全球三大洋海山鈷結殼資源量估算

張富元，章偉艷，任向文，張霄宇，朱克超

（1.國家海洋局第二海洋研究所海底科學國家海洋局重點實驗室，浙江杭州310012；2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061；4.浙江大學地球科學系，浙江杭州310012；5.國土資源部廣州海洋地質調查局，廣東廣州510075）

全球三大洋海山鈷結殼資源量估算

張富元1，2，章偉艷1，2，任向文3，張霄宇4，朱克超5

（1.國家海洋局第二海洋研究所海底科學國家海洋局重點實驗室，浙江杭州310012；2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061；4.浙江大學地球科學系，浙江杭州310012；5.國土資源部廣州海洋地質調查局，廣東廣州510075）

鈷結殼具有Co、Ni、Cu和Mn及其他金屬的潛在礦產資源和儲存在結殼層中古環(huán)境信息的雙重意義。與深海多金屬結核和熱液硫化物礦床相比，具有較高Co、Ni和Pt含量的海山鈷結殼有可能成為商業(yè)勘探的潛在目標。為合理地估算出全球三大洋海山鈷結殼資源量，基于我國西太平洋海山鈷結殼拖網采樣調查資料和對太平洋海山鈷結殼資源分布規(guī)律和鈷結殼礦區(qū)圈定參數指標的深入研究，按海山不同高度、不同洋殼年齡賦予不同結殼厚度，進而計算出全球三大洋海山鈷結殼分布面積為3 039 452.14 k m2和干結殼資源量為（1 081.166 1～2 162.332 2）×108t。太平洋海山鈷結殼分布面積為2 123 087.12 k m2和干結殼資源量為（513.244～1 026.488）×108t，大西洋海山鈷結殼分布面積為512 509.74 k m2和干結殼資源量為（116.503 2～233.006 4）×108t，印度洋海山鈷結殼分布面積為403 855.28 k m2和干結殼資源量為（81.484 9～162.969 8）×108t。三大洋海山鈷結殼的Mn、Co、Ni和Cu金屬量分別為（138.848 0～277.696 0）×108t，（3.967 6～7.935 2）×108t、（2.793 6～5.587 2）×108t和（0.825 1～1.650 2）×108t。根據鈷結殼的Co含量、Co通量和厚度相關分析，所賦予的鈷結殼厚度占理論推測厚度的6.10%～12.20%，這與Ku等得出“鈷結殼生長時間約占其整個生命史4%”的認識非常相近。三大洋海山鈷結殼實測厚度與賦值厚度對比分析表明，太平洋海山鈷結殼賦值厚度平均值為1.87 cm，實測厚度平均值為1.77 cm，相對誤差為5.35%，大西洋和印度洋相對誤差分別為18.18%和23.23%。研究數據表明按海山高度和洋殼年齡所賦的鈷結殼厚度基本合理，估算出的鈷結殼資源量基本可靠。本文首次估算出三大洋海山鈷結殼資源量，為整個海盆和三大洋海山鈷結殼資源量估算提供了新方法。

三大洋；海山；鈷結殼；資源量；估算；礦產資源評價

張富元，章偉艷，任向文，等.全球三大洋海山鈷結殼資源量估算［J］.海洋學報，2015，37（1）：88—105，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.010

Zhang Fuyuan，Zhang Weiyan，Ren Xiangwen，et al.Resource estimation of Co-rich crusts of seamounts in the three oceans［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（1）：88—105，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.010

1　引言

生長在洋底海山上鈷結殼（Co-rich ferromanganese crust）是Mn、Cu、Co、Ni、Pt和其他金屬的潛在礦產資源［1—2］，也是儲存大量海洋環(huán)境信息的重要載體［3—4］。由于鈷結殼集海洋資源和環(huán)境雙重信息，各國對其調查研究方興未艾。自20世紀80年代起，德國、俄羅斯、美國、法國、澳大利亞、韓國、日本、中國等國家投入大量經費進行鈷結殼資源調查研究。1981年德國“太陽號”首次對太平洋萊恩群島進行鈷結殼資源調查，獲得驚人發(fā)現，證實太平洋較大范圍內存在具有經濟潛力的鈷結殼礦床［5］。1982年前蘇聯在大西洋、太平洋相繼開展鈷結殼資源調查［6］。1983-1984年美國對中太平洋、馬紹爾群島、專屬經濟區(qū)進行了詳細的鈷結殼資源調查［7—8］。大洋鈷結殼資源勘查目的之一就是估算鈷結殼資源量，然而迄今為止，國內外學者尚未估算出全球三大洋海山鈷結殼資源量。究其原因，一是因為大洋幅員遼闊，水深大，海山分布浩瀚，舉國之力也難以調查清楚鈷結殼資源分布真實情況，二是對不同高度、不同年齡的每座海山不知如何賦予鈷結殼厚度和對這一問題缺乏行之有效的解決辦法?；谖覈鴮ξ魈窖筲捊Y殼資源調查資料和對太平洋海山鈷結殼資源分布規(guī)律的深入研究［9—15］，結合對海山成因、最低含氧層和Co通量的深刻認識，利用國際互聯網公布的高精度衛(wèi)星測高得出的海山數據，對太平洋海山按不同高度、不同洋殼年齡分別賦予不同結殼厚度，計算出太平洋海山鈷結殼資源量。同時將鈷結殼生長的理論厚度與拖網獲得的鈷結殼厚度相比較，得出鈷結殼Co沉積量約占Co通量的6%，這與“鈷結殼生長時間約占其整個生命史4%”的認識很接近［16］，研究表明按海山高度和洋殼年齡賦予結殼厚度進而估算海山鈷結殼資源量的方法基本可行，采用太平洋海山鈷結殼資源量估算方法和成功經驗，首次估算出三大洋海山鈷結殼資源量，并對海山鈷結殼賦值厚度和資源量估算進行可行性分析。

