楊克紅 董彥輝

在波濤洶涌的海面之下，有著和陸地一樣的地形地貌單元。海底地形地貌可以分為大陸邊緣、大洋盆地和大洋中脊等3類，而每類又可以分為次一級的地形單元。

深海盆地是大洋盆地內(nèi)的次級地形單元，是由海嶺等高地形分割而成的，主要部分水深在4000～5000米。深海盆地底部發(fā)育有深海平原、深海丘陵等地形，其中，深海平原的坡度一般小于0.001，是地球上最平坦的地區(qū)。深海盆地為洋殼基底，其洋殼厚度為7～10千米，是硅質(zhì)、鈣質(zhì)軟泥、深海粘土等遠洋沉積物的堆積區(qū)。

深海盆地中已有兩種礦產(chǎn)資源引起人們的關注，它們分別是多金屬結(jié)核和富稀土軟泥。

多金屬結(jié)核

多金屬結(jié)核是生長在深海盆地中的一種重要的海底礦產(chǎn)資源。1872-1876年，英國“挑戰(zhàn)者號”考察船在進行環(huán)球考察時，在摩洛哥的法羅島西南海底首次采集到了多金屬結(jié)核。在隨后的調(diào)查中，人類發(fā)現(xiàn)世界上大多數(shù)海洋普遍分布著多金屬結(jié)核。但是由于技術手段的限制，大規(guī)模的多金屬結(jié)核調(diào)查從20世紀60年代才開始。

多金屬結(jié)核又稱錳結(jié)核，呈黑色或者黑褐色，可以存在于不同的水深中，但在4000～6000米水深的海底最為豐富。它富含錳、鐵、鈷、鎳、銅等多種有用的金屬元素，具有潛在的經(jīng)濟價值，因此引起人們的重視。

多金屬結(jié)核主要以暴露狀或者半埋藏狀出現(xiàn)在海底沉積物中，但是也有一些多金屬結(jié)核被沉積物埋藏，其大小一般為幾厘米到十幾厘米?？茖W家們根據(jù)多金屬結(jié)核的大小將其分為大、中、小三類，其中大型的多金屬結(jié)核直徑大于6厘米，介于3厘米和6厘米之間的為中型，小型的則小于3厘米。其中，中型多金屬結(jié)核在海底分布最多。

除了按大小分類，科學家們還根據(jù)多金屬結(jié)核的形狀特征對其進行分類，主要有球狀、橢球狀、板狀、不規(guī)則狀、連生體狀、菜花狀、盤狀等。這些以形狀特征為依據(jù)的分類非常形象生動，比如連生體狀，就是兩個或者兩個以上的結(jié)核粘在一起;而菜花狀結(jié)核長得像我們吃的花菜。結(jié)核表面有的光滑，有的粗糙，這主要與其形成環(huán)境有關。

典型的多金屬結(jié)核形狀（a 連生體狀b 菜花狀楊克紅拍攝）

多金屬結(jié)核由核心和殼層兩部分組成。它的核心可以是巖石碎屑、礦物、生物遺體（如魚牙骨刺等）、隕石等;殼層主要由鐵、錳氧化物和氫氧化物組成，其中也有一些硅酸巖礦物混雜。殼層包圍核心形成了各種形狀的多金屬結(jié)核。

人類對海底多金屬結(jié)核的調(diào)查主要采用海底攝像、視像以及箱式、拖網(wǎng)搜集等方式進行。海底攝像和視像數(shù)據(jù)可以分析多金屬結(jié)核在海底的分布特征，箱式和拖網(wǎng)搜集等可以獲得多金屬結(jié)核實物，從而為多金屬結(jié)核的各種巖石學、地球化學分析等提供樣品。

雖然人類對多金屬結(jié)核已經(jīng)有了較多的認識，但是還有一些科學問題存在爭議，如多金屬結(jié)核的成因就眾說紛紜，主要的觀點認為多金屬結(jié)核是由水成作用或成巖作用形成的。但是也有人認為是熱液作用和生物作用造就了多金屬結(jié)核。這些問題都有待新一代的科學家們?nèi)ヌ剿?、去解決。雖然成因上眾說紛紜，但有一點大家的意見是統(tǒng)一的：多金屬結(jié)核的生長速度非常緩慢，它們每生長1厘米都要花費數(shù)百萬年的時間！

經(jīng)過數(shù)十年的海上調(diào)查，人們已經(jīng)摸清了多金屬結(jié)核在海底的大致分布情況：太平洋、大西洋和印度洋均有分布，具有經(jīng)濟價值的多金屬結(jié)核主要分布在東太平洋的克拉里昂-克里帕頓地區(qū)（即CC區(qū)）、中印度洋海盆、庫克群島和秘魯海盆等地。其中，太平洋的多金屬結(jié)核最多，主要分布在東太平洋CC區(qū)。據(jù)粗略估計，僅太平洋的多金屬結(jié)核就達1.7萬億噸，具有廣闊的開發(fā)和利用前景。

