吳時(shí)國， 張漢羽， 矯東風(fēng)， 楊朝云， 李學(xué)杰

(1.中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所海南省海底資源與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 三亞 572000； 2.國家海洋實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程實(shí)驗(yàn)室， 青島 266061； 3.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查局， 海口 570206；4.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院， ?？?570206； 5.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州 510364)

南海是西太平洋最大的邊緣海，面積近300×104km2，蘊(yùn)藏著豐富的礦物資源[1-4]。隨著陸地資源不斷消耗，海底礦物已成為一種重要的替代資源。從發(fā)展海洋強(qiáng)國和海洋經(jīng)濟(jì)出發(fā)，中國南海有豐富的海底礦物資源，如何推動(dòng)海底礦物資源開發(fā)并從中獲得相應(yīng)的效益，已成為擺在當(dāng)代中國面前一個(gè)棘手的問題。雖然迄今已有很多研究單位開展了南海海域海底礦物資源研究，研發(fā)了系列選礦采礦等相關(guān)技術(shù)[5-9]，但對(duì)海底資源的開發(fā)潛力和遠(yuǎn)景條件了解得仍然不多。與海底能源資源(油氣工業(yè))相比，對(duì)海底礦物資源的認(rèn)知嚴(yán)重滯后[1,4]。因此，很有必要梳理一下南海海底礦物資源研究現(xiàn)狀和資源潛力。

現(xiàn)總結(jié)多年地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)和近年來的重要研究成果，結(jié)合最新的載人深潛器和遙控水下機(jī)器人調(diào)查結(jié)果，分析南海海底礦物資源研究現(xiàn)狀，提煉南海海域錳結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物、富稀土沉積物、砂礦等類型資源的礦物特征和分布規(guī)律，并繪制成綜合圖件(圖1)；提出多類型礦物的成礦遠(yuǎn)景及南海海底礦物資源開發(fā)中可能存在的問題，希望借此開拓中國南海海底礦物資源潛力研究的視野。

圖1 南海海底礦物資源分布圖Fig.1 Distribution of submarine mineral resources in SCS

1 海底礦物資源的類型

海底礦物資源系指蘊(yùn)藏在海底的錳結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物、富稀土沉積物和砂礦等礦產(chǎn)資源[10-16]。中國在自然資源部、大洋協(xié)會(huì)牽頭組織下，已開展了大量的大洋科學(xué)考察，完成了國際海域深海稀土、多金屬硫化物、多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼等礦物資源的專屬地質(zhì)與地球物理航次調(diào)查[11]。在國際海域，中國也擁有了東太平洋75 000 km2多金屬結(jié)核、西南印度洋10 000 km2多金屬硫化物、西北太平洋3 000 km2富鈷結(jié)殼等區(qū)域及礦物的合同勘探區(qū)域。近年來，中國五礦集團(tuán)還申請(qǐng)到東太平洋多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)的專屬勘探權(quán)和優(yōu)先開采權(quán)，總面積達(dá)到73 000 km2。

多金屬結(jié)核，也稱鐵錳結(jié)核，主要由錳鹽類礦物、錳鐵氧化物組成，富含錳(Mn)、鉬(Mo)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鈷(Co)、鎳(Ni)等，廣泛分布于深海沉積物表層，呈球狀或不規(guī)則狀，直徑為0.5～15 cm[17-18]。金屬礦物主要來自于溶解在陸地河流溶液中的金屬離子或源自大洋中脊熱液噴口排放的富含金屬溶液。海底結(jié)核結(jié)殼富含多種金屬并且形成速率非常緩慢，因此可以記錄形成地質(zhì)時(shí)間內(nèi)海底環(huán)境的變化，是具有開發(fā)應(yīng)用前景和科學(xué)研究價(jià)值的一種礦產(chǎn)資源。在中國南海海域，目前已發(fā)現(xiàn)多金屬結(jié)核(結(jié)殼)廣泛分布于海盆。在已獲得樣品的基礎(chǔ)上通過系統(tǒng)研究大型多金屬結(jié)核的地球物理與地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)南海西南和東北部陸坡存在兩個(gè)異常區(qū)域(圖1)[18-19]。

