大洋多金属结核

大洋底部的多金属结核中富含Mn、Cu、Co、Ni等元素的沉积矿物集合体，目前世界对铁、锰、镍、钴等有用金属元素的需求日益增大，海底多金属结核资源的经济地位也相应进一步提高，各国对海底铁锰结壳资源的研究力度加强。本篇对目前大洋多金属结核的分布、聚集的地质特点；物质成分、内部的结构构造；成矿机制和成矿模式；开采方式等进行综述性概括。总结目前国内外学者对大洋多金属结核的研究成果，以及目前对多金属结核还存在的疑惑，夯需努力探讨的问题。

1、概述

大洋多金属结核(polymetallicnodule)是一种富含铁、锰、镍、钴等有用金属元素的洋底自生沉积矿物集合体（图一）。1873年英国“挑战者”号环球考察船在大西洋加纳利群岛之法劳岛西南300km处的海底首次采集到多金属结核，但是直到1965年，美国学者Mero根据110个测站的样品分析结果，指出大洋多金属结核的经济价值后，人们才意识到大洋多金属结核的巨大潜在经济价值，进而掀起了一股深海矿产资源调查热。

总体而言，它广泛分布于水深4000~6000m深海底，丰度达5~18kg/m2。含有铜、钴、镍、锰、铁、钨、钛、钼、金、银、铂等70多种元素。多金属结核中目前已知平均含量达到1×10-6km2以上的元素有50多种其中Ma、Fe、Si、Al、Ca、Mg、Na、Ni、Cu的丰度在1%之上，P、Ba、Pb、Zn、Sr、V、Mo、Zr、Ti等可达100×10-6—1000×10-6数量级。Mn、Co、Mo、Ni、Pb、P、V、Fe、Sr、Y、Zr、Ba、La等元素在多金属结核中富集程度非常高，可达到地壳丰度的几十倍到几百倍。而Si、Al、K、Ca、Mg、Na、Sc、Ti在多金属结核中的丰度比在地壳中的丰度低，元素趋于分散。而锰铁元素占主要地位，目前也以铁锰结核为主要开采矿床。同时大洋多金属结核的储藏量相对惊人，据测算，其中大洋洋低主要的猛结核，分布在太平洋的锰储量达2000亿t，相当于陆地上的57倍；而镍结核90亿t，相当于陆地的83倍；铜结核50亿t，相当于陆地上的9倍；钴结核30亿t，相当于陆地上的539倍。所以对于解决目前紧缺的铜、钴、镍、锰、铁等矿产，一方面大力勘探陆地矿床，另一方面可以把部分工作从陆地上转移到海底多金属结核矿床。

2、多金属结核的主要分布、富集的地质特点

因为多金属结核广泛分布于水深4000~6000m深海底，所以对深海金属结核分布的调查难度较大，一些经济和技术发达的国家和机构曾投入巨大的资金和人力做过这方面的专门调查。据已有调查资料，世界各大洋中约有15%的海底被金属结核所覆盖。由于地理、地质、水文环境和生物生产力等方面的差异，各大洋中多金属结核的分布、丰度很不均匀。其中太平洋分布最广，约有2300万km2，印度洋约有1500万km2，大西洋分布最少，约有850万km2，即使在一个很小的范围内丰度也有很大的变化。其中位于国家管辖海域以外的国际海底区域面积约为2.517亿km，占地球表面积的49%，这一广阔区域蕴藏着丰富的矿产资源世界各大洋多金属的储量约有2~3万亿t，仅太平洋就有1.7万亿t。

国内外现有的调查研究结果显示，结核主要分布于洋底的平原、丘陵和海山的深水区。而结核中的Mn、Fe等矿物具有间断分布的特点，最早的生长期在18Ma以前,晚的现代仍在生长。大洋铁锰结壳大多分布在太平洋的西北海盆、*海盆以及马里亚纳海盆边缘的海山和海台上，其中尤以太平洋近赤道区最为富集，东太平洋、大西洋及印度洋的局部海山区也有少量发现。这些富集的主要原因在下文给出探讨，但从铁锰结壳的分布特征来看，构造运动及与其相关的火山活动是控制结壳成矿的重要地质因素。

我国目前在东太平洋国际海底圈出多金属结核富集区31×10km。而铁锰结核主要有两大分布区：①黄海、东海：仅分布铁锰结核；②南海：我国铁锰氧化物最丰富和最有利用潜力的边缘海盆。