2　海山鈷結殼資源量估算的重要參數

2.1鈷結殼厚度、豐度和金屬含量

鈷結殼資源量計算和資源評價中涉及到的重要參數包括結殼厚度、豐度、金屬含量、最低含氧層深度、水深、洋殼（海山）年齡。鈷結殼厚度是指生長在基巖上的結殼厚度，通常用厘米表示。鈷結殼豐度是指海山表面單位面積內濕結殼重量，用千克每平方米表示。鈷結殼豐度計算公式F=10×ρ×D，式中F為結殼豐度（單位：kg/m2），ρ為結殼濕密度（單位：g/ cm3），D為結殼厚度（單位：cm）。Mn、Cu、Co、Ni是結殼中最有經濟價值的金屬元素。我國對西太平洋（5° N～25°S，150°E～165°W）海山鈷結殼資源調查結果表明［14-15］，拖網采樣結殼厚度為0～22 cm，平均3.08 cm；豐度0～431.2 kg/m2，平均65.39 kg/m2。Mn含量9.71%～33.32%，平均21.92%；Cu含量0.01%～0.31%，平均0.13%；Co含量0.14%～1.49%，平均0.60%；Ni含量0.18%～1.05%，平均0.44%。含水率14.40%～47.13%，平均28.13%。

2.2最低含氧層和鈷結殼分布深度

鈷結殼主要為水成成因［17—18］，鈷結殼成礦作用主要發(fā)生在最低含氧層深度附近［19］，鈷結殼生長與水深、最低含氧層和洋殼（海山）年齡密切相關，鈷結殼主要分布在具有一定高度、年齡較老、最低含氧層發(fā)育的海山上。我國調查資料表明西太平洋最低含氧層深度為500～1 100 m（圖1），太平洋其他海區(qū)的最低含氧層深度大致也是如此［20—22］。大西洋最低含氧層深度為300～700 m［23—24］。印度洋最低含氧層深度為300～1 100 m［23，25—26］。西太平洋海山鈷結殼主要分布水深小于2 800 m，中太平洋海山鈷結殼主要分布水深小于2 500 m［13］，東太平洋（夏威夷海山鏈）海山鈷結殼主要分布水深800～2 400 m［27］。由東向西，結殼分布水深總趨勢是隨海底水深變深而變深。大西洋海山鈷結殼主要分布在水深1 500～2 665 m［17，28］。印度洋海山鈷結殼主要分布水深小于2 500 m，在印度洋Afanasiy-Nikitin海山1 600～3 200 m水深成功的采集到鈷結殼［29］。

圖1　西太平洋最低含氧層水深分布（5個測站）Fig.1 The water depth distribution of oxygen minimum zone in the western Pacific（five sites）

2.3鈷結殼厚度與洋殼（海山）沉降深度、水深關系

洋殼（海山）巖石的冷卻收縮作用導致洋殼（海山）發(fā)生沉降，Sclater等［30］建立海底水深d（單位：m）與洋殼年齡t（單位：Ma）的關系式為d=2 500+ 350t0.5［31］。據此關系式，洋殼或海山沉降（Δd）500 m，需要時間（Δt）2.04 Ma；沉降2 000 m，需要時間32.65 Ma；沉降3 000 m，需要時間73.46 Ma；沉降3 500 m，需要時間100 Ma。同時，采用結殼平均生長速率1.1 m m/Ma［3，32］，如果生長結殼的海山下沉3 500 m，對應的下沉時間為100 Ma，相應的結殼厚度從水深500 m的2.24 m m生長到水深4 000 m的110 m m（表1）。海山高受到最低含氧層成礦作用時間長，結殼生長時間長，結殼厚度大；海山低受最低含氧層成礦作用時間短，結殼生長時間短，結殼厚度小。因此，需要對不同高度海山賦予不同結殼厚度。

表1　鈷結殼厚度與洋殼（海山）沉降深度關系Tab.1 Relationship between cobalt crust thickness and subsided depth of the ocean crust（seamounts）

2.4鈷結殼厚度與洋殼（海山）年齡關系

Segl等［33］認為根據目前拖網調查資料不可能精確地測定海山鈷結殼厚度，因為采集的結殼厚度變化很大，多數情況下沒有能力建立起統(tǒng)計學上有效的平均值［27］。因此，許多學者［34—35］研究了鈷結殼厚度與基巖年齡之間的關系。美國夏威夷東西方研究中心利用海山基底年齡賦予鈷結殼厚度，對美國專屬經濟區(qū)及太平洋有關島嶼、海山區(qū)的鈷結殼資源潛力進行了估算，他們對年齡大于40 Ma的海山賦予2 cm的鈷結殼厚度，年齡小于40 Ma的海山賦予1.5 cm的結殼厚度，年齡小于2～5 Ma的海山不進行資源量估算［2］。由于夏威夷海嶺火山年齡建立得非常好，含有結殼的拖網樣品又沿海嶺采集，所以結殼厚度隨夏威夷海嶺基底年齡增加而線性增加，鈷結殼厚度與年齡基本呈正相關（圖2）。

圖2　鈷結殼厚度與年齡關系（數據見表10）Fig.2 Relationship between the thickness of cobalt crust and its age（data from Tab.10）