富鈷結(jié)殼指海底基巖風(fēng)化表面形成的富含鈷(Co)、錳(Mn)、鐵(Fe)等多種金屬元素的外殼，一般厚1～3 cm，富鈷結(jié)殼干結(jié)殼資源量為(108～216)×109t[20-21]。截至目前已有日本、中國、俄羅斯和巴西4個(gè)國家與國際海底管理局簽訂了富鈷結(jié)殼勘探合同，而韓國的礦區(qū)申請(qǐng)也于2016年獲得核準(zhǔn)。富鈷結(jié)殼按形態(tài)可分為板狀結(jié)殼，礫狀結(jié)殼和鈷結(jié)核三種類型。水深800～2 500 m的海山、島嶼斜坡和海底高地上，西、中太平洋海山區(qū)被認(rèn)為是全球富鈷結(jié)殼的最主要產(chǎn)出區(qū)，三大洋中以太平洋富鈷結(jié)殼的平均鈷含量最高[16,20-21]。

海底熱液多金屬硫化物礦床是指富含金(Au)、銀(Ag)、鈷(Co)等金屬的硫化物礦物資源[16,21-23]。成礦作用主要來源于地下的熱液流體與洋殼巖石相互作用。中國針對(duì)東太平洋脊13°N海域海底多金屬硫化物開展了多波束、淺地層剖面、重磁等地球物理調(diào)查及海底地質(zhì)取樣分析，收集到寶貴的第一手多金屬硫化物樣品和地球物理場(chǎng)資料，為中國開展海底熱液活動(dòng)研究和國際海底礦區(qū)的圈定邁出了堅(jiān)定地第一步。

深海稀土資源是指在深海沉積物內(nèi)賦存的豐富稀土元素[24-25]。有科學(xué)家通過對(duì)2 000多個(gè)深海沉積物樣品稀土化學(xué)成分測(cè)試，認(rèn)為在太平洋的深海沉積物中富含的稀土元素尤其是重稀土元素的已超過中國南方離子吸附型礦床重稀土的兩倍。其中，東南和中北太平洋的稀土總蘊(yùn)藏量約為880×108t，相當(dāng)于陸地800～1 000倍的稀土總資源量。稀土資源被認(rèn)為是繼大洋多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物資源之后的潛在海底礦物資源[26-27]。中國是國際上第二個(gè)開展深海稀土資源研究并取得重大發(fā)現(xiàn)的國家。2015年首次在中印度洋海盆發(fā)現(xiàn)30×104km2富稀土沉積，2018年在東南太平洋發(fā)現(xiàn)了超過150×104km2的富稀土沉積區(qū)，在太平洋-印度洋海底劃分了4個(gè)成礦帶。在2013—2015年期間，中國地質(zhì)調(diào)查局對(duì)太平洋中部海盆、東南太平洋海盆和西北太平洋海盆進(jìn)行了初步調(diào)查，確定了太平洋中部海盆和西北海盆是稀土資源成礦的重要的遠(yuǎn)景區(qū)，并圈定了幾十萬平方千米的遠(yuǎn)景范圍[28-29]。

