深海世界里的山脈與資源

唐立梅 陳靈 王嶸

熱液噴口周邊的生物群落

在廣袤的蔚藍(lán)色海洋深處，海底地形是怎樣的呢？它是否與陸地上一樣，有山川、高原和盆地嗎？是的，在距離大洋洋底2000～3000米處，有一條像“巨龍”一樣蜿蜒的巨大山脈，它就是“洋中脊”。在不同的大洋，它的形態(tài)是不一樣的：在太平洋，它的位置偏東，稱為東太平洋海隆;在大西洋，洋中脊呈“S”形，與兩岸近于平行，向北可以延伸到北冰洋;在印度洋，洋中脊分為3支，分別為西南印度洋脊、西北印度洋脊和中印度洋脊，呈“入”字形。三大洋的洋中脊在南半球互相連接，總長(zhǎng)達(dá)6.5萬(wàn)千米。在洋中脊中央的裂谷處，不斷有來(lái)自地球深部的巖漿上涌、冷卻，形成底部新的洋殼，并不斷地向兩側(cè)擴(kuò)張推移。

海底除了洋中脊這條“巨龍”之外，還有很多不同規(guī)模的海山，它們分布在板塊的內(nèi)部，被稱為“板內(nèi)海山”。它們有的呈鏈狀，有的呈不規(guī)則分布。鏈狀海山中最著名的要數(shù)夏威夷-皇帝海山鏈。它有6000千米長(zhǎng)，且年齡呈線性分布，也就是說(shuō)，海山的年齡是由老到新逐漸變化的。

對(duì)夏威夷-皇帝海山鏈成因的研究，催生了“熱點(diǎn)”假說(shuō)。1837年，達(dá)爾文第一次注意到洋島常常呈鏈狀存在。之后，達(dá)納在1849年發(fā)現(xiàn)這些火山鏈只有一端是活躍的，另一端卻逐漸被侵蝕、變老。他認(rèn)為夏威夷群島西部存在被淹沒(méi)的島嶼，但這些島嶼直到1946年才被赫斯發(fā)現(xiàn)。1963年，威爾森根據(jù)太平洋、大西洋和印度洋中一些火山島嶼和海山具有線狀分布特征以及噴發(fā)年齡順序變化的現(xiàn)象，提出了“熱點(diǎn)”假說(shuō)。他認(rèn)為這些熱點(diǎn)相對(duì)靜止，所以當(dāng)巖石圈板塊漂移經(jīng)過(guò)這些“熱點(diǎn)”時(shí)就形成了鏈狀火山島嶼。這一結(jié)論是板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)的有力證據(jù)之一，同時(shí)也使“熱點(diǎn)”成為了研究板塊運(yùn)動(dòng)的方向與速度的參考系。夏威夷-皇帝海山鏈作為“熱點(diǎn)”假說(shuō)存在的重要證據(jù)，以其完美的曲線被認(rèn)為指示了太平洋板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向。

那么，這里提及的“熱點(diǎn)”是什么呢？大家可以把它想象成火苗，把地球的表層想象成一塊木板。當(dāng)木板在火苗上方緩慢移動(dòng)的時(shí)候，木板會(huì)被燒出一個(gè)個(gè)洞，這時(shí)候下方如果有物質(zhì)涌出的話，就會(huì)形成一個(gè)個(gè)小山包，海山就是這樣形成的。換句話說(shuō)，海山就是地球內(nèi)部的熱巖漿噴涌到海水中冷卻形成的。海底除了有呈鏈狀的大型海山鏈之外，還有許多不規(guī)則的小型海山的存在，它們的具體成因還有待科學(xué)家們進(jìn)一步的研究。

在洋中脊和海山上，分布著2種資源，它們分別是多金屬硫化物和鐵錳結(jié)殼。

洋中脊的資源——多金屬硫化物

多金屬硫化物，也稱熱液硫化物，是一種含有銅、鋅、鉛、金、銀等多種元素的重要礦產(chǎn)資源，主要出現(xiàn)在大洋中脊和斷裂活動(dòng)帶上。海水從地殼裂隙滲入地下，遇到熔巖被加熱，熱液溶解了周圍巖層中的金、銀、銅、鐵、鋅、鉛等金屬后從地下噴出。這些金屬經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成硫化物沉積在附近的海底，形成上千噸至上億噸的塊狀海底礦床。海底熱液在噴出的過(guò)程中還可形成像煙囪一樣的奇特景觀。通過(guò)“黑煙囪”噴出的熱液富含銅、鐵、硫、鋅和少量的鉛、銀、金、鈷等金屬以及其他一些微量元素。當(dāng)這些熱液與4℃的海水混合后，原來(lái)無(wú)色透明的溶液就成了黑色的金屬硫化物溶液。這些物質(zhì)往上噴涌時(shí)，會(huì)像天女散花一樣從煙柱頂端四散落下，沉積于煙囪的周圍，從而形成高質(zhì)量的礦物堆。

