫化物仍在不斷形成,，如東太平洋洋隆軸部可見每天以8厘米~30厘米或2千克/天的速度噴出。據(jù)計算,，一個硫化物礦田可能有1000噸~100000噸礦石儲量,。
海底塊狀硫化物主要產(chǎn)于擴(kuò)張的活動洋脊和開張的海盆擴(kuò)張中心地帶，如東太平洋洋隆,、加拉帕戈斯海嶺,、大西洋中脊的維瑪斷裂帶和羅曼什斷裂帶、印度洋卡爾斯伯格海嶺等處,。礦物成分主要是硫化物和硫酸鹽礦物,，如黃鐵礦、白鐵礦,、纖鋅礦,、閃鋅礦、黃銅礦,、古巴礦,、硬石膏、重晶石以及非晶質(zhì)二氧化硅,。
?。ㄗ髡邌挝唬褐袊刭|(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心）
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