由于國際海域開發(fā)的諸多不確定新因素，以及巨大的基地開發(fā)建設(shè)成本，推進(jìn)中國南海海域海底礦物資源的開采顯得更有實(shí)際價(jià)值。因此，從可追溯的20世紀(jì)60年代開始，中國便開展了南海表層沉積物稀土元素的研究，當(dāng)時(shí)的主要目標(biāo)區(qū)是南海北部大陸架及海盆南部海區(qū)，后來研究區(qū)逐漸覆蓋了中央海盆、中沙和西沙附近；至20世紀(jì)90年代拓展到南沙群島海區(qū)。海砂是指陸源碎屑物質(zhì)被徑流搬運(yùn)至河口、大陸架，在沿岸流、潮流、波浪等反復(fù)作用下形成的密度較好和化學(xué)性能穩(wěn)定的有用礦物。根據(jù)形成位置可以將它劃分為濱海和淺海砂礦[30]。前者指的是低潮線以上的濱岸地區(qū)的砂礦，主要是在第四紀(jì)高海面時(shí)期重礦物在海洋水動(dòng)力等作用下聚集而形成；后者指的是低潮面以下的淺海所形成的砂礦。中國有多處海砂礦床，開發(fā)起步較早，但規(guī)模有限。海砂分選良好，品質(zhì)優(yōu)良，可用于建筑材料和填海造地，是一種重要的礦產(chǎn)資源，其產(chǎn)值僅次于海底石油，是第二大海洋礦產(chǎn)的開采業(yè)。南海蘊(yùn)藏著豐富的砂礦資源，主要礦物有長石、石英、鋯英石、鈦鐵礦、獨(dú)居石等(圖1)[30]。

2 南海砂礦資源及其分布規(guī)律

2.1 海域砂礦資源特征與分布

由于對(duì)砂礦資源需求量巨大，南海濱海砂礦調(diào)查由來已久。南海砂礦資源包括鋯石、獨(dú)居石、褐釔鈮礦、鈦鐵礦、磷釔礦、砂金、石英砂、錫等礦種，其中獨(dú)居石、鋯石等礦種常與鈦鐵礦共生。海南省環(huán)島海岸類型更是多樣，有利于多種類型砂礦沉積和富集[31-32]。南海北部淺海砂礦具有重要的戰(zhàn)略價(jià)值，鈦鐵礦和鋯石分布較廣泛。南海東部、南部及西部海域，有用礦物為鈦鐵礦、鋯石、獨(dú)居石、金紅石等；海南島南部及西部淺水海域鈦鐵礦豐富，而金紅石和獨(dú)居石的分布較少。

砂礦資源量可以依據(jù)通用的品位異常區(qū)和礦物高含量區(qū)劃分方法。中國地質(zhì)調(diào)查局等權(quán)威機(jī)構(gòu)給出了砂礦劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)[34-36]。以此為標(biāo)準(zhǔn)，南海淺海砂礦具有良好資源遠(yuǎn)景[18,31-33]。南海已圈定砂礦異常區(qū)(圖2、圖3)，其中Ⅰ級(jí)砂礦異常區(qū)17個(gè)、Ⅱ級(jí)砂礦異區(qū)33個(gè)(圖2)。南海北部濱海砂礦主要為獨(dú)居石、金紅石、鋯石等，集中在粵西、雷西、桂東、瓊東南淺海區(qū)，水深一般在20 m以淺，為古濱海砂礦，沉積物主要為中粗砂；Ⅱ級(jí)異常區(qū)面積約為5 000 km2，礦種主要為鈦鐵礦、金紅石、鋯石等，不同水深區(qū)均有分布，礦床類型為淺灘或水下岸坡堆積砂礦，沉積物主要為中細(xì)砂。南海西部濱海砂礦有用礦物主要有鈦鐵礦、鋯石，由北向南，高含量區(qū)由海岸線平行分布變?yōu)楹０毒€垂直分布[32-34]。南海南部有著寬廣的巽他陸架，濱海砂礦呈南北向或北西-南東向分布，基本與水深線平行，有用礦物為鈦鐵礦，鋯石、金紅石及獨(dú)居石。南海東部濱海砂礦基本平行于水深線分布，主要為鈦鐵礦、鋯石、獨(dú)居石，其次為金紅石[35-36]。

表1 南海砂礦資源規(guī)模劃分

圖2 南海四種有用重砂礦物異常分布Fig.2 Abnormal distribution of four types of mineral heavy sand minerals in SCS

