寻找海底的黑色“宝藏”

韦振权

黑色“宝藏”的真身

多金属结核是一种具有特殊成因的海底矿产资源，主要赋存在大陆架、大陆坡及深海盆地的海底沉积物表面之上，赋存水深可达6000米。多金属结核也是大洋中最早被发现而且研究时间最长的深海固体矿产。1872—1876年间，英国的挑战者号调查船在环球考查中首次在太平洋深海底部发现了多金属结核。在随后开展的调查中，人们发现世界大多数海洋底部普遍分布着多金属结核（图①）。

不同形状的多金属结核

多金属结核主要呈黑色和黑褐色，其形状有碎屑状、球状、椭球状、杨梅状、菜花状等（图②），粒径大小为0.5～25厘米。多金属结核是由核心和壳层两大部分组成，作为主体的壳层将核心包裹起来。壳层主要由锰的氧化物和氢氧化物、铁的氧化物和氢氧化物及硅酸岩矿物三大部分组成。核心则通常为鱼牙、生物骨刺、生物化石、岩石碎屑、黏土、矿物等。

多金属结核的主要元素有锰、铁、镍、钴、铜等，并含有金、银、铂、钼等多种伴生元素，在太平洋、印度洋和大西洋都有分布，但很不均匀。东太平洋海盆内克拉里昂-克利帕顿断裂带之间的区域（CC区）是公认的多金属结核最为富集和潜在经济价值最高的海区，包括中国在内的众多国家都在该区域申请了多金属结核勘探合同区（图③）。据估算，全球大洋底部多金属结核资源总量约为3万亿吨，仅太平洋就约有1.7万亿吨，多金属结核被认为可能是海底分布最广、储量最大的金属矿产资源。

富钴结壳是继多金属结核资源之后被发现的又一深海沉积固体矿产资源，主要分布于海山、岛屿斜坡和海底高地上，水深范围一般为1000～3500米。富钴结壳在太平洋、大西洋和印度洋的海底均有分布，其中以太平洋居多，且主要分布在西、中太平洋海山区。

富钴结壳通常为黑色，按形态可分为板状结壳、砾状结壳和钴结核3种类型（图④）。富钴结壳富含钴、镍、铜、铅、锌等金属元素以及稀土元素和铂族元素，其中钴含量尤为显著，可达2%，是陆地原生矿钴含量的20倍以上。最新研究表明，全球三大洋海山钴结壳分布面积约为300万平方千米，资源量约为1000～2000亿吨，具有巨大潜在经济价值和战略意义。

东太平洋多金属结核富集海区及各国勘探台同区位置

不同类型的富钴结壳

源源不断生长的海底财富

多金属结核和富钴结壳的成矿物质最直接来源是海水或沉积物中的孔隙水（图⑤），而海水中的初始成矿物质的来源主要有两种：一种是来自地球本身，地球內部的成矿物质可以通过海底火山作用进入海水，而地表岩石中的成矿物质则在风化作用下通过河流和风运方式进入海洋;另一种是来自外太空的陨石，这些陨石直接降落或经由陆地风化作用间接进入海洋。海水中的成矿物质在特定的物理化学条件下在大洋盆地的沉积物表面或海山岩石表面沉淀，并慢慢累积形成多金属结核和富钴结壳的雏形—微结核和铁锰结膜。随着时间的推移，微结核和铁锰结膜不断生长，最终长成各种形状的多金属结核和厚达20～30厘米的富钴结壳。

多金属结核和富钴结壳形成模式示意图

总体而言，这两种海底矿产的生长过程是极其缓慢的。例如，富钴结壳平均每100万年一般仅能生长几毫米。目前发现的最老的富钴结壳的年龄大约是7000万年，位于太平洋的马绍尔海山区和莱恩海山区。因此，只要环境适宜且时间足够长，多金属结核和富钴结壳就会源源不断地生长。

