深海海底的寶藏
——多金屬結核和富鈷結殼
◎? 李子斌
深海多金屬結核,，又稱為錳結核,、鐵錳結核,，因為其形態(tài)為一層層的同心圓結核狀,，所以得名結核,。
結核大多生長于沉積速率較低的深海海盆中,，水深約為4000米～6000米,，主要以半埋藏的狀態(tài)分布于海底沉積物之上,。它是最早被發(fā)現(xiàn)的深海礦產(chǎn),，同時也是研究時間最多的深海礦產(chǎn),。多金屬結核是富含鐵、錳,、鎳,、鈷、銅等多種元素的固體礦產(chǎn)，并且資源量巨大,，可高出陸地相應資源量的上千倍,。全球多金屬結核的總儲量可達到30000億噸，經(jīng)濟價值極高,，是一種海底分布極廣,，儲量極大的礦產(chǎn)資源。
深海富鈷結殼,，又稱為鐵錳結殼或多金屬結殼,。結殼大多以“殼狀”的形態(tài)生長于大洋深處的硬質(zhì)基巖上。結殼大多生長在海山及其側翼和深海高原以及島嶼斜坡上,，水深約為800米~2500米,。結殼富含的元素與結核相似，富含錳,、鈷,、鉑、鎳,、鉛、金,、鈦,、鈰等，其中以鈷,、鉑元素的含量較為突出,，分別可達2.5％和2×10-6，所以得名為富鈷結殼,。富鈷結殼所富含的鈷,、鉑元素為陸地上較為稀缺的元素，因此它也成為僅次于多金屬結核后的另一種具有巨大經(jīng)濟價值的深海礦產(chǎn),。最新的研究指出,，三大洋海山結殼分布面積為3039452.14平方千米 ，干結殼資源量為（1081.1661～2162.3322）×108噸,。
多金屬結核,、富鈷結殼的形態(tài)和特征
多金屬結核大多為球狀和橢圓狀，也有板狀,、菜花狀以及盤狀等（圖1a）,。表面光滑或粗糙，其尺寸多在3厘米～7厘米,，主要顏色為褐黑,、黑色。鐵錳結核主要由核心以及外部殼層兩部分組成，它是以核心為中心,，圍繞該中心以同心圓的形式一層層生長變大（圖1c）,。結核核心的物質(zhì)組成有生物以及巖石碎屑，粘土礦物,，老的結核結殼等等,。外部殼層的成分總體上為鐵錳氧化物和少部分黏土礦物。
富鈷結殼多為灰黑色或褐黑色,，表面形態(tài)多種多樣有光滑狀,、砂粒狀、凹槽狀以及蜂巢狀等,；其產(chǎn)出形態(tài)主要有板狀,、礫狀以及鈷結核三種類型。其中以板狀結殼為主,，板狀結殼一般以連片的形式分布于坡度較大的海底斜坡區(qū),；礫狀結殼多產(chǎn)于其核心巖石的剝落處；鈷結核多以小的球狀形態(tài)分布在海山坡腳以及海山頂部的淺水區(qū),。根據(jù)結殼殼層厚度的不同結殼可被分為三種類型,，其中殼層厚度為0.1厘米~0.5厘米的為結膜，殼層0.5厘米~1厘米的為結皮,，大于1厘米的為結核,。
結殼與結核類似，同樣也由核心和外部殼層組成,，其核心主要為老的結殼碎塊,、黏土物質(zhì)以及巖石碎屑。殼層主要成分為鐵錳的氧化物和氫氧化物,；由于受到形成環(huán)境和次生作用的影響,，結殼的殼層內(nèi)部會發(fā)育多種構造。
圖1 錳結核樣品（a－俯視圖,；b-側視圖,；c-內(nèi)部層理）
多金屬結核和富鈷結殼的分布
多金屬結核在全球范圍分布廣泛，其在大洋的覆蓋面積約為54×106平方千米,。其中分布面積最大的是在太平洋可達23×106平方千米,。多金屬結核雖然在太平洋、印度洋,、大西洋和北冰洋均有分布,，但是分布在太平洋區(qū)域的結核品位較高，是最富有經(jīng)濟價值的,。在太平洋上,，結核的分布主要呈帶狀,，其中主要集中在4個區(qū)即東太平洋海盆、中太平洋海盆,、南太平洋海盆和東南太平洋海盆（秘魯海盆）,，位于東太平洋海盆內(nèi)克拉里昂、克利帕頓斷裂帶之間的CC區(qū)（Clarion-Clipperton Zone, CCZ）是結核最富集和最有經(jīng)濟價值的海區(qū),。
富鈷結殼在全球四大洋均有分布,，其中以太平洋居多。西太平洋和中太平洋的海山區(qū)是富鈷結殼的主要產(chǎn)出區(qū),，具體包括麥哲倫海山區(qū),、馬爾庫斯-威克海山區(qū)、馬紹爾海山區(qū),、中太平洋海山區(qū),、夏威夷海嶺、萊恩海山區(qū)等大型海山鏈,。
多金屬結核和富鈷結殼的成因
結核和結殼的初始元素來源主要有地幔物質(zhì),、海底巖石的水巖反應海底熱液活動，陸源物質(zhì)以及一些地外宇宙降落的塵埃和隕石,。另外一些有機質(zhì)可能源于一些海洋藻類浮游生物甚至是陸源高等植物等,。海底底層水以及沉積物間隙水則是這些物質(zhì)的主要運輸介質(zhì)。