2.2 成礦地質(zhì)條件

控制砂礦形成和分布的主要因素有[34,37]：①成礦物質(zhì)來源；②沉積物類型；③海洋水動(dòng)力條件；④地形地貌；⑤沉積作用。

沉積物源通?？刂粕暗V的類型和分布，原生源越高的礦豐度，越大的補(bǔ)給面積，砂礦形成可能性也越大。礦源巖越近，搬運(yùn)距離越短，越利于成礦。南海東部富含角閃石和磁鐵礦砂礦。前者來自中酸性巖漿及正變質(zhì)成因，后者多數(shù)為花崗巖成因；南海北部碎屑物質(zhì)主要來自臺(tái)灣海峽兩岸，陸源碎屑物質(zhì)由河流或風(fēng)塵入海，在經(jīng)過沿岸流改造，控制濱海砂礦上逆堆積和分布；南海南部砂礦中火山礦物增多，說明火山物質(zhì)來源既有來自海底火山剝蝕物，也有附近弧狀列島的火山噴發(fā)物。南海西部砂礦富含鋯石、鈦鐵礦、角閃石、綠簾石、石榴石砂礦物源分別來自加里曼丹、古巽他河(沿納土納島東北方向)和湄公河三個(gè)方向的物源。西部砂礦物源來自紅河水系，包括海南島及中南半島北部和華南大陸珠江、漠陽江、鑒江等水系的北部沉積物的長石、石英質(zhì)量比大于0.2，以湄公河為主，古巽他河、彭亨河和巴蘭河搬運(yùn)來的南部沉積物的長石、石英質(zhì)量比為0.1～0.2。

重砂礦物的富集也受沉積物底質(zhì)類型控制。目前南海的砂礦異常區(qū)底質(zhì)類型主要為細(xì)砂，其次為粉砂質(zhì)砂、中細(xì)砂等[32,34,37]。南海大陸架表層沉積物主要由殘留沉積和現(xiàn)代沉積構(gòu)成，具有礫砂、砂礫石、中砂、粗砂、粉砂質(zhì)砂、細(xì)砂、粉砂、黏土質(zhì)砂、粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂、鈣質(zhì)生物砂、鈣質(zhì)生物礫質(zhì)極粗砂、砂-粉砂-黏土、貝殼堋瑚碎屑砂等15種沉積類型。海灣中沉積物較細(xì)，在海峽、開闊的陸架外緣沉積物較粗。常見礦物是磁鐵礦、鈦鐵礦、金紅石、銳鈦礦、鋯石、簾石、電氣石、海綠石、綠泥石等，輕礦物以石英、長石為主。南海陸架沉積特點(diǎn)是陸源物質(zhì)豐富，沉積速率高，物質(zhì)粗，生物碎屑多，碳酸鈣含量高。現(xiàn)代大陸架面積的70%被殘留沉積物覆蓋，它們形成于晚更新世低海面時(shí)期，且未受到改造。隨著對(duì)大陸架沉積研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，在海侵時(shí)期殘留沉積物受到廣泛改造，并與現(xiàn)存水動(dòng)力條件達(dá)到了平衡[36]。

河流是陸源物質(zhì)入海通道，為沖積砂礦富集有利場(chǎng)所。河流切割深度、坡度、分布密集、源近流強(qiáng)度，以及流經(jīng)礦源區(qū)對(duì)礦物搬運(yùn)是有利的。因此，河流入?？冢匕兑粋?cè)易于形成工業(yè)級(jí)砂礦礦床點(diǎn)。其次，河流入?？?、河漫灘、沖積階地等是砂礦礦物有利于富集區(qū)域[34-37]。海洋的水動(dòng)力具有砂礦破壞和建設(shè)的雙重作用。近岸陸緣碎屑物再分配和海底泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的決定因素是海洋水動(dòng)力。它的強(qiáng)弱及方向變化直接對(duì)海成砂礦形成及其分布規(guī)律與賦存有控制作用，因此，海洋水動(dòng)力和濱海砂礦有著密不可分的關(guān)系。