应用广泛的矿产资源

钴的用途

多金属结核和富钴结壳所富含的锰、钴、镍、铜等金属矿产资源，都是重要的战略性资源，广泛应用于化学工业及高新科技生产中。例如，钴消费与应用的传统领域主要有电池材料、超级耐热合金、工具钢、硬质合金、磁性材料等;以化合物形式消费的钴主要用作催化剂、干燥剂、试剂、颜料与染料等。钴-60是一种广为使用的放射性材料，在生物化学中广泛用于活化分析;在电镀、腐蚀和催化中被用于示踪研究;在医疗中被用于放射检查与治疗。而镍具有很好的可塑性、耐腐蚀性和磁性等性能，因此主要被用于钢铁、镍基合金、电镀及电池等领域，广泛用于飞机、雷达等各种军工制造业、民用机械制造业和电镀工业等。锰在钢铁工业中主要用于钢的脱硫和脱氧;也用作合金的添加料，以提高钢的强度、硬度、弹性极限、耐磨性和耐腐蚀性等;在高合金钢中，还用作奥氏体化合元素，用于炼制不锈钢、特殊合金钢、不锈钢焊条等。

随着国际经济和政治形势日趋复杂，作为战略性资源储备，许多国家对大洋多金属结核和富钴结壳矿产资源的勘探和开采开展了全方位的研究。随着世界经济和科学技术的飞速发展，陆地矿产资源日益减少，人类已经把关注的目光聚焦在埋藏于深海大洋之下的多金属结核和富钴结壳资源。

中国大洋矿产资源研究开发协会富钻结壳勘探合同区

中国的海底“探宝”之旅

与美俄等发达国家相比，中国的大洋矿产资源调查工作起步较晚。中国从20世纪80年代开始，在国际海底区域开展系统的多金属结核资源调查，并于1991年成为继苏联、日本、法国、印度之后的第5个先驱投资者。2001年5月，中国大洋协会与国际海底管理局签订了为期15年的多金属结核《勘探合同》，自此中国在东北太平洋CC区获得了7.5万平方千米、拥有专属勘探权和优先开采权的多金属结核合同区（图⑦），拓展了中国的战略资源储备。2014年4月，中国大洋协会又与国际海底管理局正式签订了国际海底富钴结壳矿區勘探合同（图⑧）。富钴结壳勘探合同的签订标志着中国富钴结壳资源调查工作重点将从探矿阶段转向一般勘探阶段，工作区域从大范围的海山区转向局部区域的矿块。经过多年来对大洋的多航次调查，中国在太平洋共成功申请了两个多金属结核勘探合同区和一个富钴结壳勘探合同区，进一步维护了中国在国际海底区域的权益，为经济建设提供了资源储备基地。

与此同时，经过多年勘探实践，中国大洋矿产勘探技术方法与手段得到显著提升，中国自主研制的蛟龙号载人潜水器（HOV）和海马号无人遥控潜水器（ROV）（图⑨、⑩）等高精尖装备在大洋矿产资源勘探中得到了常态化应用。

中国大洋矿产资源研究开发协会多金属结核勘探合同区

例如在大洋37航次调查中，蛟龙号在中国富钴结壳合同区多次实现长距离、大落差海底作业，创造了单潜次水下航行5000米，作业高度差1100米和地质样品取样高达124千克的新纪录，充分展示了其卓越的深海作业能力。而海马号已连续3年应用于富钴结壳勘探合同区的资源探测中，经过科技不断的创新升级，初步形成了基于ROV的作业平台，集高清光学视像、高频声学厚度探测、钻机等多种取样工具为一体，适用于富钴结壳精细探测的技术方法体系。随着HOV和ROV在大洋矿产资源勘探中的广泛应用，勘探效率和勘探精度得到了显著提高，与之相配套的近海底观测装置也有了长足的发展。

（本文得到中国地质调查局项目DD20191009和DD20190629的支持）