結核和結殼的成因較為復雜,，古海洋生物生產(chǎn)力,、陸源物質(zhì)輸入、碳酸鹽補償深度,、區(qū)域構造和火山活動、物理化學因素,、海底地形,，海底基巖類型和海底洋流等都會影響到其形成和分布。結核結殼的具體成因目前還存在爭議,，但是就目前的研究來看,，大致可以歸為4種，即有水成,、成巖,、熱液以及上述方式混合成因。其中,，以水成成因為主,，海水中本身就有溶解態(tài)的鐵和錳，在深海最低含氧帶以下,，這些溶解態(tài)的鐵錳會轉(zhuǎn)化為膠體狀的水合氧化物,，由于膠體帶有電荷，于是便會大量吸附周圍水體中的物質(zhì)，形成結核和結殼最初的原始單元,，并在合適的水體環(huán)境中慢慢積累,，一層層生長形成最終的鐵錳結核和結殼。
結核和結殼的古海洋古氣候意義
除了具有重要經(jīng)濟價值,，多金屬結核和富鈷結殼同樣具有地質(zhì)研究意義,，特別是在古海洋和古氣候方面。由于結核和結殼形成于古海洋和古沉積環(huán)境中,，所以它會記錄大量古代沉積環(huán)境,、氣候環(huán)境的信息。結核結殼中的鉛,、釹,、鉿、鋨等放射性同位素,，能夠提供風化機制和海洋環(huán)流信息,，從而有利于研究古海洋與古氣候。如前人利用發(fā)現(xiàn)于馬里亞納海溝附近的結殼中Nd同位素,，研究早中新世以來北太平洋西部深水環(huán)流的變化,，發(fā)現(xiàn)由于印尼海道的關閉使得印度洋與太平洋的表層水體與中層水體的交換逐漸停止。另外還有許多古環(huán)境古氣候方面的研究進展得益于結核和結殼,。
多金屬結核和富鈷結殼的勘探與經(jīng)濟意義
在19世紀,，英國的科考船“挑戰(zhàn)者”號在大西洋加納利群島的法勞島附近海域海底采集到一種褐黑色結核狀物質(zhì)，這是人們第一次接觸并認識多金屬結核,。但是由于受到技術條件的限制其研究一直未能得到進展,，直到20世紀60年代美國開始對其展開了系統(tǒng)的研究，主要包括美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）,、斯克利普斯海洋研究所等,。1978年，美國哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地質(zhì)研究所編制了海底沉積物和多金屬結核分布圖,；之后不久,，前蘇聯(lián)、日本,、法國等國家也相繼開展調(diào)查研究,，并在CC區(qū)申請了結核的開采權。2011年起,，英國,、比利時、湯加等國家也申請獲得了多金屬結核礦區(qū),。截至2013年底多金屬結核礦區(qū)承包者數(shù)量增加至12個,。我國對于結核的勘探始于20世紀80年代,，2001年，我國向國際海底管理局提出申請,，并獲得了東北太平洋 CC 區(qū)15年的多金屬結核勘探權和優(yōu)先開采權,，拓展了我國的戰(zhàn)略資源儲備。
富鈷結殼的發(fā)現(xiàn)和研究比結核相對較晚,，人們第一次發(fā)現(xiàn)結殼是1948年美國斯普里普斯海洋研究所在太平洋進行海底山脈調(diào)查的時候,。真正的系統(tǒng)研究始于20世紀80年代，首先是由德國的“太陽號”科考船開始的,，之后美國,、日本、前蘇聯(lián),，以及法國都投入了大量精力,，積極開展調(diào)查。目前,，中國,、日本、俄羅斯,、巴西,、韓國等國家，已成功和國際海底管理局申請了礦區(qū)并獲得核準,?？傮w上美國等發(fā)達國家由于技術優(yōu)勢，目前在勘探領域保持領先地位,。
結核和結殼富含高品位的鎳,、銅、錳,、鈷,、鉬、鋰,、稀土和鎵等多種元素，這些元素是工業(yè)生產(chǎn)所必需的,，是重要的深海戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源,。例如，鈷,、錳,、鎳等是生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品必需的元素，包括高級激光系統(tǒng)及切削工具,、太陽能電池,、超導體等以及其他化學工業(yè)和高新科技產(chǎn)品,。生產(chǎn)航天領域高級合金則需要大量的鈷，世界每年要消耗約36900噸的鈷,，并且仍以每年4%左右的速度遞增,。可見結核和結殼是有著巨大經(jīng)濟價值和勘探開發(fā)意義的礦產(chǎn)資源,。
依托項目：陸海統(tǒng)籌基礎地質(zhì)調(diào)查成果融合表達關鍵技術（項目編號DD20230416）
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