南海沉積物中銅(Cu)、鋇(Ba)與火山礦物輝石和磁鐵礦有一定的關(guān)系。海底殘留擴(kuò)張軸毗鄰區(qū)域是南海中、基性火山碎屑主要分布區(qū)。通過將南海海底擴(kuò)張區(qū)與其他海區(qū)的沉積物元素通量研究，可以發(fā)現(xiàn)中央海盆與勞海盆隆起區(qū)域的沉積物類似，其間的鐵(Fe)、錳(Mn)、鋅(Zn)、鎳(Ni)等元素通量普遍高于大西洋海嶺、東太平洋海隆。這也間接表明南海和勞海盆沉積物等金屬元素的堆積速率較快，超過東太平洋海隆。沉積物中金屬快速堆積與其豐富的物質(zhì)來源有關(guān)[38-40]。

2.3 砂礦資源成礦遠(yuǎn)景

南海海域砂礦資源可劃分為兩大成礦帶，即北部陸源有色、稀有、稀土金屬砂礦成礦帶和南部巽他陸架砂礦成礦帶(圖4)[18,34,37]。前者錫石、鋯石、獨(dú)居石、磷釔礦、鈮鉭鐵礦、鈦鐵礦、砂金、石英砂等為主要礦物；后者鋯石、鈦鐵礦、獨(dú)居石、金紅石和石榴石等為主要礦物。由陸至海，每個(gè)成礦帶的變化趨勢(shì)基本表現(xiàn)為：砂礦類型由比重大的鈦鐵礦、砂金、錫石變化為比重小的鈮鉭鐵礦等稀有元素礦床；成因類型由河成型到混合型、海成型、殘留型；從北往南，砂礦礦床越來越豐富，規(guī)模越來越大。

圖4 南海砂礦資源成礦遠(yuǎn)景區(qū)Fig.4 Potential area of sand mining resources in SCS

3 可能的鐵錳結(jié)核與結(jié)殼資源

與大洋沉積物相比，南海結(jié)核結(jié)殼屬的金屬元素的豐度比較低，不如太平洋豐富，但稀土元素含量比較高[41-44]，主要以離子吸附形式賦存于結(jié)核和結(jié)殼，且含量比太平洋北部區(qū)域高出1倍以上，比太平洋北部高出3倍以上。南海鐵錳結(jié)核結(jié)殼相對(duì)于富輕稀土具有明顯負(fù)斜率和稀土元素鈰(Ce)正異常，表現(xiàn)為銪(Eu)虧損不明顯，且其配分曲線平緩，與太平洋北部結(jié)核中稀土配分曲線具有差異。這表明南海鐵錳結(jié)核、結(jié)殼遭受海水的作用比太平洋北部的要?jiǎng)×?，而太平洋北部鐵錳結(jié)核遭受成巖作用影響比南海結(jié)核、結(jié)殼要嚴(yán)重[31,45]。這也表明了海底結(jié)核、結(jié)殼所處的獨(dú)特沉積環(huán)境有關(guān)。蛟龍?zhí)柹顫撜{(diào)查航次發(fā)現(xiàn)三個(gè)區(qū)域具有結(jié)核結(jié)殼的海底視頻和照片，并采集了多金屬結(jié)核結(jié)殼樣品，初步掌握了采集試驗(yàn)調(diào)查區(qū)的多金屬結(jié)核特征，在此基礎(chǔ)上評(píng)估區(qū)域多金屬結(jié)核資源采集潛力(表2、表3)。

表2 南海鐵錳結(jié)殼站位表Table 2 Stations of iron and manganese crusting in SCS

表3 南海鐵錳結(jié)核站位表Table 3 Stations of iron and manganese nodules in SCS

3.1 結(jié)核和結(jié)殼分布特征

南海錳結(jié)核生長速率為平均每百萬年增長幾毫米至幾厘米。其在形成過程中記錄了古海洋環(huán)境演變的信息[44-45]。在中國第一次南海調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)中沙群島南部深海盆地及東沙群島東南及南部大陸坡分布有多金屬結(jié)核。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，共有10處鐵錳結(jié)核、12處結(jié)殼及一些微結(jié)核(Φ<1 mm)。