М амвеенков和Седов［38］劃分出太平洋板內火山作用的4個活動期。第1期巖漿活動年齡為距今100～120 Ma，中太平洋海山區(qū)、馬爾庫斯-威克海山區(qū)、麥哲倫海山區(qū)的大多數海山是在這一時期形成的。第2期距今75～90 Ma，中太平洋海山區(qū)、馬爾庫斯-威克海山區(qū)、馬紹爾群島在這一時期形成。第3期距今40～50 Ma，馬紹爾群島和萊恩群島一部分海山形成于這一時期。第4期距今20～30 Ma，這一時期產生南太平洋部分島嶼。太平洋8 264座海山的洋殼年齡約0.10～170.32 Ma，平均81.89 Ma。東太平洋殼年齡小，西北太平洋殼年齡大。洋殼年齡大的海山年齡一般也較大，海山年齡與洋殼年齡密切相關，兩者都顯示出由東向西變老的趨勢（圖3）。洋殼老、海山年齡相對較大，結殼生長時間長，結殼厚度大。據此可以對海山洋殼年齡分級，并對不同洋殼年齡的海山賦予不同的結殼厚度，然后計算鈷結殼資源量。

圖3　西太平洋洋殼（海山）年齡與經度關系（數據來自參考文獻［36—37］）Fig.3 Relationship between ages of ocean crust（seamount）and its longitude（data from reference［36-37］）

3　全球三大洋海山面積

2001年，Wessel［37］提供的高度大于1 000 m的全球大洋海山數量為14 675座。2010年，Wessel等［39］利用ERS-1/Geosat網格化垂直重力梯度數據，研究板內火山作用形成的全球大洋海山數量，結果得出分布在不同板塊內高度大于1 000 m的全球大洋海山數量為11 882座。兩次海山數據對比表明，2001年 Wessel［37］公布的全球海山多計數2 793座，印度板塊和非洲板塊的兩次海山數據相等，太平洋板塊有1座海山計數2次，科科斯板塊和納茲卡板塊的每座海山計數2次，南極洲板塊、歐亞板塊和南美板塊的每座海山計數3次，北美板塊多計數843座海山。本文鈷結殼資源量估算采用2010年Wessel等［39］公布的全球大洋11 882座海山數據（見圖4，表2）。

表2　全球各板塊高度大于1 000 m海山分布Tab.2 Statistics of seamounts（1 000 m higher than adjacent ocean floor）of main tectonic plates in the world

續(xù)表2

圖4　全球三大洋高度大于1 000 m海山分布圖（據Wessel等［39］公布的11 882座海山數據繪制）Fig.4 Distribution of seamounts（1 000 m higher than adjacent ocean floor）in three oceans（drawn based on data for 11 882 seamounts publ ished by Wessel et al.［39］）

3.1全球三大洋海山面積

2010年Wessel等［39］公布的太平洋8 264座海山（表2）的經度為131.1500°～288.4170°，平均值為200.9131°；緯度為-69.9500°～58.1922°，平均值為-3.0466°；海山半徑為3.22～100 k m，平均值為13.86 k m；海山高度為1 000～8 000 m，平均值為2 464 m；海山所在位置的洋殼年齡為0.10～170.30 Ma，平均值為81.89 Ma。太平洋8 264座海山中，高度1 000～2 000 m海山3 401座，占海山總數的41.15%，2 000～3 000 m海山3 352座，占40.56%，3 000～4 000 m海山1 039座，占12.57%，大于4 000 m海山472座，占5.71%。以海山為單位并根據投影面積計算公式πr2（r為海山半徑）計算出單座海山投影面積為32.57～31 416 k m2，平均值為856.36 k m2，太平洋8 264座海山總面積為7 076 957.07 k m2。

表2　太平洋海山鈷結殼資源量計算（按海山高度）（n=8 264）Tab.2 Resource estimation of of cobalt crusts on the seamounts in the Pacific Ocean based on seamount height

續(xù)表2

前蘇聯在1968年和1970年利用“Vitiaz”調查船對太平洋馬爾庫斯-內克爾海脊及中太平洋海山區(qū)進行鈷結殼資源調查，西北太平洋3個鈷結殼成礦?。ㄏ耐?皇帝海嶺、萊恩群島、馬爾庫斯）面積為3 290 300 km2和資源量為4 627.7 Mt［6］。美國對夏威夷群島、馬紹爾群島、中太平洋海山區(qū)［7］海山分布面積計算出為491 520 km2。前蘇聯對太平洋鈷結殼資源分布面積計算是比較粗略的，他們把生長鈷結殼的海山區(qū)看作是一個整體，實際上太平洋大多數海山是熱點成因而呈離散狀孤立分布，海山之間是水深大、基本不長結殼的海底，鈷結殼分布面積計算應排除海山之間的海底面積，這樣才能得出較準確的結殼分布面積。

大西洋1 748座海山（表3）的經度為-69.517 0°～19.050 0°，平均值為-15.194 2°；緯度為-67.383 3°～55.316 7°，平均值為-12.411 3°；海山半徑為3.72～58.29 km，平均值為14.82 km；海山高度為1 000～7 300 m，平均值為2 600 m；海山所在位置的洋殼年齡為2.40～177.10 Ma，平均值為80.59 Ma。大西洋1 748座海山中，高度1 000～2 000 m海山553座，占海山總數的31.64%，2 000～3 000 m海山798座，占45.65%，3 000～4 000 m海山278座，占15.90%，大于4 000 m海山472座，占6.81%。大西洋1 748座海山單座海山投影面積為43.47～10 674.29 km2，平均值為977.33 km2，總面積為1 708 365.79 km2。

