深海海底的寶藏
——多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼
◎? 李子斌
深海多金屬結(jié)核,，又稱為錳結(jié)核,、鐵錳結(jié)核,，因?yàn)槠湫螒B(tài)為一層層的同心圓結(jié)核狀,，所以得名結(jié)核。
結(jié)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(shí)也是研究時(shí)間最多的深海礦產(chǎn),。多金屬結(jié)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(yīng)資源量的上千倍。全球多金屬結(jié)核的總儲量可達(dá)到30000億噸,，經(jīng)濟(jì)價(jià)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(jié)殼,，又稱為鐵錳結(jié)殼或多金屬結(jié)殼。結(jié)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(jié)殼大多生長在海山及其側(cè)翼和深海高原以及島嶼斜坡上,，水深約為800米~2500米。結(jié)殼富含的元素與結(jié)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(dá)2.5％和2×10-6，所以得名為富鈷結(jié)殼,。富鈷結(jié)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(jié)核后的另一種具有巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的深海礦產(chǎn),。最新的研究指出,，三大洋海山結(jié)殼分布面積為3039452.14平方千米 ，干結(jié)殼資源量為（1081.1661～2162.3322）×108噸,。
多金屬結(jié)核,、富鈷結(jié)殼的形態(tài)和特征
多金屬結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)核結(jié)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(jié)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(jié)核三種類型,。其中以板狀結(jié)殼為主,，板狀結(jié)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(jié)殼多產(chǎn)于其核心巖石的剝落處；鈷結(jié)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(jié)殼殼層厚度的不同結(jié)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(jié)膜，殼層0.5厘米~1厘米的為結(jié)皮,，大于1厘米的為結(jié)核,。
結(jié)殼與結(jié)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(jié)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(jié)殼的殼層內(nèi)部會(huì)發(fā)育多種構(gòu)造。
圖1 錳結(jié)核樣品（a－俯視圖,；b-側(cè)視圖,；c-內(nèi)部層理）
多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼的分布
多金屬結(jié)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(dá)23×106平方千米,。多金屬結(jié)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(jié)核品位較高，是最富有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的,。在太平洋上,，結(jié)核的分布主要呈帶狀，其中主要集中在4個(gè)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(jié)核最富集和最有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的海區(qū),。
富鈷結(jié)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(jié)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(jié)核和富鈷結(jié)殼的成因
結(jié)核和結(jié)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(yīng)海底熱液活動(dòng)，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(jī)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(yùn)輸介質(zhì)。
結(jié)核和結(jié)殼的成因較為復(fù)雜,，古海洋生物生產(chǎn)力,、陸源物質(zhì)輸入、碳酸鹽補(bǔ)償深度,、區(qū)域構(gòu)造和火山活動(dòng)、物理化學(xué)因素,、海底地形,，海底基巖類型和海底洋流等都會(huì)影響到其形成和分布。結(jié)核結(jié)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?yàn)橹?，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(huì)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(huì)大量吸附周圍水體中的物質(zhì),，形成結(jié)核和結(jié)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(jié)核和結(jié)殼,。
結(jié)核和結(jié)殼的古海洋古氣候意義
除了具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值,，多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)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(jié)核和結(jié)殼形成于古海洋和古沉積環(huán)境中,，所以它會(huì)記錄大量古代沉積環(huán)境、氣候環(huán)境的信息,。結(jié)核結(jié)殼中的鉛,、釹、鉿、鋨等放射性同位素,，能夠提供風(fēng)化機(jī)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(jié)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(guān)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(jìn)展得益于結(jié)核和結(jié)殼,。
多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼的勘探與經(jīng)濟(jì)意義
在19世紀(jì),，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(jié)核狀物質(zhì)，這是人們第一次接觸并認(rèn)識多金屬結(jié)核,。但是由于受到技術(shù)條件的限制其研究一直未能得到進(jìn)展,，直到20世紀(jì)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(xué)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(jié)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(jié)核的開采權(quán)。2011年起,，英國,、比利時(shí)、湯加等國家也申請獲得了多金屬結(jié)核礦區(qū),。截至2013年底多金屬結(jié)核礦區(qū)承包者數(shù)量增加至12個(gè),。我國對于結(jié)核的勘探始于20世紀(jì)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(jié)核勘探權(quán)和優(yōu)先開采權(quán)，拓展了我國的戰(zhàn)略資源儲備,。
富鈷結(jié)殼的發(fā)現(xiàn)和研究比結(jié)核相對較晚,，人們第一次發(fā)現(xiàn)結(jié)殼是1948年美國斯普里普斯海洋研究所在太平洋進(jìn)行海底山脈調(diào)查的時(shí)候。真正的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)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(zhǔn),?？傮w上美國等發(fā)達(dá)國家由于技術(shù)優(yōu)勢，目前在勘探領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位,。
結(jié)核和結(jié)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(dǎo)體等以及其他化學(xué)工業(yè)和高新科技產(chǎn)品。生產(chǎn)航天領(lǐng)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?？梢娊Y(jié)核和結(jié)殼是有著巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和勘探開發(fā)意義的礦產(chǎn)資源,。
依托項(xiàng)目：陸海統(tǒng)籌基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查成果融合表達(dá)關(guān)鍵技術(shù)（項(xiàng)目編號DD20230416）
（作者單位：中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心）
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