但隨著后來1∶100萬南海海洋地質(zhì)調(diào)查的深入，鐵錳結(jié)核、結(jié)殼的站位數(shù)量也逐漸在增加(表2、3)。目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的鐵錳結(jié)核有12處，結(jié)殼21處(圖5、表3)，它們分布于12°N以北、113°E以東的陸坡和深海盆區(qū)。結(jié)核主要產(chǎn)于陸坡中部及深海盆周緣，水深大于1 000～2 000 m，少數(shù)可達(dá)3 400 m；結(jié)殼則產(chǎn)于中央海盆和其周緣的高山、海臺(tái)上，前者水深較大，可達(dá)3 000～3 500 m，后者較小，一般為1 000～2 400 m。西沙群島，中沙臺(tái)地和禮樂灘附近均曾發(fā)現(xiàn)比較大的結(jié)核，直徑4～5 cm，主要為水成類型結(jié)核。結(jié)殼厚1～3 cm，少數(shù)可達(dá)5～7 cm，如尖峰海山、中沙臺(tái)地所見。南海結(jié)核、結(jié)殼的銅(Cu)、鎳(Ni)、鈷(Co)總量雖然比較低，但卻富含稀土元素，具有較好的資源遠(yuǎn)景[17-19,29,37-42]。

圖5 南海結(jié)核、結(jié)殼分布圖Fig.5 Distribution of iron manganese nodules and crusting in SCS

3.2 多金屬結(jié)核(殼)礦物地球化學(xué)特征

組成鐵錳結(jié)核、結(jié)殼的礦物主要為鐵錳氧化物(δ-MnO2、Fe2O3)和氫氧化物[Mn(OH)4、FeO(OH)]或含水氧化物(MnO2·nH2O、Fe2O3·nH2O)。X射線衍射和透射電鏡的分析表明，組成結(jié)核、結(jié)殼礦物的結(jié)晶程度都很低，多為不定形的膠狀或偏膠狀、偶爾見到微晶片狀結(jié)構(gòu)，具微層狀、同心紋層狀、球粒狀、疊層狀及花蕾狀等構(gòu)造[43-45]。

結(jié)核和結(jié)殼的X射線衍射分析表明：南海沉積物中的鐵錳結(jié)核和結(jié)殼由多種礦物組成。邱傳珠等曾通過X射線衍射對(duì)結(jié)核測(cè)試，證明其主要由鈣錳礦(10A水錳礦)和鈉水錳礦組成，此外還有軟錳礦、針鐵礦和磁鐵礦等[38-39,42]。所得X射線衍射曲線多呈散射型，以低峰強(qiáng)度為特征。組成結(jié)殼的錳礦物主要為鈣錳礦和水羥錳礦，其次還有鈉水錳礦和黏土礦物、長石、輝石、橄欖石等碎屑礦物。微結(jié)核的X射線衍射分析結(jié)果表明，微結(jié)核主要結(jié)晶相由鈣錳礦、鈉水錳礦和水羥錳礦組成[42,46-48]。

南海結(jié)殼礦物組成與南海結(jié)核相近，但與只含水羥錳礦的太平洋結(jié)殼相比，則存在較大差別。通常認(rèn)為δ-MnO2是一種在強(qiáng)氧化環(huán)境下沉積的水成氧化物，是組成結(jié)殼的代表性礦物，而南海結(jié)殼除含水羥錳礦外，還含鈣錳礦，故在礦物組成上更像是結(jié)核[49-50]。