表3　大西洋海山鈷結殼資源量計算（按海山高度）（n=1 748）Tab.3 Resource estimation of cobalt crusts on the seamounts in the Atlantic Ocean based on seamount height

續(xù)表3

印度洋1 870座海山（表4）的經度為20.816 7°～146.250 0°，平均值為72.271 7°；緯度為-60.983 3°～17.183 3°，平均值為-16.690 4°；海山半徑為3.72～56.01 k m，平均值為12.76 k m；海山高度為1 000～7 300 m，平均值為2 241 m；海山所在位置的洋殼年齡為0.40～169.10 Ma，平均值為68.52 Ma。印度洋1 870座海山中，高度1 000～2 000 m海山900座，占海山總數48.13%，2 000～3 000 m海山811座，占43.37%，3 000～4 000 m海山115座，占6.15%，大于4 000 m海山44座，占2.35%。印度洋1 870座海山單座海山投影面積為43.47～9 855.58 k m2，平均值為719.88 k m2，總面積為1 346 184.27 k m2。

表4　印度洋海山鈷結殼資源量計算（按海山高度）（n=1 870）Tab.4 Resource estimation of cobalt crust on the seamounts in the Indian Ocean based on seamount height

全球三大洋11 882座海山（見表5）的經度為0.016 7°～359.983 0°，平均值為186.141 6°；緯度為-60.950 0°～58.192 2°，平均值為-6.571 6°；海山半徑為3.22～100.00 k m，平均值為13.83 k m；海山高度為1 000～8 000 m，平均值為2 449 m；海山所在位置的洋殼年齡為0.10～177.10 Ma，平均值為79.52 Ma。三大洋11 882座海山中，高度1 000～2 000 m海山4 854座，占海山總數40.85%，2 000～3 000 m海山4 961座，占41.75%，3 000～4 000 m海山1 432座，占12.05%，大于4 000 m海山635座，占5.34%。三大洋11 882座海山單座海山投影面積為32.57～31 416.00 k m2，平均值為852.68 k m2，總面積為10 131 507.13 k m2。

表5　全球三大洋海山鈷結殼資源量計算（按海山高度）（n=11 882）Tab.5 Resource estimation of cobalt crusts on the seamounts in the three oceans based on seamount height

3.2按海山高度賦予不同結殼厚度及資源量計算

根據海山高度、結合鈷結殼厚度變化規(guī)律資料，把海山高度分為0～2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、4 000～5 000 m、5 000～6 000 m和6 000～8 000 m共6個等級，分別賦予結殼厚度為1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3 cm和3.5 cm，相應的結殼豐度為18 kg/m2、27 kg/m2、36 kg/m2、45 kg/m2、54 kg/m2和63 kg/m2、平均豐度為30.78 kg/m2。按海山高度賦予太平洋、大西洋、印度洋和全球三大洋鈷結殼平均厚度分別為1.73 cm、1.77 cm、1.54 cm和1.71 cm，相應的結殼豐度為31.14kg/m2、31.86 kg/m2、27.72 kg/m2和30.78 kg/m2。

根據海山高度、結殼面積和結殼豐度計算，太平洋海山結殼濕資源量為662.414 5×108t和干資源量為476.938 4×108t（見表2）。大西洋海山結殼濕資源量為163.466 9×108t和干資源量為117.696 2× 108t（見表3）。印度洋海山結殼濕資源量為111.646 8×108t和干資源量為80.385 7×108t（見表4）。三大洋海山結殼濕資源量為937.528 1×108t和干資源量為675.020 3×108t（表5）。

我國對西太平洋5個海山區(qū)拖網采樣得出662個測站的鈷結殼厚度為0～22 cm，平均厚度為3.08 cm。上述按海山高度對太平洋、大西洋和印度洋海山鈷結殼賦值平均厚度為1.71 cm，總體偏低，因此對0～2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、4 000～5 000 m、5 000～6 000 m和6 000～8 000 m海山分別賦予兩倍結殼厚度和兩倍豐度，使平均厚度達到3.42 cm和平均豐度為61.56 kg/m2，使其略高于西太平洋海山鈷結殼實際調查得出的平均厚度（3.08 cm）和平均豐度（55.44 kg/m2）。按兩倍結殼厚度和兩倍豐度計算得出太平洋海山濕資源量為1 324.828 9×108t和干資源量為953.876 8×108t（見表2）。大西洋海山濕資源量為326.933 8×108t和干資源量為235.392 3×108t（見表3）。印度洋海山濕資源量為223.293 6×108t和干資源量為160.771 4×108t（見表4）。三大洋海山濕資源量為1 875.056 3×108t和干資源量為1 350.040 5×108t（見表5）。

3.3按海山洋殼年齡賦予不同結殼厚度及資源量計算

根據海山的洋殼年齡、結合鈷結殼厚度資料，把不同洋殼年齡分為0～30 Ma、30～60 Ma、60～90 Ma、90～120 Ma、120～150 Ma和150～180 Ma共6個等級（無洋殼年齡，太平洋平均值為81.89 Ma、大西洋平均值為80.60 Ma、印度洋平均值為68.52 Ma、三大洋平均值為79.52 Ma計算），分別賦予結殼平均厚度值為0.5 cm、1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm和3 cm，相應的結殼豐度為9kg/m2、18kg/m2、27 kg/m2、36 kg/m2、45 kg/m2和54 kg/m2。太平洋、大西洋、印度洋和三大洋的無洋殼年齡海山的平均厚度分別賦予2.00 cm、1.74 cm、1.55 cm和1.89 cm，平均豐度分別為36.00 kg/m2、31.32 kg/m2、27.90 kg/m2和34.02 kg/m2。