3、金属结核的物质成分、内部的结构构造

由于多金属结核的矿物成分十分复杂、结晶程度差，颗粒微细，且多交织共生。因此，对其开展矿物学研究极为困难，一般高倍显微镜很难分辨其矿物成分和结构。许多研究者借助于X光衍射（XRD）、红外光谱（IR）、透射电镜（TEM）、电子探针（EMP）等先进的微束测试技术，从不同角度对锰结核进行了成分及结构分析研究。

目前研究的成果得出，组成多金属结核矿物有很多种，根据化学成分的不同，可分为锰相矿物、铁相矿物和脉石矿物三大类。其中锰相矿物主要有钙锰矿、水锰矿、钠水锰矿等。铁相矿物主要有赤铁矿、针铁矿、纤铁矿、四方纤铁矿、水铁矿等。脉石矿物主要有黏土类和沸石类矿物（钙十字、沸石、斜发沸石、蒙脱石等），碎屑矿物类（石英、长石、角闪石等）和其他自生矿物（方解石、石膏、磷灰石等）。结核的主要成分由高价态的Mn、Fe的氧化物、氢氧化物组成，主要锰矿物有水锰矿、偏锰酸矿、钠水锰矿。研究多金属结核的化学组成，可以了解结核不同生长阶段的物源供给情况，从而为揭示其成因、富集规律提供依据。有关学者进行了O、C、H、Si等同位素综合研究。结果表明结核中Fe、Mn矿物主要是氧化物和氢氧化物。多金属结核的核心物质大部分应是具有强风化蚀变、吸附能力高、比表面大的火山岩（主要为玄武岩和安山质玄武岩）或老结核碎块所构成。由于富集含O高的钙十字沸石，使核心的δO值明显高于壳层。

多金属结核的结构构造非常复杂多样，与其生长环境和形成机制密切相关。可以通过观察结核壳层的宏观和微观构造、结核微层特征，来了解结核不同生长阶段的环境变化及形成机制。金属结核壳层的结构可以分为原生结构、重结晶结构和交代残余结构三大类。其中原生结构包括不规则胶状环带结构、波浪形环带结构、同心环带结构、缟状结构、叠瓦结构；重结晶结构包括鳞片状结构、纤维状结构；交代结构包括各种原生结构的交代残余结构、团块状交代残余结构、生物交代残余结构。在结核形成或脱水过程中形成的原生构造包括斑杂状构造、鲕状构造、柱状构造和纹层状构造；在成岩过程形成的块状构造属于次生构造；在结核形成以后由于外力作用而形成的裂隙被矿液充填形成的脉状构造属后生构造。

然而不同研究者对多金属结核的壳层构造的分类各有不同T.Y.Uspenskaya等人按形态和成分分为枝状的晶质锰壳层（MD层）和较薄的枝状壳层（TLD层）。单连芳（1998）将结核壳层构造分为斑杂状、柱状、层纹状、脉状和鲕状；梁德华（1990）首先提出了结核内部“构造层组”的新概念。许东禹等对结核壳层构造的成因进行研究后，将构造分为原生构造、次生构造和后生构造三大类，在此基础上又细分为六小类。韩昌甫，通过对多金属结核内部矿物组分、古生物组合等研究，提出了生长层组的新概念。

4、多金属结核成矿机制、成矿模式

多金属结核成矿机包含以下三点：

（1）成矿条件：

根据结核形成分布的基本特点,其成矿的必要条件可归结为三个方面:一是具有成矿金属的供源和一定的浓度；二是具有适宜于成矿作用的环境；三是只有输送到成矿作用反应场才能有效地参与成矿作用。多金属结核是在构造相对稳定、海水深度在碳酸盐补偿深度（CCD）线下、底层水强烈活动以及低沉积速率的环境下形成的。研究发现CCD线变化、沉积间断、海底表层沉积物类型及分布规律、古气候变化及水深变化等古海洋环境条件对多金属结核的形成起决定作用多金属结核的长期保存，必须满足以下两个条件：①不被沉积物掩埋；②始终要处于成矿反应场中。如果多金属结核被埋藏在沉积物中，就会发生元素的扩散，使结核溶解，这就导致了在古老的深海相地层中没有埋藏的多金属结核存在。控制多金属结核保存的因素很多，其中起主导作用的有生物活动、结核粒径的大小、沉积物成岩的静压作用、构造环境、沉积速率以及地球化学界面等。

