海底三宝 未来可期

　　海底三宝 未来可期

　　海洋除了源源不断地为陆地输送水汽，调节全球的气候，为我们提供大量的渔业资源和水产品外，还为我们提供各种矿产资源，其中就包括三种珍贵的金属矿产：锰结核（也称多金属结核）、富钴结壳和多金属热液硫化物。虽然它们没有很高的颜值，但是随着勘探开发技术的不断进步，这海底三宝会不断融入到人类的工业生产和日常生活中，是服务未来的海底宝藏。

　　聚集多种金属的“黑土豆”——锰结核

　　锰结核（多金属结核）看起来像黑土豆或者黑煤球，表面不平整，疙里疙瘩的。最小的锰结核只有豌豆大小，最大的锰结核直径有50厘米，平均直径约为4厘米～7厘米。锰结核主要出现在大洋水深2000米～6000米的深海平原上，最密集的地方每平方米可收集到100千克。

　　锰结核的发现实属偶然。1873年，英国的“挑战者号”海洋科考船在大西洋加纳利群岛水深4360米的地方用海底拖网采到了一种奇怪的黑色结核。因为含锰很高（达到25%以上），所以起了个“锰矿瘤”的名字。在此后100年间，多个国家的海洋科考发现了更多的锰结核富集地，同时发现这种结核中铜、钴、镍的含量很高，可谓是一种高品位的金属矿产资源。20世纪70年代，美、日、英、法、德等发达国家积极开展了锰结核的地质调查和勘查，我国从1978年也开展了太平洋锰结核资源的地质勘查，起步稍晚但成果丰富。到2010年前后，太平洋、大西洋和印度洋锰结核的资源勘查工作基本完成。勘探结果表明，海洋中锰结核储量丰富，开发前景可观。

　　锰结核的成矿金属是哪里来的呢？根据已有的科研成果，这些金属主要有四个来源：一是来自大陆、岛屿的岩石风化作用；二是来自海底和岛弧火山喷发的气体、熔岩与海水的相互交代作用；三是来自富集微量金属元素的浮游生物的死亡和分解；四是来自降落到海洋的宇宙尘埃。这些不同来源的金属降落到深海海底之后，在水里或者在沉积物里聚集，以岩石碎屑和生物碎屑为核心，像树木年轮一样一圈一圈地生长起来。锰结核的生长速度非常缓慢，在水里形成的结核，100万年只能生长2毫米；在沉积物里形成的结核，其生长速度相对快一些，100万年能生长10毫米～100毫米。一个直径5厘米的锰结核，至少需要几十万年的生长期；如果生长速度慢，那就需要1000多万年。

　　目前，全球三大洋的锰结核资源调查工作已经基本完成，锰结核总储量约30000亿吨。太平洋里的锰结核的储量最多，约17000亿吨，且质量最佳，含金属锰约4000亿吨、镍约160亿吨、铜约88亿吨、钴至少有50亿吨。根据2010年统计的人类一年使用的铜金属量来看，锰结核中的铜可供全人类使用600年。锰、钴、镍可供全人类使用1万年以上。

　　海底平顶海山上的宝藏——富钴结壳

　　富钴结壳是在大洋深处的平顶海山上富集的一种金属矿产，是在岩石上生长的一层“壳”状黑色沉积物。它的颜色很黑，最大厚度有20厘米，最薄的仅有几毫米，平均厚度为3厘米～4厘米。富钴结壳一般长在平顶海山的山顶和陡坡处，虽然厚度较薄，但是分布面积很大，一座海山几百、上千平方千米的面积上都是一层富钴结壳，其总量很是可观的。富钴结壳的锰含量也很高，和锰结核差不多，但最主要的是钴含量很高，高达0.6%～1.8%，比锰结核的含钴量高10倍左右。此外，也富含铜、镍和稀土元素。

　　富钴结壳的发现是20世纪50年代海洋地质学家研究海底平顶海山的副产物。北太平洋的深海海底有5000多座海山，多数海山的顶部平圆，山体陡峭，形态像一个圆台。最初的研究者在平顶海山上发现富钴结壳时，并没有把它当作一种矿产资源。直到20世纪70年代，人们才开始认真调查研究富钴结壳的成因。1990年，我国海洋地学家在西北太平洋的麦哲伦海山区做了深入的调研工作，认识到富钴结壳可分为三种产状：一是板状结壳；二是砾状结壳；三是钴结核。三种产状的富钴结壳所含的金属种类、品位和矿石结构都很相似。