我國自20世紀80年代中期就開始對海底多金屬結(jié)核開展調(diào)查。經(jīng)過多個航次的調(diào)查之后，1990年，中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會向聯(lián)合國國際海底管理局提出了我國的多金屬結(jié)核開辟區(qū)申請。1991年3月獲批后，我國成為繼法、日、蘇聯(lián)和印度之后第5個先驅(qū)投資者。2015年7月20日，中國五礦集團公司在保留區(qū)獲得了另一塊海底多金屬結(jié)核礦區(qū)的專屬勘探權和優(yōu)先開采權。至此，我國成為具有2塊多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)的國家。目前已有17個國家和組織先后與聯(lián)合國國際海底管理局簽訂了海底多金屬結(jié)核勘探合同。

這些多金屬結(jié)核合同區(qū)都是未來多金屬結(jié)核開采的礦區(qū)，但是多金屬結(jié)核的開采利用目前還處在研究、探索、評估階段。2018年9月，我國首次成功開展500米級水深海底多金屬結(jié)核集礦系統(tǒng)試驗，這標志著我國深海采礦系統(tǒng)研發(fā)已由陸上試驗全面轉(zhuǎn)入海上試驗。日本也曾在北太平洋水深2200米的馬爾庫斯-威克海山上進行過多金屬結(jié)核的采礦試驗，并獲得成功。

西太平洋富含稀土的深海沉積物涂片（總稀土含量大約1200ppm 董彥輝拍攝）

富稀土軟泥

稀土，是化學元素周期表中鑭系和鈧、釔共17種金屬元素的總稱。由于受分離技術的限制，它最早只能用化學法制得少量不溶于水的氧化物，歷史上習慣把這種氧化物稱為“土”，因而得名“稀土”。

人們在研究海底多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼時，就發(fā)現(xiàn)這2種礦產(chǎn)資源中蘊含著豐富的稀土元素。國際海底管理局已經(jīng)組織秘書處完成了關于國際海底富鈷結(jié)殼和多金屬結(jié)核地域中稀土元素等級和豐富度的技術報告，結(jié)果令人樂觀，為未來稀土開采奠定了基礎。不僅如此，科學家經(jīng)過調(diào)查，還在深海中發(fā)現(xiàn)了一種新型的礦產(chǎn)資源，即富稀土軟泥。但在全世界范圍內(nèi)，富鈷結(jié)殼和多金屬結(jié)核的稀土含量普遍高于富稀土軟泥，而富鈷結(jié)殼的稀土含量又普遍高于多金屬結(jié)核。

2011年，日本科學家率先對太平洋2000多個深海沉積物樣品進行了稀土元素化學成分研究，認為在太平洋的深海沉積物中富含大量的稀土元素。2013年，他們在日本南部島嶼附近的北太平洋西部發(fā)現(xiàn)了總稀土含量超過5000ppm的深海軟泥，從而確定了日本未來稀土開采的主要目標。

與陸上稀土礦床相比，海洋富稀土軟泥具有以下優(yōu)勢：1.分布廣泛，具有巨大的資源潛力;2.稀土元素濃度高，重稀土元素顯著富集;3.儲層淺，利于相對簡單和有經(jīng)濟效益的勘探;4.放射性元素濃度非常低;5.易于通過酸浸提取稀土元素。

深海稀土資源的調(diào)查首先要通過箱式和重力柱狀樣獲得沉積物樣品，然后對沉積物進行地球化學元素分析，同時結(jié)合淺地層和多波束測量資料的綜合分析等手段而獲得遠景區(qū)。

經(jīng)過近幾年的調(diào)查，在太平洋和印度洋的深海盆地中均發(fā)現(xiàn)了大量富含稀土的深海沉積物，主要的沉積物類型有多金屬軟泥、沸石黏土和遠洋黏土。根據(jù)沉積物中稀土元素的配分模式、Ce元素異常以及輕重稀土元素的分餾特征，科學家基本上對稀土元素的富集機制有了比較清晰的認識，認為多金屬軟泥中的稀土元素多賦存于與海底熱液作用有關的鐵錳氧化物和氫氧化物中，而沸石黏土和遠洋黏土中稀土元素的富集則與磷酸鹽的混入密切相關，其稀土元素主要存在于與磷灰石成分相當?shù)纳雉~骨屑中。

深海稀土資源作為一種新型的資源被提出后，受到了世界各國的巨大關注。近幾年，日本持續(xù)開展對深海沉積物稀土資源的調(diào)查和研究，同時也對開采設備進行了研發(fā)。此外，美國、俄羅斯、德國、法國、印度、英國、挪威等國家也開始關注深海稀土資源。我國也不甘示弱，從2012年開始進行深海沉積物稀土資源的調(diào)查和研究，目前已經(jīng)在東南太平洋海域等地發(fā)現(xiàn)了大面積的富稀土沉積物，并已經(jīng)初步圈定了我國稀土資源遠景區(qū)。

陸地礦產(chǎn)資源的緊缺、海底采礦技術的發(fā)展和開采對海洋環(huán)境的影響，這些都是影響海底礦產(chǎn)資源開采利用的重要因素。隨著陸地礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭，世界各國都把進一步發(fā)展的希望寄托在浩瀚的海洋上，越來越多的國家都把在保護海洋環(huán)境的前提下合理有序地開發(fā)利用海洋資源和能源，作為求生存、謀發(fā)展的基本國策。希望在世界各國的共同努力和合作下，人類能早日實現(xiàn)深海礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用！