（2）矿物来源：

关于锰结核矿物质的间接来源，早有人提出有四大来源，即大陆岩石风化、成岩作用、海解作用及火山和热液作用，但对直接来源研究较少。许多学者在研究了海沉积物成岩作用及孔隙水和成矿物质在海洋水体中迁移、富集的过程后指出，底层水和孔隙水是锰结核成矿物质的直接来源。

（3）成矿的环境：

从多金属结核分布区的底层水和沉积物的酸碱度及氧化—还原电位的分析资料看，底层水的ph值为7.785—7.837，Eh值为412—422mV，表层沉积物的Eh值为425—502mV，底层水及沉积物温度在1.5—2℃之间，属弱碱性氧化低温环境。

姚德（1994）提出了多金属结核生长的自反馈“钟摆式”模型。许东禹等认为金属结核的生长是一个脉动式生长过程，在强烈底层流的作用下，成矿环境动荡不安，多金属结核处于间断生长期。在弱底流作用、低温、高氧化还原电位、弱碱性的条件下，多金属结核得到充分生长和发展，从而形成了生长—间断的生长。

结核的成矿模式：现将结核的主要研究内容概括为表1的成矿模式,将其谓之以洋底垒群带和矿物沉析带的复合带为背景、胶体化学作用为主导、物理化学作用和生物化学作用叠加的外生成因水下沉析的结核成矿模式。

5、大洋多金属结核采矿方式

虽然大洋海底多金属结核储量大，可以解决目前某些矿产紧缺现状。但是多金属结核广泛分布于水深4000~6000m深海底，所以对深海多金属结核的开采难度较大，但随着科学技术的不断发展，各种海洋开采仪器的研发，对海底多金属结核开采已经不是很大的难题，主要难题就在于开采成本上。总之，目前的开采方式主要有以下三种。

（1）连续绳斗式(CLB)开采系统：基本原理是在一根绳索上每隔25~50m连结一个挖斗，绳子两端分别固定在采矿船船首和船尾的卷扬机上（单船式）或两只船上（双船式）。对于单船，空斗从船尾放下去，将半装满的铲斗从船尾收上来。对于双船空斗从一条船放下去,半装满的铲斗从另一条收上来，通过采矿船低速航行的拖曳作用和绳、斗组成的无极绳采集环路在海底连续运转，实现多金属结核的采集和提升。这是比较老式的开采方式，不但在控制方面精度不高，开采的深度也受很大局限。

（2）自动穿梭式采矿车采矿系统：由多台自动穿梭式采矿车进行多金属结核的采集和提升。采矿车由质量很轻但强度很大的浮性材料制成，能在海中*运行并深潜到海底。下水前采矿车装满压舱物,然后自动潜入海底采集结核。采满结核后,弃掉压舱物，上浮到一个半潜式的水下平台，把结核卸在平台上，然后再装上压舱物重新潜入海底。采用浮力的原理，与潜水艇升降原理相似。目前运用比较广泛。

（3）集矿机加管道输送采矿系统：该系统是比较先进的开采方式，主要由集矿机、输送软管、中间矿仓、扬矿管及采矿船组成。集矿机在海底采集结核，采集的结核在集矿机内清洗脱泥和破碎后，经软管输送到连接于刚性扬矿管下端的中间矿仓，然后结核经扬矿管扬送到海面的采矿船上。集矿机有自动行走式和拖曳式两种形式。开采的动力方式多样化，而且开采深度也进一步加深，是比较值得采用的现代海洋开采技术。

6、总结，研究大洋多金属结核存在的问题

虽然各国学者对多金属结核进行了大量的研究，但是由于研究历史偏短（从引起人们关注到现在只有短短四十多年），还有就是由于资金和技术的局限，使得对深海多金属结核的研究力度远远不够，所以还有仍然有一些问题需要进一步探讨。首先，多金属结核的空间分布，特别是剖面的图解，还需要加大研究力度；其次由于不同的学者在分类时考虑的因素不同，所以分类种类繁多，统一分类不但对学术交流有益，而且在开发大洋多金属结核资源中有利于各国之间的合作；再次，多金属结核的成因机制（微生物成因观点，化学成因观点，生物—化学的二元成因机制），成矿方式上存在好几种观点，但还不足以排除其他成因的可能性。