韋振權(quán)

黑色“寶藏”的真身

多金屬結(jié)核是一種具有特殊成因的海底礦產(chǎn)資源，主要賦存在大陸架、大陸坡及深海盆地的海底沉積物表面之上，賦存水深可達(dá)6000米。多金屬結(jié)核也是大洋中最早被發(fā)現(xiàn)而且研究時(shí)間最長的深海固體礦產(chǎn)。1872—1876年間，英國的挑戰(zhàn)者號(hào)調(diào)查船在環(huán)球考查中首次在太平洋深海底部發(fā)現(xiàn)了多金屬結(jié)核。在隨后開展的調(diào)查中，人們發(fā)現(xiàn)世界大多數(shù)海洋底部普遍分布著多金屬結(jié)核（圖①）。

不同形狀的多金屬結(jié)核

多金屬結(jié)核主要呈黑色和黑褐色，其形狀有碎屑狀、球狀、橢球狀、楊梅狀、菜花狀等（圖②），粒徑大小為0.5～25厘米。多金屬結(jié)核是由核心和殼層兩大部分組成，作為主體的殼層將核心包裹起來。殼層主要由錳的氧化物和氫氧化物、鐵的氧化物和氫氧化物及硅酸巖礦物三大部分組成。核心則通常為魚牙、生物骨刺、生物化石、巖石碎屑、黏土、礦物等。

多金屬結(jié)核的主要元素有錳、鐵、鎳、鈷、銅等，并含有金、銀、鉑、鉬等多種伴生元素，在太平洋、印度洋和大西洋都有分布，但很不均勻。東太平洋海盆內(nèi)克拉里昂-克利帕頓斷裂帶之間的區(qū)域（CC區(qū)）是公認(rèn)的多金屬結(jié)核最為富集和潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的海區(qū)，包括中國在內(nèi)的眾多國家都在該區(qū)域申請(qǐng)了多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)（圖③）。據(jù)估算，全球大洋底部多金屬結(jié)核資源總量約為3萬億噸，僅太平洋就約有1.7萬億噸，多金屬結(jié)核被認(rèn)為可能是海底分布最廣、儲(chǔ)量最大的金屬礦產(chǎn)資源。

富鈷結(jié)殼是繼多金屬結(jié)核資源之后被發(fā)現(xiàn)的又一深海沉積固體礦產(chǎn)資源，主要分布于海山、島嶼斜坡和海底高地上，水深范圍一般為1000～3500米。富鈷結(jié)殼在太平洋、大西洋和印度洋的海底均有分布，其中以太平洋居多，且主要分布在西、中太平洋海山區(qū)。

富鈷結(jié)殼通常為黑色，按形態(tài)可分為板狀結(jié)殼、礫狀結(jié)殼和鈷結(jié)核3種類型（圖④）。富鈷結(jié)殼富含鈷、鎳、銅、鉛、鋅等金屬元素以及稀土元素和鉑族元素，其中鈷含量尤為顯著，可達(dá)2%，是陸地原生礦鈷含量的20倍以上。最新研究表明，全球三大洋海山鈷結(jié)殼分布面積約為300萬平方千米，資源量約為1000～2000億噸，具有巨大潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

東太平洋多金屬結(jié)核富集海區(qū)及各國勘探臺(tái)同區(qū)位置

不同類型的富鈷結(jié)殼

源源不斷生長的海底財(cái)富

多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼的成礦物質(zhì)最直接來源是海水或沉積物中的孔隙水（圖⑤），而海水中的初始成礦物質(zhì)的來源主要有兩種：一種是來自地球本身，地球內(nèi)部的成礦物質(zhì)可以通過海底火山作用進(jìn)入海水，而地表巖石中的成礦物質(zhì)則在風(fēng)化作用下通過河流和風(fēng)運(yùn)方式進(jìn)入海洋;另一種是來自外太空的隕石，這些隕石直接降落或經(jīng)由陸地風(fēng)化作用間接進(jìn)入海洋。海水中的成礦物質(zhì)在特定的物理化學(xué)條件下在大洋盆地的沉積物表面或海山巖石表面沉淀，并慢慢累積形成多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼的雛形—微結(jié)核和鐵錳結(jié)膜。隨著時(shí)間的推移，微結(jié)核和鐵錳結(jié)膜不斷生長，最終長成各種形狀的多金屬結(jié)核和厚達(dá)20～30厘米的富鈷結(jié)殼。

多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼形成模式示意圖

總體而言，這兩種海底礦產(chǎn)的生長過程是極其緩慢的。例如，富鈷結(jié)殼平均每100萬年一般僅能生長幾毫米。目前發(fā)現(xiàn)的最老的富鈷結(jié)殼的年齡大約是7000萬年，位于太平洋的馬紹爾海山區(qū)和萊恩海山區(qū)。因此，只要環(huán)境適宜且時(shí)間足夠長，多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼就會(huì)源源不斷地生長。

