南海海底矿物资源开发前景

吴时国， 张汉羽， 矫东风， 杨朝云， 李学杰

(1.中国科学院深海科学与工程研究所海南省海底资源与探测技术重点实验室， 三亚 572000； 2.国家海洋实验室海洋地质过程实验室， 青岛 266061； 3.海南省海洋地质调查局， 海口 570206；4.海南省海洋地质调查研究院， 海口 570206； 5.广州海洋地质调查局， 广州 510364)

南海是西太平洋最大的边缘海，面积近300×104km2，蕴藏着丰富的矿物资源[1-4]。随着陆地资源不断消耗，海底矿物已成为一种重要的替代资源。从发展海洋强国和海洋经济出发，中国南海有丰富的海底矿物资源，如何推动海底矿物资源开发并从中获得相应的效益，已成为摆在当代中国面前一个棘手的问题。虽然迄今已有很多研究单位开展了南海海域海底矿物资源研究，研发了系列选矿采矿等相关技术[5-9]，但对海底资源的开发潜力和远景条件了解得仍然不多。与海底能源资源(油气工业)相比，对海底矿物资源的认知严重滞后[1,4]。因此，很有必要梳理一下南海海底矿物资源研究现状和资源潜力。

现总结多年地质调查数据和近年来的重要研究成果，结合最新的载人深潜器和遥控水下机器人调查结果，分析南海海底矿物资源研究现状，提炼南海海域锰结核、富钴结壳、多金属硫化物、富稀土沉积物、砂矿等类型资源的矿物特征和分布规律，并绘制成综合图件(图1)；提出多类型矿物的成矿远景及南海海底矿物资源开发中可能存在的问题，希望借此开拓中国南海海底矿物资源潜力研究的视野。

图1 南海海底矿物资源分布图Fig.1 Distribution of submarine mineral resources in SCS

1 海底矿物资源的类型

海底矿物资源系指蕴藏在海底的锰结核、富钴结壳、多金属硫化物、富稀土沉积物和砂矿等矿产资源[10-16]。中国在自然资源部、大洋协会牵头组织下，已开展了大量的大洋科学考察，完成了国际海域深海稀土、多金属硫化物、多金属结核、富钴结壳等矿物资源的专属地质与地球物理航次调查[11]。在国际海域，中国也拥有了东太平洋75 000 km2多金属结核、西南印度洋10 000 km2多金属硫化物、西北太平洋3 000 km2富钴结壳等区域及矿物的合同勘探区域。近年来，中国五矿集团还申请到东太平洋多金属结核勘探合同区的专属勘探权和优先开采权，总面积达到73 000 km2。

多金属结核，也称铁锰结核，主要由锰盐类矿物、锰铁氧化物组成，富含锰(Mn)、钼(Mo)、铂(Pt)、铜(Cu)、钴(Co)、镍(Ni)等，广泛分布于深海沉积物表层，呈球状或不规则状，直径为0.5～15 cm[17-18]。金属矿物主要来自于溶解在陆地河流溶液中的金属离子或源自大洋中脊热液喷口排放的富含金属溶液。海底结核结壳富含多种金属并且形成速率非常缓慢，因此可以记录形成地质时间内海底环境的变化，是具有开发应用前景和科学研究价值的一种矿产资源。在中国南海海域，目前已发现多金属结核(结壳)广泛分布于海盆。在已获得样品的基础上通过系统研究大型多金属结核的地球物理与地质资料发现南海西南和东北部陆坡存在两个异常区域(图1)[18-19]。

富钴结壳指海底基岩风化表面形成的富含钴(Co)、锰(Mn)、铁(Fe)等多种金属元素的外壳，一般厚1～3 cm，富钴结壳干结壳资源量为(108～216)×109t[20-21]。截至目前已有日本、中国、俄罗斯和巴西4个国家与国际海底管理局签订了富钴结壳勘探合同，而韩国的矿区申请也于2016年获得核准。富钴结壳按形态可分为板状结壳，砾状结壳和钴结核三种类型。水深800～2 500 m的海山、岛屿斜坡和海底高地上，西、中太平洋海山区被认为是全球富钴结壳的最主要产出区，三大洋中以太平洋富钴结壳的平均钴含量最高[16,20-21]。

