深海盆地矿产资源知多少

杨克红 董彦辉

在波涛汹涌的海面之下，有着和陆地一样的地形地貌单元。海底地形地貌可以分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊等3类，而每类又可以分为次一级的地形单元。

深海盆地是大洋盆地内的次级地形单元，是由海岭等高地形分割而成的，主要部分水深在4000～5000米。深海盆地底部发育有深海平原、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区。深海盆地为洋壳基底，其洋壳厚度为7～10千米，是硅质、钙质软泥、深海粘土等远洋沉积物的堆积区。

深海盆地中已有两种矿产资源引起人们的关注，它们分别是多金属结核和富稀土软泥。

多金属结核

多金属结核是生长在深海盆地中的一种重要的海底矿产资源。1872-1876年，英国“挑战者号”考察船在进行环球考察时，在摩洛哥的法罗岛西南海底首次采集到了多金属结核。在随后的调查中，人类发现世界上大多数海洋普遍分布着多金属结核。但是由于技术手段的限制，大规模的多金属结核调查从20世纪60年代才开始。

多金属结核又称锰结核，呈黑色或者黑褐色，可以存在于不同的水深中，但在4000～6000米水深的海底最为丰富。它富含锰、铁、钴、镍、铜等多种有用的金属元素，具有潜在的经济价值，因此引起人们的重视。

多金属结核主要以暴露状或者半埋藏状出现在海底沉积物中，但是也有一些多金属结核被沉积物埋藏，其大小一般为几厘米到十几厘米。科学家们根据多金属结核的大小将其分为大、中、小三类，其中大型的多金属结核直径大于6厘米，介于3厘米和6厘米之间的为中型，小型的则小于3厘米。其中，中型多金属结核在海底分布最多。

除了按大小分类，科学家們还根据多金属结核的形状特征对其进行分类，主要有球状、椭球状、板状、不规则状、连生体状、菜花状、盘状等。这些以形状特征为依据的分类非常形象生动，比如连生体状，就是两个或者两个以上的结核粘在一起;而菜花状结核长得像我们吃的花菜。结核表面有的光滑，有的粗糙，这主要与其形成环境有关。

典型的多金属结核形状（a 连生体状b 菜花状杨克红拍摄）

多金属结核由核心和壳层两部分组成。它的核心可以是岩石碎屑、矿物、生物遗体（如鱼牙骨刺等）、陨石等;壳层主要由铁、锰氧化物和氢氧化物组成，其中也有一些硅酸岩矿物混杂。壳层包围核心形成了各种形状的多金属结核。

人类对海底多金属结核的调查主要采用海底摄像、视像以及箱式、拖网搜集等方式进行。海底摄像和视像数据可以分析多金属结核在海底的分布特征，箱式和拖网搜集等可以获得多金属结核实物，从而为多金属结核的各种岩石学、地球化学分析等提供样品。

虽然人类对多金属结核已经有了较多的认识，但是还有一些科学问题存在争议，如多金属结核的成因就众说纷纭，主要的观点认为多金属结核是由水成作用或成岩作用形成的。但是也有人认为是热液作用和生物作用造就了多金属结核。这些问题都有待新一代的科学家们去探索、去解决。虽然成因上众说纷纭，但有一点大家的意见是统一的：多金属结核的生长速度非常缓慢，它们每生长1厘米都要花费数百万年的时间！

经过数十年的海上调查，人们已经摸清了多金属结核在海底的大致分布情况：太平洋、大西洋和印度洋均有分布，具有经济价值的多金属结核主要分布在东太平洋的克拉里昂-克里帕顿地区（即CC区）、中印度洋海盆、库克群岛和秘鲁海盆等地。其中，太平洋的多金属结核最多，主要分布在东太平洋CC区。据粗略估计，仅太平洋的多金属结核就达1.7万亿吨，具有广阔的开发和利用前景。

我国自20世纪80年代中期就开始对海底多金属结核开展调查。经过多个航次的调查之后，1990年，中国大洋矿产资源研究开发协会向联合国国际海底管理局提出了我国的多金属结核开辟区申请。1991年3月获批后，我国成为继法、日、苏联和印度之后第5个先驱投资者。2015年7月20日，中国五矿集团公司在保留区获得了另一块海底多金属结核矿区的专属勘探权和优先开采权。至此，我国成为具有2块多金属结核勘探合同区的国家。目前已有17个国家和组织先后与联合国国际海底管理局签订了海底多金属结核勘探合同。

