深海盆地礦產(chǎn)資源知多少

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(lèi)，而每類(lèi)又可以分為次一級(jí)的地形單元。

深海盆地是大洋盆地內(nèi)的次級(jí)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(yuǎn)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(guān)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(zhǎng)在深海盆地中的一種重要的海底礦產(chǎn)資源。1872-1876年，英國(guó)“挑戰(zhàn)者號(hào)”考察船在進(jìn)行環(huán)球考察時(shí)，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(lèi)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(shù)手段的限制，大規(guī)模的多金屬結(jié)核調(diào)查從20世紀(jì)60年代才開(kāi)始。

多金屬結(jié)核又稱(chēng)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(jì)價(jià)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。科學(xué)家們根據(jù)多金屬結(jié)核的大小將其分為大、中、小三類(lèi)，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(lèi)，科學(xué)家們還根據(jù)多金屬結(jié)核的形狀特征對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，主要有球狀、橢球狀、板狀、不規(guī)則狀、連生體狀、菜花狀、盤(pán)狀等。這些以形狀特征為依據(jù)的分類(lèi)非常形象生動(dòng)，比如連生體狀，就是兩個(gè)或者兩個(gè)以上的結(jié)核粘在一起;而菜花狀結(jié)核長(zhǎng)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(guān)。

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(yú)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(lèi)對(duì)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(jìn)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(shí)物，從而為多金屬結(jié)核的各種巖石學(xué)、地球化學(xué)分析等提供樣品。

雖然人類(lèi)對(duì)多金屬結(jié)核已經(jīng)有了較多的認(rèn)識(shí)，但是還有一些科學(xué)問(wèn)題存在爭(zhēng)議，如多金屬結(jié)核的成因就眾說(shuō)紛紜，主要的觀點(diǎn)認(rèn)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(rèn)為是熱液作用和生物作用造就了多金屬結(jié)核。這些問(wèn)題都有待新一代的科學(xué)家們?nèi)ヌ剿鳌⑷ソ鉀Q。雖然成因上眾說(shuō)紛紜，但有一點(diǎn)大家的意見(jiàn)是統(tǒng)一的：多金屬結(jié)核的生長(zhǎng)速度非常緩慢，它們每生長(zhǎng)1厘米都要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間！

經(jīng)過(guò)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(jì)價(jià)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(kù)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(jì)，僅太平洋的多金屬結(jié)核就達(dá)1.7萬(wàn)億噸，具有廣闊的開(kāi)發(fā)和利用前景。

我國(guó)自20世紀(jì)80年代中期就開(kāi)始對(duì)海底多金屬結(jié)核開(kāi)展調(diào)查。經(jīng)過(guò)多個(gè)航次的調(diào)查之后，1990年，中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)向聯(lián)合國(guó)國(guó)際海底管理局提出了我國(guó)的多金屬結(jié)核開(kāi)辟區(qū)申請(qǐng)。1991年3月獲批后，我國(guó)成為繼法、日、蘇聯(lián)和印度之后第5個(gè)先驅(qū)投資者。2015年7月20日，中國(guó)五礦集團(tuán)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(zhuān)屬勘探權(quán)和優(yōu)先開(kāi)采權(quán)。至此，我國(guó)成為具有2塊多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)的國(guó)家。目前已有17個(gè)國(guó)家和組織先后與聯(lián)合國(guó)國(guó)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(lái)多金屬結(jié)核開(kāi)采的礦區(qū)，但是多金屬結(jié)核的開(kāi)采利用目前還處在研究、探索、評(píng)估階段。2018年9月，我國(guó)首次成功開(kāi)展500米級(jí)水深海底多金屬結(jié)核集礦系統(tǒng)試驗(yàn)，這標(biāo)志著我國(guó)深海采礦系統(tǒng)研發(fā)已由陸上試驗(yàn)全面轉(zhuǎn)入海上試驗(yàn)。日本也曾在北太平洋水深2200米的馬爾庫(kù)斯-威克海山上進(jìn)行過(guò)多金屬結(jié)核的采礦試驗(yàn)，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(xué)元素周期表中鑭系和鈧、釔共17種金屬元素的總稱(chēng)。由于受分離技術(shù)的限制，它最早只能用化學(xué)法制得少量不溶于水的氧化物，歷史上習(xí)慣把這種氧化物稱(chēng)為“土”，因而得名“稀土”。

人們?cè)谘芯亢５锥嘟饘俳Y(jié)核和富鈷結(jié)殼時(shí)，就發(fā)現(xiàn)這2種礦產(chǎn)資源中蘊(yùn)含著豐富的稀土元素。國(guó)際海底管理局已經(jīng)組織秘書(shū)處完成了關(guān)于國(guó)際海底富鈷結(jié)殼和多金屬結(jié)核地域中稀土元素等級(jí)和豐富度的技術(shù)報(bào)告，結(jié)果令人樂(lè)觀，為未來(lái)稀土開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)。不僅如此，科學(xué)家經(jīng)過(guò)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(xué)家率先對(duì)太平洋2000多個(gè)深海沉積物樣品進(jìn)行了稀土元素化學(xué)成分研究，認(rèn)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?cè)谌毡灸喜繊u嶼附近的北太平洋西部發(fā)現(xiàn)了總稀土含量超過(guò)5000ppm的深海軟泥，從而確定了日本未來(lái)稀土開(kāi)采的主要目標(biāo)。

與陸上稀土礦床相比，海洋富稀土軟泥具有以下優(yōu)勢(shì)：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(chǔ)層淺，利于相對(duì)簡(jiǎn)單和有經(jīng)濟(jì)效益的勘探;4.放射性元素濃度非常低;5.易于通過(guò)酸浸提取稀土元素。

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

經(jīng)過(guò)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(lèi)型有多金屬軟泥、沸石黏土和遠(yuǎn)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(xué)家基本上對(duì)稀土元素的富集機(jī)制有了比較清晰的認(rèn)識(shí)，認(rèn)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(guān)的鐵錳氧化物和氫氧化物中，而沸石黏土和遠(yuǎn)洋黏土中稀土元素的富集則與磷酸鹽的混入密切相關(guān)，其稀土元素主要存在于與磷灰石成分相當(dāng)?shù)纳雉~(yú)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(guó)的巨大關(guān)注。近幾年，日本持續(xù)開(kāi)展對(duì)深海沉積物稀土資源的調(diào)查和研究，同時(shí)也對(duì)開(kāi)采設(shè)備進(jìn)行了研發(fā)。此外，美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、法國(guó)、印度、英國(guó)、挪威等國(guó)家也開(kāi)始關(guān)注深海稀土資源。我國(guó)也不甘示弱，從2012年開(kāi)始進(jìn)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(guó)稀土資源遠(yuǎn)景區(qū)。

陸地礦產(chǎn)資源的緊缺、海底采礦技術(shù)的發(fā)展和開(kāi)采對(duì)海洋環(huán)境的影響，這些都是影響海底礦產(chǎn)資源開(kāi)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(guó)都把進(jìn)一步發(fā)展的希望寄托在浩瀚的海洋上，越來(lái)越多的國(guó)家都把在保護(hù)海洋環(huán)境的前提下合理有序地開(kāi)發(fā)利用海洋資源和能源，作為求生存、謀發(fā)展的基本國(guó)策。希望在世界各國(guó)的共同努力和合作下，人類(lèi)能早日實(shí)現(xiàn)深海礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用！