海底热液多金属硫化物矿床是指富含金(Au)、银(Ag)、钴(Co)等金属的硫化物矿物资源[16,21-23]。成矿作用主要来源于地下的热液流体与洋壳岩石相互作用。中国针对东太平洋脊13°N海域海底多金属硫化物开展了多波束、浅地层剖面、重磁等地球物理调查及海底地质取样分析，收集到宝贵的第一手多金属硫化物样品和地球物理场资料，为中国开展海底热液活动研究和国际海底矿区的圈定迈出了坚定地第一步。

深海稀土资源是指在深海沉积物内赋存的丰富稀土元素[24-25]。有科学家通过对2 000多个深海沉积物样品稀土化学成分测试，认为在太平洋的深海沉积物中富含的稀土元素尤其是重稀土元素的已超过中国南方离子吸附型矿床重稀土的两倍。其中，东南和中北太平洋的稀土总蕴藏量约为880×108t，相当于陆地800～1 000倍的稀土总资源量。稀土资源被认为是继大洋多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物资源之后的潜在海底矿物资源[26-27]。中国是国际上第二个开展深海稀土资源研究并取得重大发现的国家。2015年首次在中印度洋海盆发现30×104km2富稀土沉积，2018年在东南太平洋发现了超过150×104km2的富稀土沉积区，在太平洋-印度洋海底划分了4个成矿带。在2013—2015年期间，中国地质调查局对太平洋中部海盆、东南太平洋海盆和西北太平洋海盆进行了初步调查，确定了太平洋中部海盆和西北海盆是稀土资源成矿的重要的远景区，并圈定了几十万平方千米的远景范围[28-29]。

由于国际海域开发的诸多不确定新因素，以及巨大的基地开发建设成本，推进中国南海海域海底矿物资源的开采显得更有实际价值。因此，从可追溯的20世纪60年代开始，中国便开展了南海表层沉积物稀土元素的研究，当时的主要目标区是南海北部大陆架及海盆南部海区，后来研究区逐渐覆盖了中央海盆、中沙和西沙附近；至20世纪90年代拓展到南沙群岛海区。海砂是指陆源碎屑物质被径流搬运至河口、大陆架，在沿岸流、潮流、波浪等反复作用下形成的密度较好和化学性能稳定的有用矿物。根据形成位置可以将它划分为滨海和浅海砂矿[30]。前者指的是低潮线以上的滨岸地区的砂矿，主要是在第四纪高海面时期重矿物在海洋水动力等作用下聚集而形成；后者指的是低潮面以下的浅海所形成的砂矿。中国有多处海砂矿床，开发起步较早，但规模有限。海砂分选良好，品质优良，可用于建筑材料和填海造地，是一种重要的矿产资源，其产值仅次于海底石油，是第二大海洋矿产的开采业。南海蕴藏着丰富的砂矿资源，主要矿物有长石、石英、锆英石、钛铁矿、独居石等(图1)[30]。

2 南海砂矿资源及其分布规律

2.1 海域砂矿资源特征与分布

由于对砂矿资源需求量巨大，南海滨海砂矿调查由来已久。南海砂矿资源包括锆石、独居石、褐钇铌矿、钛铁矿、磷钇矿、砂金、石英砂、锡等矿种，其中独居石、锆石等矿种常与钛铁矿共生。海南省环岛海岸类型更是多样，有利于多种类型砂矿沉积和富集[31-32]。南海北部浅海砂矿具有重要的战略价值，钛铁矿和锆石分布较广泛。南海东部、南部及西部海域，有用矿物为钛铁矿、锆石、独居石、金红石等；海南岛南部及西部浅水海域钛铁矿丰富，而金红石和独居石的分布较少。

砂矿资源量可以依据通用的品位异常区和矿物高含量区划分方法。中国地质调查局等权威机构给出了砂矿划分标准(表1)[34-36]。以此为标准，南海浅海砂矿具有良好资源远景[18,31-33]。南海已圈定砂矿异常区(图2、图3)，其中Ⅰ级砂矿异常区17个、Ⅱ级砂矿异区33个(图2)。南海北部滨海砂矿主要为独居石、金红石、锆石等，集中在粤西、雷西、桂东、琼东南浅海区，水深一般在20 m以浅，为古滨海砂矿，沉积物主要为中粗砂；Ⅱ级异常区面积约为5 000 km2，矿种主要为钛铁矿、金红石、锆石等，不同水深区均有分布，矿床类型为浅滩或水下岸坡堆积砂矿，沉积物主要为中细砂。南海西部滨海砂矿有用矿物主要有钛铁矿、锆石，由北向南，高含量区由海岸线平行分布变为海岸线垂直分布[32-34]。南海南部有着宽广的巽他陆架，滨海砂矿呈南北向或北西-南东向分布，基本与水深线平行，有用矿物为钛铁矿，锆石、金红石及独居石。南海东部滨海砂矿基本平行于水深线分布，主要为钛铁矿、锆石、独居石，其次为金红石[35-36]。