3.3 結(jié)核、結(jié)殼的稀土元素地球化學(xué)特征

南海結(jié)核、結(jié)殼的稀土元素總量平均值為161.125×10-5，比中太平洋(CP)區(qū)結(jié)核(140.96×10-5)、東太平洋(CC)區(qū)結(jié)核(102.65×10-5)都高[51-52]。稀土的分布與大洋結(jié)核、結(jié)殼類似，它們均具有負(fù)斜率，且銪(Eu)以前的輕稀土尤為顯著，銪(Eu)以后變得平緩。在大多數(shù)情況下，鈰(Ce)在模式圖上顯示為正異常。但在氧化程度比較低時(shí)，也可以是負(fù)異常。無論是南?；蛱窖?，沉積物的稀土分布模式除鈰(Ce)外，也都與結(jié)核、結(jié)殼基本相似，即三價(jià)稀土在沉積物和結(jié)殼中具有相同的分布模式。這說明它們的稀土元素具有同一來源，而非結(jié)核、結(jié)殼的稀土來自海底沉積物。南海的稀土分布模式具有強(qiáng)烈的鈰(Ce)負(fù)異常，認(rèn)為結(jié)核、結(jié)殼中的稀土元素主要來自海水，而結(jié)殼中的非晶質(zhì)鐵錳氧化物又是海水中稀土元素析出的重要載體。南海結(jié)核、結(jié)殼的稀土含量是南海沉積物的11倍，這說明稀土元素主要富集在結(jié)核、結(jié)殼中具有高的鈰(Ce)異常。如圖6所示，鈰(Ce)在南海(HYD179、HYD180a、HYD238)結(jié)核、結(jié)殼中的富集率很高，幾乎占稀土元素總量的50%，其中憲北海山、尖峰海山、雙峰海山(KD17)和西沙臺(tái)地的結(jié)核均比太平洋結(jié)殼、結(jié)核具有更高的異常值，說明南海海底的介質(zhì)環(huán)境氧化程度更高，更有利于鐵(Fe)、鈷(Co)沉淀富集，這也是南海鐵鈷結(jié)殼、結(jié)核相對(duì)更高的原因[53-54]。南海三個(gè)結(jié)殼區(qū)(HYD179、HYD180a、HYD238)的稀土元素各含量曲線與西太平洋曲線基本重合[53-56]，說明它們具有相似性，總量分別為238.15×10-5、266.28×10-5、265.76×10-5接近工業(yè)開采品位，其潛在的資源意義值得關(guān)注[57-60]。三個(gè)結(jié)殼站位的稀土元素總量平均值達(dá)到256.73×10-5，高于本次采集的結(jié)核樣品(HYD180)的稀土元素總量平均值(107.91×10-5)近2倍。HYD180站位結(jié)核的稀土元素總量平均值與東太平洋(CC)區(qū)結(jié)核102.65×10-5相近[53, 60]。

圖6 樣品中稀土元素含量與東太平洋和西太平洋結(jié)殼對(duì)比Fig.6 The content of rare earth elements in the samples and the crustal comparison between the eastern Pacific and the western Pacific

4 新型海底礦物資源調(diào)查與發(fā)現(xiàn)

2018年同濟(jì)大學(xué)利用加拿大“ROPOS”遙控深潛機(jī)器人從南海東北到對(duì)中南部陸坡的冷泉、海山和特殊沉積區(qū)進(jìn)行了海底考察，累計(jì)航程2 600 n mile(1 n mile=1 852 m)，首次在南海海底發(fā)現(xiàn)了古熱液遺跡，并成功采集到古熱液煙囪樣品。他們將在南海2座海山上發(fā)現(xiàn)的古熱液區(qū)分別命名為“南溟”熱液區(qū)和“樓蘭”熱液區(qū)。其中，由富集古熱液煙囪或熱液沉淀物丘構(gòu)成的“南溟”熱液區(qū)范圍至少有700 m長(圖7、圖8)。中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所開始利用“深海勇士號(hào)”載人潛水器開展南海海底礦物資源的調(diào)查研究，相信隨著研究的深入，還會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的結(jié)核結(jié)殼、熱液硫化物、深海稀土、海底砂礦等海底礦物資源。