表6　太平洋海山鈷結殼資源量計算（按洋殼年齡）（n=8 264）Tab.6 Resource estimation of cobalt crusts resource amount on the seamounts in the Pacific Ocean（based on ages of underlying ocean crust age）

根據洋殼年齡、結殼面積和結殼豐度計算，太平洋海山結殼濕資源量為763.263 3×108t和干資源量為549.549 6×108t（表6）。大西洋海山結殼濕資源量為160.153 0×108t和干資源量為115.310 1×108t（見表7）。印度洋海山結殼濕資源量為114.700 2× 108t和干資源量為82.584 1×108t（見表8）。三大洋海山結殼濕資源量為1 032.855 4×108t和干資源量為1 487.311 8×108t（見表9）。

表7　大西洋海山鈷結殼資源量計算（按洋殼年齡）（n=1 748）Tab.7 Resource estimation of cobalt crusts resource amount on the seamounts in the Atlantic Ocean（based on ages of underlying ocean crust ocean crust age）

注：帶有*表示鈷結殼資源量按2倍豐度計算，結殼平均厚度1.74 cm為面積加權平均厚度。

表8　印度洋海山鈷結殼資源量計算（按洋殼年齡）（n=1 870）Tab.8 Resource estimation of cobalt crusts on the seamounts estimation of cobalt crust resource amount on the seamounts in the Indian Ocean based on ages of underlying ocean crust（based on ocean crust age）

續(xù)表8

表9　全球三大洋海山鈷結殼資源量計算（按洋殼年齡）（n=11 882）Tab.9 Resource estimation of cobalt crusts on the seamounts estimation of cobalt crust resource amount on the seamounts in the three oceans based on ages of underlying ocean crust（based on ocean crust age）

McMurtry等［3］認為太平洋海山鈷結殼生長速率為1 m m/Ma，西太平洋海山鈷結殼年齡為70～80 Ma［40］，鈷結殼厚度應是7～8 cm，而拖網得到的結殼平均厚度僅為3.07 cm。兩種厚度巨大差異的原因有3個，一是因為拖網采樣方法難以獲得實際的鈷結殼厚度；二是鈷結殼水平分布不連續(xù)，有些地方被沉積物覆蓋而中斷生長；三是鈷結殼生長時間不連續(xù)，結殼在生長過程中遇到沉積間斷，或因構造運動使鈷結殼厚度遭到破壞。地質穩(wěn)定性對厚結殼生長也是必要的，因為海山上重力流和塊體崩塌過程會破壞和刮掉結殼，因此限制了結殼的最終厚度，馬紹爾群島鈷結殼資源調查結果支持這些結論［8］。另一方面，全球各大洋海山也確實存在厚結殼（表10），如馬爾庫斯-威克海山區(qū)CLD01和中太平洋CB12、CJ01鈷結殼樣品的厚度分別為8 cm、7 cm和8 cm，鈷結殼年齡分別為81.8 Ma、78.1 Ma和77.7 Ma，對應的生長速率分別為0.98 m m/Ma、0.90 m m/Ma、1.03 m m/Ma［40］。韓國學者［41—42］研究表明西太平洋麥哲倫海山區(qū)、馬紹爾群島的拖網鈷結殼厚度達11.5～19 cm。我國在西太平洋拖網采樣中也獲得過厚度達22 cm鈷結殼，厚度7～8 cm的結殼屢見不鮮。

表10　全球大洋鈷結殼厚度分布（拖網采樣）Tab.10 Distribution of cobalt crust thickness on seamounts in the world-wide global oceans（based on data from dredge hauld samples）

鑒于海山普遍存在厚結殼的事實，上述賦予不同洋殼年齡的結殼厚度總體偏低（0.5～3 cm，平均為1.89 cm），因此對不同洋殼年齡海山賦予2倍結殼厚度。不同洋殼年齡段0～30 Ma、30～60 Ma、60～90 Ma、90～120 Ma、120～150 Ma和150～180 Ma共6個等級海山的結殼厚度賦值為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm和6 cm，平均厚度為3.78 cm，相應的結殼豐度為18 kg/m2、36 kg/m2、54 kg/m2、72 kg/m2、90 kg/m2和108 kg/m2、平均豐度為68.04 kg/m2。

同樣，按兩倍結殼厚度和兩倍豐度計算出太平洋海山濕資源量為1 526.526 6×108t和干資源量為1 099.099 2×108t（見表6）。大西洋海山濕資源量為320.305 9×108t和干資源量為230.620 3×108t（見表7）。印度洋海山濕資源量為229.400 4×108t和干資源量為165.168 3×108t（見表8）。三大洋海山濕資源量為2 065.710 8×108t和干資源量為1 487.311 8×108t（見表9）。