这些多金属结核合同区都是未来多金属结核开采的矿区，但是多金属结核的开采利用目前还处在研究、探索、评估阶段。2018年9月，我国首次成功开展500米级水深海底多金属结核集矿系统试验，这标志着我国深海采矿系统研发已由陆上试验全面转入海上试验。日本也曾在北太平洋水深2200米的马尔库斯-威克海山上进行过多金属结核的采矿试验，并获得成功。

西太平洋富含稀土的深海沉积物涂片（总稀土含量大约1200ppm 董彦辉拍摄）

富稀土软泥

稀土，是化学元素周期表中镧系和钪、钇共17种金属元素的总称。由于受分离技术的限制，它最早只能用化学法制得少量不溶于水的氧化物，历史上习惯把这种氧化物称为“土”，因而得名“稀土”。

人们在研究海底多金属结核和富钴结壳时，就发现这2种矿产资源中蕴含着丰富的稀土元素。国际海底管理局已经组织秘书处完成了关于国际海底富钴结壳和多金属结核地域中稀土元素等级和丰富度的技术报告，结果令人乐观，为未来稀土开采奠定了基础。不仅如此，科学家经过调查，还在深海中发现了一种新型的矿产资源，即富稀土软泥。但在全世界范围内，富钴结壳和多金属结核的稀土含量普遍高于富稀土软泥，而富钴结壳的稀土含量又普遍高于多金属结核。

2011年，日本科学家率先对太平洋2000多个深海沉积物样品进行了稀土元素化学成分研究，認为在太平洋的深海沉积物中富含大量的稀土元素。2013年，他们在日本南部岛屿附近的北太平洋西部发现了总稀土含量超过5000ppm的深海软泥，从而确定了日本未来稀土开采的主要目标。

与陆上稀土矿床相比，海洋富稀土软泥具有以下优势：1.分布广泛，具有巨大的资源潜力;2.稀土元素浓度高，重稀土元素显著富集;3.储层浅，利于相对简单和有经济效益的勘探;4.放射性元素浓度非常低;5.易于通过酸浸提取稀土元素。

深海稀土资源的调查首先要通过箱式和重力柱状样获得沉积物样品，然后对沉积物进行地球化学元素分析，同时结合浅地层和多波束测量资料的综合分析等手段而获得远景区。

经过近几年的调查，在太平洋和印度洋的深海盆地中均发现了大量富含稀土的深海沉积物，主要的沉积物类型有多金属软泥、沸石黏土和远洋黏土。根据沉积物中稀土元素的配分模式、Ce元素异常以及轻重稀土元素的分馏特征，科学家基本上对稀土元素的富集机制有了比较清晰的认识，认为多金属软泥中的稀土元素多赋存于与海底热液作用有关的铁锰氧化物和氢氧化物中，而沸石黏土和远洋黏土中稀土元素的富集则与磷酸盐的混入密切相关，其稀土元素主要存在于与磷灰石成分相当的生物鱼骨屑中。

深海稀土资源作为一种新型的资源被提出后，受到了世界各国的巨大关注。近几年，日本持续开展对深海沉积物稀土资源的调查和研究，同时也对开采设备进行了研发。此外，美国、俄罗斯、德国、法国、印度、英国、挪威等国家也开始关注深海稀土资源。我国也不甘示弱，从2012年开始进行深海沉积物稀土资源的调查和研究，目前已经在东南太平洋海域等地发现了大面积的富稀土沉积物，并已经初步圈定了我国稀土资源远景区。

陆地矿产资源的紧缺、海底采矿技术的发展和开采对海洋环境的影响，这些都是影响海底矿产资源开采利用的重要因素。随着陆地矿产资源的逐渐枯竭，世界各国都把进一步发展的希望寄托在浩瀚的海洋上，越来越多的国家都把在保护海洋环境的前提下合理有序地开发利用海洋资源和能源，作为求生存、谋发展的基本国策。希望在世界各国的共同努力和合作下，人类能早日实现深海矿产资源的开发利用！