應(yīng)用廣泛的礦產(chǎn)資源

鈷的用途

多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼所富含的錳、鈷、鎳、銅等金屬礦產(chǎn)資源，都是重要的戰(zhàn)略性資源，廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)及高新科技生產(chǎn)中。例如，鈷消費(fèi)與應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域主要有電池材料、超級(jí)耐熱合金、工具鋼、硬質(zhì)合金、磁性材料等;以化合物形式消費(fèi)的鈷主要用作催化劑、干燥劑、試劑、顏料與染料等。鈷-60是一種廣為使用的放射性材料，在生物化學(xué)中廣泛用于活化分析;在電鍍、腐蝕和催化中被用于示蹤研究;在醫(yī)療中被用于放射檢查與治療。而鎳具有很好的可塑性、耐腐蝕性和磁性等性能，因此主要被用于鋼鐵、鎳基合金、電鍍及電池等領(lǐng)域，廣泛用于飛機(jī)、雷達(dá)等各種軍工制造業(yè)、民用機(jī)械制造業(yè)和電鍍工業(yè)等。錳在鋼鐵工業(yè)中主要用于鋼的脫硫和脫氧;也用作合金的添加料，以提高鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性極限、耐磨性和耐腐蝕性等;在高合金鋼中，還用作奧氏體化合元素，用于煉制不銹鋼、特殊合金鋼、不銹鋼焊條等。

隨著國際經(jīng)濟(jì)和政治形勢(shì)日趨復(fù)雜，作為戰(zhàn)略性資源儲(chǔ)備，許多國家對(duì)大洋多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼礦產(chǎn)資源的勘探和開采開展了全方位的研究。隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，陸地礦產(chǎn)資源日益減少，人類已經(jīng)把關(guān)注的目光聚焦在埋藏于深海大洋之下的多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼資源。

中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)富鉆結(jié)殼勘探合同區(qū)

中國的海底“探寶”之旅

與美俄等發(fā)達(dá)國家相比，中國的大洋礦產(chǎn)資源調(diào)查工作起步較晚。中國從20世紀(jì)80年代開始，在國際海底區(qū)域開展系統(tǒng)的多金屬結(jié)核資源調(diào)查，并于1991年成為繼蘇聯(lián)、日本、法國、印度之后的第5個(gè)先驅(qū)投資者。2001年5月，中國大洋協(xié)會(huì)與國際海底管理局簽訂了為期15年的多金屬結(jié)核《勘探合同》，自此中國在東北太平洋CC區(qū)獲得了7.5萬平方千米、擁有專屬勘探權(quán)和優(yōu)先開采權(quán)的多金屬結(jié)核合同區(qū)（圖⑦），拓展了中國的戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備。2014年4月，中國大洋協(xié)會(huì)又與國際海底管理局正式簽訂了國際海底富鈷結(jié)殼礦區(qū)勘探合同（圖⑧）。富鈷結(jié)殼勘探合同的簽訂標(biāo)志著中國富鈷結(jié)殼資源調(diào)查工作重點(diǎn)將從探礦階段轉(zhuǎn)向一般勘探階段，工作區(qū)域從大范圍的海山區(qū)轉(zhuǎn)向局部區(qū)域的礦塊。經(jīng)過多年來對(duì)大洋的多航次調(diào)查，中國在太平洋共成功申請(qǐng)了兩個(gè)多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)和一個(gè)富鈷結(jié)殼勘探合同區(qū)，進(jìn)一步維護(hù)了中國在國際海底區(qū)域的權(quán)益，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了資源儲(chǔ)備基地。

與此同時(shí)，經(jīng)過多年勘探實(shí)踐，中國大洋礦產(chǎn)勘探技術(shù)方法與手段得到顯著提升，中國自主研制的蛟龍?zhí)栞d人潛水器（HOV）和海馬號(hào)無人遙控潛水器（ROV）（圖⑨、⑩）等高精尖裝備在大洋礦產(chǎn)資源勘探中得到了常態(tài)化應(yīng)用。

中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)

例如在大洋37航次調(diào)查中，蛟龍?zhí)栐谥袊烩捊Y(jié)殼合同區(qū)多次實(shí)現(xiàn)長距離、大落差海底作業(yè)，創(chuàng)造了單潛次水下航行5000米，作業(yè)高度差1100米和地質(zhì)樣品取樣高達(dá)124千克的新紀(jì)錄，充分展示了其卓越的深海作業(yè)能力。而海馬號(hào)已連續(xù)3年應(yīng)用于富鈷結(jié)殼勘探合同區(qū)的資源探測(cè)中，經(jīng)過科技不斷的創(chuàng)新升級(jí)，初步形成了基于ROV的作業(yè)平臺(tái)，集高清光學(xué)視像、高頻聲學(xué)厚度探測(cè)、鉆機(jī)等多種取樣工具為一體，適用于富鈷結(jié)殼精細(xì)探測(cè)的技術(shù)方法體系。隨著HOV和ROV在大洋礦產(chǎn)資源勘探中的廣泛應(yīng)用，勘探效率和勘探精度得到了顯著提高，與之相配套的近海底觀測(cè)裝置也有了長足的發(fā)展。

（本文得到中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目DD20191009和DD20190629的支持）