4　全球三大洋海山鈷結殼資源量

計算全球大洋海山鈷結殼資源量和金屬量之前，還要提到鈷結殼覆蓋率這個參數指標。鈷結殼覆蓋率是指海山表面單位面積內被鈷結殼覆蓋的面積，用百分數表示。鈷結殼礦區(qū)覆蓋率一般采用25%～60%，Hein等［46］認為覆蓋率采用25%～45%比較可行，如中太平洋Horizon海山鈷結殼覆蓋率為52%，萊恩群島SPLee海山為24%［47］，夏威夷群島專屬經濟區(qū)為22%［27］，我國西太平洋海山調查資料為36.88%。根據不同學者提出的覆蓋率指標和我國調查資料，再考慮到目前鈷結殼資源調查精度，鈷結殼覆蓋率采用30%是比較合適的。上述計算出太平洋、大西洋和印度洋的海山面積分別為7 076 957.07 k m2、1 708 365.79 k m2和1 346 184.27 k m2，三大洋海山面積為10 131 507.13 k m2。采用海山結殼覆蓋率為30%，計算出太平洋、大西洋和印度洋海山結殼分布面積分別為2 123 087.12 k m2（7 076 957.07 k m2×0.3）、512 509.74 k m2和403 855.28 k m2，三大洋海山鈷結殼分布面積為3 039 452.14 k m2。

我國西太平洋海山鈷結殼資源調查得出鈷結殼平均含水率為28%。太平洋海山鈷結殼的Mn、Co、Ni、Cu平均含量分別為21.27%、0.644%、0.432%和0.124%，大西洋海山鈷結殼的Mn、Co、Ni、Cu平均含量分別為15.23%、0.365%、0.280%和0.085%，印度洋海山鈷結殼的Mn、Co、Ni、Cu平均含量分別為14.65%、0.291%、0.307%和0.110%，三大洋海山鈷結殼的Mn、Co、Ni、Cu平均含量分別為19.89%、0.578%、0.402%和0.117%（表11）。

表11　三大洋鈷結殼賦值厚度和實測厚度對比分析Tab.11 Comparison of between endowed thickness and sampling thickness of cobalt crusts in the three oceans

據太平洋海山高度、洋殼年齡分別計算出干結殼資源量為（476.938 4～953.876 8）×108t（見表2）和（549.549 6～1 099.099 2）×108t（見表6），取兩者平均值為（513.244 0～1 026.488 0）×108t。然后據太平洋海山結殼的金屬含量（表11），分別得出結殼錳、鈷、鎳、銅和鉬金屬量為（109.167 0～218.334 0）×108t、（3.305 3～6.610 6）×108t、（2.217 2～4.434 4）×108t、（0.636 4～1.272 8）×108t和（0.220 7～0.441 4）×108t，鉑金屬量為17 707～35 414 t（表12）。

用同樣方法得到大西洋海山干結殼資源量為（116.503 2～233.006 4）×108t，錳、鈷、鎳、銅和鉬金屬量分別為（17.743 4～35.486 8）×108t、（0.425 2～0.850 4）×108t、（0.326 2～0.652 4）×108t、（0.099～0.198 0）×108t和（0.030 3～0.060 6）×108t。印度洋海山干結殼資源量為（81.484 9～162.969 8）× 108t，錳、鈷、鎳、銅和鉬金屬量分別為（11.937 5～23.875 0）×108t、（0.237 1～0.474 2）×108t、（0.250 2～0.500 4）×108t、（0.089 6～0.179 2）×108t和（0.032 6～0.065 2）×108t，鉑金屬量為2 648～ 5 296 t。三大洋海山干結殼資源量為（1 081.166 1～2 162.332 2）×108t，錳、鈷、鎳、銅和鉬金屬量分別為（138.848 0～277.696 0）×108t、（3.967 6～7.935 2）×108t、（2.793 6～5.587 2）×108t、（0.825 1～1.650 2）×108t和（0.283 6～0.567 2）×108t，鉑金屬量為20 355～40 710 t。這些數據與俄羅斯安德列耶夫1））謝·依·安德列耶夫.俄羅斯對大洋國際海底礦物資源研究與開發(fā)問題的構想建議，廣州海洋地質調查局編譯（非公開出版物）.2006.計算出的全球大洋鐵錳氧化物礦的數量具有可比性（表12）。Manheim［7］計算得出全球陸地錳、鈷、鎳、銅資源量分別為20×108t、0.085×108t、0.54 ×108t和4.6×108t，這說明全球大洋海山鈷結殼金屬資源量與全球陸地金屬資源量相比是非?？捎^的。

5　海山鈷結殼賦值厚度和資源量估算的可行性分析

5.1鈷結殼實測厚度與賦值厚度相關分析

為說明所賦結殼厚度的可行性和合理性，我們對三大洋海山鈷結殼實測厚度與賦值厚度進行對比分析（見表11）。太平洋按海山高度賦值平均厚度為1.73 cm，按洋殼年齡賦值平均厚度為2 cm，兩者平均為1.87 cm，實測厚度為1.77 cm，相對誤差為5.35%，大西洋、印度洋相對誤差分別為18.18%，23.23%，三大洋相對誤差僅為3.33%。雖然我國對西太平洋5個海山區(qū)鈷結殼資源拖網采樣得出662個測站的鈷結殼厚度為0～22 cm，平均厚度為3.08 cm，與三大洋海山鈷結殼賦值平均厚度1.80 cm和國際海底管理局網站提供的實測平均厚度1.74 cm有明顯差異，這是因為西太平洋海山區(qū)是全球大洋海山鈷結殼資源遠景區(qū)，其結殼厚度明顯大于全球大洋海山平均厚度是正常的。反過來這也說明我們按海山高度和洋殼年齡所賦的結殼厚度值是基本合理和可行的。

表12　全球三大洋海山鈷結殼平均品位和資源量Tab.12 Averaged content and resource amount of cobalt crust resource on the seamounts in the three oceans