圖7 南海海底發(fā)現(xiàn)的古熱液區(qū)位置Fig.7 Locations of paleo-hydrothermal zone in SCS

圖8 古熱液區(qū)采集巖石樣品Fig.8 Rock samples collected in the paleo-hydrothermal area

5 南海海底礦物資源開發(fā)問題與展望

5.1 存在問題

首先，人們尚不能完全回答南海海底礦資源如何形成，如成礦機(jī)理、分布規(guī)律與資源量等諸多問題。南海深海多金屬結(jié)核(殼)形成、富集和資源潛力，受深水洋流、海底巖漿、沉積物高速堆積、冷泉流體滲漏等單一或關(guān)聯(lián)作用影響或控制，需要學(xué)科交叉和各種思想交融才能深入研究和揭示。此外，南海深海多金屬結(jié)核(殼)的資料與數(shù)據(jù)主要完成于20世紀(jì)末，沒有把洋流、冷泉作為重要影響因素加以考慮和研究，且資料老化、認(rèn)識(shí)有局限性，也沒有對(duì)新發(fā)現(xiàn)和采集樣品、原有成果進(jìn)行整編和集成研究，形成多金屬結(jié)核(殼)資源的綜合研究報(bào)告及南海深海多金屬結(jié)核(殼)資源調(diào)查建議書。因此，迫切需要開展南海深海多金屬結(jié)核(殼)的成礦模式、成藏機(jī)制和遠(yuǎn)景區(qū)劃等進(jìn)行研究。

其次，目前的海底礦物資源調(diào)查與開采技術(shù)不能滿足資源評(píng)價(jià)和試采的需求。目前人們對(duì)南海海底礦物資源潛力還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，研究多停留在定性描述和分析階段，缺乏有效的定量評(píng)價(jià)手段和技術(shù)，導(dǎo)致深海資源探測(cè)和評(píng)價(jià)的不確定性，為規(guī)避地質(zhì)評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)和深海探測(cè)能力不高，在新技術(shù)采用方面還不夠，因此有必要發(fā)展新型、智能的深海底礦物資源探測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)，為海底資源開發(fā)和海洋工程的實(shí)施提供有力的技術(shù)支持。

5.2 展望

南海海底固體礦產(chǎn)資源目前比較肯定的是海底砂礦資源。南海的砂礦資源極其豐富，尤其是南海南部，應(yīng)提高重視程度，因?yàn)檫^去人們只對(duì)油氣資源情有獨(dú)鐘。然而，其他的海底礦物資源在國家戰(zhàn)略的地位和商業(yè)化開采需要重新精細(xì)評(píng)估?；谀虾５牡刭|(zhì)條件，對(duì)比南海海域與國際上海底礦物資源規(guī)模、資源質(zhì)量、開采技術(shù)條件、環(huán)境影響、政策和市場(chǎng)等外部因素，綜合分析南海海底礦物資源的開發(fā)前景。結(jié)合海南省自由貿(mào)易島的發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)布局和市場(chǎng)需求等因素，對(duì)南海海底礦物資源勘查開發(fā)的政策需求、制度需求、市場(chǎng)需求、技術(shù)需求、戰(zhàn)略需求等方面進(jìn)行全面系統(tǒng)分析，為海南省海底礦物資源的開發(fā)、基地建設(shè)和決策提供依據(jù)。結(jié)合中國大洋礦產(chǎn)開發(fā)實(shí)踐，發(fā)展和引進(jìn)使用與南海海底采礦設(shè)備，建立試采水下和陸上平臺(tái)，為后期的海底礦物資源試采提供保障。建立健全海洋礦產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)體系，積極向國家爭(zhēng)取賦予海南省南海資源開發(fā)監(jiān)管權(quán)和審批權(quán)，保障開發(fā)生態(tài)環(huán)境安全。