　　富钴结壳的金属来源和锰结核一样，但形成机制有所不同。其以化学沉积为主，生长在基岩之上，分布在800米到2500米水深的海山、海岛斜坡和海底高原，产状受到海底地形、基岩类型、海水水文和海水化学等多因素的影响。一般说来，富钴结壳都有明显的层状构造，接触基岩的底层是致密块状，中间层相对疏松，接触海水的表层又是致密块状，显示其形成过程具有一致性和阶段性。富钴结壳的生长速度非常缓慢，甚至比锰结核生长的速度还慢，每百万年仅能生长1毫米～2毫米。富钴结壳在印度洋、大西洋、太平洋的海山区都有分布，其中西太平洋海山上的富钴结壳质量最高、储量最大。这种矿产都是结壳状的形态，是在基岩上生长的一层薄薄的“壳”，所以开发利用时的技术难度要比锰结核高得多。

　　全球各大洋的富钴结壳资源调查工作还在进行中。根据现有的资料来看，富钴结壳中钴资源量至少有10亿吨，其中太平洋富钴结壳数量最多，质量最佳，资源储量最大。富钴结壳的钴和镍的储量是全球陆地资源储量的8倍，锰的储量是全球陆地资源储量近10倍，另外还有相当数量的铂和稀土资源。

　　海底的速成矿产——多金属热液硫化物

　　1963年，海洋地质学家在红海海底发现了热液硫化物矿床，成因上与大洋扩张有关，这间接证明了大洋中脊可能具有形成同类的矿床。经过十多年的深海调查，1979年在东太平洋洋中脊海山附近发现了高温热液喷口，俗称“黑烟囱”。“黑烟囱”的热液温度在350℃~450℃之间，热液中富含十几种金属硫化物。“黑烟囱”随着热液的喷出不断长大、长高，热液喷出的硫化物在周边的海底堆积起来，这是正在进行着的热液成矿作用。这样的“黑烟囱”成矿的速度很快，几十年至几百年就能形成一片矿产。这是一种前人无法想象的、全新的热液成矿作用。

　　从20世纪80年代起，这种热液硫化物引起了世界各国的关注，持续不断地在太平洋、印度洋和大西洋开展了深入的调查研究。我国从1993年开始，在西太平洋构造带、印度洋洋中脊等地开展了热液硫化物的深海科考和资源调查工作，发现了46处活动的热液喷口，取得了一系列重要的科研成果。

　　热液硫化物成矿作用可以分成三种类型：正在形成的矿产（“活着”的“黑烟囱”），已经形成的矿产（“死去”的“黑烟囱”）和未来可能的矿产（将要形成的“黑烟囱”）。海底调查显示，目前全球大洋底已经形成和正在形成的热液硫化物有300多个成矿点，成矿元素包含金、银、铜、钯、锌、钛、钴、镍、锡等。将来，在大洋洋中脊构造影响范围内，还会形成新的热液喷口，形成新的热液硫化物矿产。可以说，海底多金属热液硫化物是一种生生不息的宝藏，非常值得关注。

　　全球的热液硫化物的资源调查工作刚刚开始，还需要一段时间来认识和掌握其成矿规律、成矿特点和资源评价方法。从现有的调查成果来看，不同构造部位的热液硫化物具有不同的成矿特点，有的以金、银、铜成矿为主，有的以铜、铅、锌、钴、镍为主，作为一种矿产资源的储量评价还需要更长的时间。目前，有少数热液硫化物矿区已经完成了资源勘查工作，证明这种矿产具有很高的经济价值。

　　海底这三种金属矿产主要分布在深海平原、海山和大洋中脊附近，绝大多数都在国际海底区域，属于人类的共有财产。1994年11月，联合国成立了“国际海底管理局”，对国际海底矿产进行统一管理，成员国可以申请海底矿产勘探开发区域，分享应有的权益。2001年至今，国际海底管理局总共批准了30块国际海底矿产开发区域，有22个国家参与，我国共获得了5块区域，其中3块是锰结核开发区域，1块是富钴结壳开发区域，1块是热液硫化物开发区域，总面积有24万平方千米。可以说，我国在海底矿产的勘探调查方面已经走在了世界前列。

　　在过去的20年里，我国深海矿产勘探和开发技术和装备发展很快，载人深潜器、深海观测系统、无人缆控潜水器、深海通讯系统等已经达到国际先进水平。2005年，完成了1000米水深开采系统的设计；2014年～2018年，海底集矿系统研制和500米水深试验成功；2020年，1000米水深的集矿系统试验成功。照这样的发展势头，我国的深海采矿技术在未来的5~10年内将达到世界领先水平，海底宝藏的开发利用也必将取得突破性的成果。

　　摘自《地球》2023年6期