5.2鈷結殼資源量和金屬量與國外學者估計值對比

安德列耶夫1）對全球大洋鈷結殼資源和多金屬結核資源未細分，統(tǒng)稱為鐵錳氧化物礦。據他分析研究得出全球大洋鐵錳氧化物礦物的金屬資源量為：錳金屬量209.59×108t，鈷金屬量3.58×108t，鎳金屬量6.57×108t，銅金屬量4.27×108t，鉬金屬量0.39 ×108t，鉑金屬量14 798 t（表12）。本次研究得出三大洋海山鈷結殼錳金屬量為（138.848 0～277.696 0）×108t，鈷金屬量為（3.967 6～7.935 2）×108t，鎳金屬量為（2.793 6～5.587 2）×108t，銅金屬量為（0.825 1～1.650 2）×108t，鉬金屬量為（0.283 6～0.567 2）×108t，鉑金屬量為20 355～40 710 t。除了銅金屬數據相差較大外，其他金屬量都處在具有可比性的同一個數量級上。這也說明我們的結殼厚度賦值數據基本合理，得出的三大洋海山鈷結殼資源量和金屬量數據基本可靠。

5.3Co通量與鈷結殼Co沉積量和厚度的相關分析

上述按不同高度海山賦予結殼厚度1～7 cm（平均厚度為1.71～3.42 cm），按不同洋殼年齡賦予結殼厚度0.5～6 cm（平均厚度為1.89～3.78 cm）。那么按海山高度、洋殼年齡所賦予結殼厚度是否合理和有據可依，可通過Co通量與鈷結殼Co沉積量和厚度的相關分析給予說明。Halbach等［48］對中太平洋海山鈷結殼Co通量及其生長速率研究表明，鈷結殼平均Co通量為（2.95±0.45）μg/（cm2·ka），多金屬結核Co通量為（2.94±0.43）μg/（cm2·ka），兩者大體相當。大洋水柱中單位時間單位面積內Co供給量基本為常數，Co不是局部來源。根據洋殼年齡及其賦予的結殼厚度，并采用結殼Co含量0.60%、結殼Co通量2.95μg/（cm2·ka），結殼濕密度1.80 g/cm3，計算出不同年齡段的結殼Co沉積量。由表13可知1 Ma結殼Co通量為0.029 5 kg/m2，180 Ma結殼Co通量為5.31 kg/m2。如果Co通量沒有任何丟失，結殼Co沉積量等于Co通量，這意味著沉到海底的Co全被結合到結殼中。但是，我們對不同洋殼年齡所賦予結殼厚度中的Co沉積量只占Co通量的6.10%（如賦予兩倍厚度，占理論厚度的12.20%）。例如，30 Ma的Co通量為0.885 kg/m2，賦予結殼厚度為0.5 cm，30Ma的結殼Co沉積量為0.054 kg/m2，結殼Co沉積量占Co通量的6.10%，如果占100%，理論推測結殼厚度應為8.2 cm。

表13　Co通量與鈷結殼Co沉積量和厚度的相關分析Tab.13 Relationship between Co flux and Co deposited amount and thichness of cobalt crust

Ku等［16］對采于赤道大西洋和北太平洋兩個拖網結殼樣品的研究表明，兩個結殼生長速率為1.5 m m/Ma，兩個結殼10Be沉積速率為2×104個10Be原子/（cm2·a），約為全球10Be平均生產速率的4%。結殼Mn沉積速率為0.05 mg/（cm2·ka），也只占（38個深海沉積巖芯）平均Mn通量［1.30 mg/（cm2·ka）］的4%，這些數據與我們得出結殼Co沉積量占Co通量6.10%非常接近。Ku等［16］認為大多數10Be和Mn被結合到沉積物中，或者是結殼生長不連續(xù)，鈷結殼整個生命史的大約4%時間在生長。以上不同數據資料對比表明按海山高度、洋殼年齡賦予結殼厚度的做法基本可行，得出的鈷結殼資源量基本正確。

6　結論

（1）全球三大洋海山高度大于1 000 m的海山有11 882座，其中太平洋8 264座，大西洋1 748座和印度洋1 870座。全球大洋海山基本參數是：海山高度為1 000～8 000 m，平均值為2 449 m；海山半徑為3.22～100 k m，平均值為13.83 k m；海山洋殼年齡為0.10～177.10 Ma，平均值為79.52 Ma；單座海山面積為32.57～31 416 k m2，平均值為852.68 k m2。

（2）三大洋海山面積為10 131 507.13 km2，其中太平洋為7 076 957.07 km2，大西洋為1 708 365.79 km2和印度洋為1 346 184.27 km2。按鈷結殼30%覆蓋率計算出三大洋海山鈷結殼分布面積為3 039 452.14 km2，其中太平洋為2 123 087.12 km2，大西洋為512 509.74 km2和印度洋為403 855.28 km2。

（3）三大洋海山干結殼資源量為（1 081.166 1～ 2 162.332 2）×108t，錳、鈷、鎳和銅金屬量分別為（138.848 0～277.696 0）×108t、（3.967 6～7.935 2）×108t、（2.793 6～5.587 2）×108t和（0.825 1～1.650 2）×108t。太平洋海山干結殼資源量為（513.244 0～1 026.488 0）×108t，錳、鈷、鎳和銅金屬量分別為（109.167 0～218.334 0）×108t、（3.305 3～6.610 6）×108t、（2.217 2～4.434 4）×108t和（0.636 4～1.272 8）×108t。大西洋海山干結殼資源量為（116.503 2～233.006 4）×108t，錳、鈷、鎳和銅金屬量分別為（17.743 4～35.486 8）×108t、（0.425 2～0.850 4）×108t、（0.326 2～0.652 4）×108t和（0.099～0.198）×108t。印度洋海山干結殼資源量為（81.484 9～162.969 8）×108t，錳、鈷、鎳和銅金屬量分別為（11.937 5～23.875 0）×108t、（0.237 1～0.474 2）×108t、（0.250 2～0.500 4）×108t和（0.089 6～0.179 2）×108t。