表1 南海砂矿资源规模划分

图2 南海四种有用重砂矿物异常分布Fig.2 Abnormal distribution of four types of mineral heavy sand minerals in SCS

2.2 成矿地质条件

控制砂矿形成和分布的主要因素有[34,37]：①成矿物质来源；②沉积物类型；③海洋水动力条件；④地形地貌；⑤沉积作用。

沉积物源通常控制砂矿的类型和分布，原生源越高的矿丰度，越大的补给面积，砂矿形成可能性也越大。矿源岩越近，搬运距离越短，越利于成矿。南海东部富含角闪石和磁铁矿砂矿。前者来自中酸性岩浆及正变质成因，后者多数为花岗岩成因；南海北部碎屑物质主要来自台湾海峡两岸，陆源碎屑物质由河流或风尘入海，在经过沿岸流改造，控制滨海砂矿上逆堆积和分布；南海南部砂矿中火山矿物增多，说明火山物质来源既有来自海底火山剥蚀物，也有附近弧状列岛的火山喷发物。南海西部砂矿富含锆石、钛铁矿、角闪石、绿帘石、石榴石砂矿物源分别来自加里曼丹、古巽他河(沿纳土纳岛东北方向)和湄公河三个方向的物源。西部砂矿物源来自红河水系，包括海南岛及中南半岛北部和华南大陆珠江、漠阳江、鉴江等水系的北部沉积物的长石、石英质量比大于0.2，以湄公河为主，古巽他河、彭亨河和巴兰河搬运来的南部沉积物的长石、石英质量比为0.1～0.2。

重砂矿物的富集也受沉积物底质类型控制。目前南海的砂矿异常区底质类型主要为细砂，其次为粉砂质砂、中细砂等[32,34,37]。南海大陆架表层沉积物主要由残留沉积和现代沉积构成，具有砾砂、砂砾石、中砂、粗砂、粉砂质砂、细砂、粉砂、黏土质砂、粉砂质黏土、黏土质粉砂、钙质生物砂、钙质生物砾质极粗砂、砂-粉砂-黏土、贝壳堋瑚碎屑砂等15种沉积类型。海湾中沉积物较细，在海峡、开阔的陆架外缘沉积物较粗。常见矿物是磁铁矿、钛铁矿、金红石、锐钛矿、锆石、帘石、电气石、海绿石、绿泥石等，轻矿物以石英、长石为主。南海陆架沉积特点是陆源物质丰富，沉积速率高，物质粗，生物碎屑多，碳酸钙含量高。现代大陆架面积的70%被残留沉积物覆盖，它们形成于晚更新世低海面时期，且未受到改造。随着对大陆架沉积研究的深入，人们逐渐认识到，在海侵时期残留沉积物受到广泛改造，并与现存水动力条件达到了平衡[36]。

河流是陆源物质入海通道，为冲积砂矿富集有利场所。河流切割深度、坡度、分布密集、源近流强度，以及流经矿源区对矿物搬运是有利的。因此，河流入海口，沿岸一侧易于形成工业级砂矿矿床点。其次，河流入海口、河漫滩、冲积阶地等是砂矿矿物有利于富集区域[34-37]。海洋的水动力具有砂矿破坏和建设的双重作用。近岸陆缘碎屑物再分配和海底泥沙运动规律的决定因素是海洋水动力。它的强弱及方向变化直接对海成砂矿形成及其分布规律与赋存有控制作用，因此，海洋水动力和滨海砂矿有着密不可分的关系。