海底熱液黑煙囪

全球洋中脊分布圖（紅色）

科學(xué)家曾這樣描繪“海底熱液硫化物實(shí)景”：全球大洋底長(zhǎng)達(dá)6萬(wàn)千米的大洋中脊首尾相接，其上不斷有濃密的黑煙（熱液）噴發(fā)，形成了無(wú)數(shù)的金屬硫化物“黑煙囪”，然后它們又不斷地生長(zhǎng)坍塌，形成了海底礦床。這一過(guò)程持續(xù)的時(shí)間很短。一般來(lái)說(shuō)，從一個(gè)“黑煙囪”開始噴發(fā)到最終“死亡”，只要十幾年到幾十年，不過(guò)在這么短的時(shí)間里，它卻可以累積造礦近百噸。原因就在于“黑煙囪”是通過(guò)化學(xué)作用造礦的，這就大大縮短了成礦的時(shí)間。而且，這種礦基本沒(méi)有土、石等雜質(zhì)，都是些高質(zhì)量的多種金屬的化合物，只要稍加分解處理，就可以被利用。相較而言，人類陸上開采的石油、煤、鐵等礦產(chǎn)，卻要經(jīng)歷若干萬(wàn)年才能成礦。

據(jù)估算，海底熱液多金屬硫化物礦床約為1000個(gè)，其中有多處熱液點(diǎn)的預(yù)測(cè)資源量達(dá)到百萬(wàn)噸級(jí)以上，總資源量約為6×108噸，其中銅、鋅、鉛金屬含量約為3×107噸。

2007年，我國(guó)在西南印度洋中脊上發(fā)現(xiàn)了首個(gè)活動(dòng)的熱液噴口—龍旂熱液噴口，這也是國(guó)際上首次在超慢速擴(kuò)張洋中脊上發(fā)現(xiàn)的活動(dòng)熱液噴口，具有重要的科學(xué)意義。2011年，我國(guó)與國(guó)際海底管理局簽訂了國(guó)際海底多金屬硫化物礦區(qū)勘探合同，我國(guó)在該區(qū)具有專屬勘探權(quán)，合同礦區(qū)位于西南印度洋中脊，面積為1萬(wàn)平方千米。

“熱點(diǎn)”模型示意圖

海山上的資源——“鐵錳結(jié)殼”

與洋中脊的“黑煙囪”不同，海山上存在的礦產(chǎn)資源主要為鐵錳結(jié)殼。鐵錳結(jié)殼是生長(zhǎng)在海底巖石或巖屑表面的皮殼狀鐵錳氧化物和氫氧化物，富含錳、鈷、鉑、稀土等金屬元素，因鈷含量是多金屬結(jié)核的3倍左右，故又名富鈷結(jié)殼。

鐵錳結(jié)殼礦床遍布全球海洋，集中在水深800～3000米的海山、海脊和海臺(tái)的斜坡及頂部。鐵錳結(jié)殼的分布以太平洋最廣、最多，特別是西太平洋，海山多，結(jié)殼品位較高。它賴以生長(zhǎng)的基質(zhì)有玄武巖、玻質(zhì)碎屑玄武巖及蒙脫石巖，其主要生長(zhǎng)期可能是10百萬(wàn)年前和16～19百萬(wàn)年前的兩個(gè)世代，生長(zhǎng)速率為27～48毫米/百萬(wàn)年。在太平洋天皇海嶺、中太平洋海山群、馬紹爾群島海嶺、夏威夷海嶺、麥哲倫海山、吉爾伯特海嶺、萊恩群島海嶺和馬克薩斯海臺(tái)等地都發(fā)現(xiàn)了它的蹤跡，其資源遠(yuǎn)景巨大。

鐵錳結(jié)殼的金屬鈷含量可高達(dá)2%，是陸地最著名的含鈷礦床中硫化物礦床含鈷量的20倍，貴金屬鉑含量也相當(dāng)于地球上地殼含鉑量的80倍。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，太平洋西部海山區(qū)鐵錳結(jié)殼礦床的潛在資源量達(dá)10億噸，鈷金屬量達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸，經(jīng)濟(jì)總價(jià)值已超過(guò)1000億美元。2014年4月，中國(guó)大洋協(xié)會(huì)與國(guó)際海底管理局正式簽訂了國(guó)際海底鐵錳結(jié)殼礦區(qū)勘探合同，在國(guó)際海底區(qū)域獲得了3000平方千米具有專屬勘探權(quán)的鐵錳結(jié)殼礦區(qū)。礦區(qū)位于鐵錳結(jié)殼資源分布最為富集的西太平洋海山區(qū)域，由150個(gè)20平方千米的區(qū)塊構(gòu)成。

中國(guó)結(jié)殼勘探合同區(qū)位置圖

但如果要開采的話，為了保護(hù)海山上的生態(tài)環(huán)境，需要對(duì)海山生物群落的性質(zhì)進(jìn)行更多研究，以便獲取可靠的依據(jù)，就結(jié)殼勘探和采礦造成的環(huán)境問(wèn)題提出建議。位于同一深度的兩座海山也可能有完全不同的生物組成。2013年9月，在利用“蛟龍”號(hào)對(duì)我國(guó)富鈷結(jié)殼勘探合同區(qū)的采薇海山進(jìn)行調(diào)查時(shí)，就采集到了多種以前從未獲得過(guò)的生物，如寄居蟹、玻璃海綿等物種，這都需要我們進(jìn)一步地調(diào)查研究，以便能在開采時(shí)更好地保護(hù)這些海山上的生物群落。

多金屬硫化物樣品

鐵錳結(jié)殼樣品