（4）Co通量與結殼Co沉積量、厚度的相關分析表明，本次研究所賦予的結殼厚度占理論厚度的6.10%～12.20%，這與Ku等得出“結殼10Be和Mn的沉積速率約為10Be、Mn生產速率的4%，結殼生長時間只占其整個生命時間4%”的認識非常相近，表明按海山高度、洋殼年齡所賦予的結殼厚度基本合理、得出的結殼資源量基本正確。

（5）三大洋海山鈷結殼實測厚度與賦值厚度對比分析表明，太平洋按海山高度賦值和按洋殼年齡賦值的平均厚度為1.87 cm，實測厚度為1.77 cm，相對誤差為5.35%，大西洋和印度洋相對誤差分別為18.18%和23.23%，三大洋相對誤差為3.33%。這說明按海山高度和洋殼年齡所賦的結殼厚度值基本合理，估算出的結殼資源量基本可靠，結殼資源量估算方法基本可行。

本文首次估算出三大洋海山結殼資源量，研究成果為我國在掌握全球大洋海山鈷結殼資源量的同時，積極參與國際海底管理局制定國際海底區(qū)域鈷結殼資源開發(fā)利用規(guī)章制度提供基礎研究參考資料，為全球三大洋海山鈷結殼資源量估算提供了新方法，也有助于認識鈷結殼生長史，具有非?，F實和科學意義。

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Resource estimation of Co-rich crusts of seamountsin the three oceans

Zhang Fuyuan1，2，Zhang Weiyan1，2，Ren Xiangwen3，Zhang Xiaoyu4，Zhu Kechao5

（1.Key Laboratory of State Oceanic Ad ministration for Submarine Sciences，State Oceanic Ad ministration，Hangzhou310012，China；2.Second Institute of Oceanography，State Oceanic Ad ministration，Hangzhou310012，China；3.FirstInstitute of Oceanography，State Oceanic Ad ministration，Qingdao310012，China；4.Department of Eeosciences，Zhejiang University，Hangzhou310027，China；5.Guangzhou Marine Geological Survey，Ministry of Land and Resources，Guangzhou510760，China）

Marine cobalt（Co）-rich ferromanganese crusts are important because they are potential mineral resources for Co，Ni，Cu，Mn and other metals，and the paleoenviron ment signals have been stored in their stratigraphic layers.Compared with pelagic polymetall ic nodules and hydrothermal deposits，the Co-rich crust has higher Co，Niand Pt contents，which make it possible for com mercial exploitation.Based on Chinese surveyed data for Co-rich ferromanganese crust on some seamounts in the western Pacific，we performed a series of detail studies on the distribution of Co-rich ferromanganese crust and parameter indexes for del ineation of Co-rich ferromanganese crust resources on seamounts.Then，each seamountis endowed with the crust thickness according to its height and age of underlying ocean crust，and therebywe calculated the amount of dry crust resources in the three oceans（1 081.166 1～2 162.332 2）×108t and distributed areas of crusts on seamounts（3 039 452.14 k m2）.And，the area covered by Co-rich ferromanganese crusts on seamounts in the Pacific，Atlantic，and Indian Ocean is 2 123 087.12 k m2，512 509.74 k m2and 403 855.28 k m2，respectively，and the dry Co-rich ferromanganese crustresources in the Pacific，Atlantic，and Indian Ocean are（513.244～1 026.488）×108t，（116.503 2～233.006 4）×108t and（81.484 9～162.969 8）×108t，respectively.The contents of manganese，cobalt，nickel，and copper in the Co-rich ferromanganese crusts on seamountsin three oceans are（138.848～277.696）×108t，（3.967 6～7.935 2）×108t，（2.793 6～5.587 2）×108t and（0.825 1～1.650 2）×108t，respectively.Based on analyzing the relationship among Co-contents，Co-fluxes and Co-crustthickness，the endowed crustthickness accounts for 6.10%～12.20%of the theoretical deductive thickness，which supports Ku's conclusion thatthe crusts were actually growing for 4%of their l ifetime.The average of endowed thickness is 1.87 cm and the average of measured thickness is 1.77 cm of Co-rich ferromanganese crusts on seamounts in the Pacific，and the relative error between endowed thickness and measured thickness is 5.35%.Correspondingly，the relative error in Atlantic and Indian Ocean is 18.18%and 23.23%，respectively.It shows thatthe endowed value for crustthickness on seamountsin the Pacificis reasonable and the obtained resource amount may be rel iable.Finally，this paper provides a new method for estimating the resource amount of Co-rich ferromanganese crust on seamounts in global deep-sea basins.

three oceans；seamount；Co-rich ferromanganese crust；resource amount；estimation；evaluation of mineral resources

P744

A

0253-4193（2015）01-0088-18

2013-12-03；

2014-01-16。

中國大洋協(xié)會國際海域資源調查與開發(fā)“十二五”研究項目——全球大洋富鈷結殼成礦對比與資源潛力評價（DY125-13-R-06）；首采區(qū)多金屬結核資源評價（DY125-14-R-01）。

張富元（1952—），男，浙江省寧波市人，研究員，主要從事海洋地質研究和海洋礦產資源評價。E-mai l：fyzhang2003@163.com