南海沉积物中铜(Cu)、钡(Ba)与火山矿物辉石和磁铁矿有一定的关系。海底残留扩张轴毗邻区域是南海中、基性火山碎屑主要分布区。通过将南海海底扩张区与其他海区的沉积物元素通量研究，可以发现中央海盆与劳海盆隆起区域的沉积物类似，其间的铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、镍(Ni)等元素通量普遍高于大西洋海岭、东太平洋海隆。这也间接表明南海和劳海盆沉积物等金属元素的堆积速率较快，超过东太平洋海隆。沉积物中金属快速堆积与其丰富的物质来源有关[38-40]。

2.3 砂矿资源成矿远景

南海海域砂矿资源可划分为两大成矿带，即北部陆源有色、稀有、稀土金属砂矿成矿带和南部巽他陆架砂矿成矿带(图4)[18,34,37]。前者锡石、锆石、独居石、磷钇矿、铌钽铁矿、钛铁矿、砂金、石英砂等为主要矿物；后者锆石、钛铁矿、独居石、金红石和石榴石等为主要矿物。由陆至海，每个成矿带的变化趋势基本表现为：砂矿类型由比重大的钛铁矿、砂金、锡石变化为比重小的铌钽铁矿等稀有元素矿床；成因类型由河成型到混合型、海成型、残留型；从北往南，砂矿矿床越来越丰富，规模越来越大。

图4 南海砂矿资源成矿远景区Fig.4 Potential area of sand mining resources in SCS

3 可能的铁锰结核与结壳资源

与大洋沉积物相比，南海结核结壳属的金属元素的丰度比较低，不如太平洋丰富，但稀土元素含量比较高[41-44]，主要以离子吸附形式赋存于结核和结壳，且含量比太平洋北部区域高出1倍以上，比太平洋北部高出3倍以上。南海铁锰结核结壳相对于富轻稀土具有明显负斜率和稀土元素铈(Ce)正异常，表现为铕(Eu)亏损不明显，且其配分曲线平缓，与太平洋北部结核中稀土配分曲线具有差异。这表明南海铁锰结核、结壳遭受海水的作用比太平洋北部的要剧烈，而太平洋北部铁锰结核遭受成岩作用影响比南海结核、结壳要严重[31,45]。这也表明了海底结核、结壳所处的独特沉积环境有关。蛟龙号深潜调查航次发现三个区域具有结核结壳的海底视频和照片，并采集了多金属结核结壳样品，初步掌握了采集试验调查区的多金属结核特征，在此基础上评估区域多金属结核资源采集潜力(表2、表3)。

表2 南海铁锰结壳站位表Table 2 Stations of iron and manganese crusting in SCS

表3 南海铁锰结核站位表Table 3 Stations of iron and manganese nodules in SCS

3.1 结核和结壳分布特征

南海锰结核生长速率为平均每百万年增长几毫米至几厘米。其在形成过程中记录了古海洋环境演变的信息[44-45]。在中国第一次南海调查时发现中沙群岛南部深海盆地及东沙群岛东南及南部大陆坡分布有多金属结核。据不完全统计，共有10处铁锰结核、12处结壳及一些微结核(Φ<1 mm)。

但随着后来1∶100万南海海洋地质调查的深入，铁锰结核、结壳的站位数量也逐渐在增加(表2、3)。目前为止，已经发现的铁锰结核有12处，结壳21处(图5、表3)，它们分布于12°N以北、113°E以东的陆坡和深海盆区。结核主要产于陆坡中部及深海盆周缘，水深大于1 000～2 000 m，少数可达3 400 m；结壳则产于中央海盆和其周缘的高山、海台上，前者水深较大，可达3 000～3 500 m，后者较小，一般为1 000～2 400 m。西沙群岛，中沙台地和礼乐滩附近均曾发现比较大的结核，直径4～5 cm，主要为水成类型结核。结壳厚1～3 cm，少数可达5～7 cm，如尖峰海山、中沙台地所见。南海结核、结壳的铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)总量虽然比较低，但却富含稀土元素，具有较好的资源远景[17-19,29,37-42]。

图5 南海结核、结壳分布图Fig.5 Distribution of iron manganese nodules and crusting in SCS

3.2 多金属结核(壳)矿物地球化学特征

组成铁锰结核、结壳的矿物主要为铁锰氧化物(δ-MnO2、Fe2O3)和氢氧化物[Mn(OH)4、FeO(OH)]或含水氧化物(MnO2·nH2O、Fe2O3·nH2O)。X射线衍射和透射电镜的分析表明，组成结核、结壳矿物的结晶程度都很低，多为不定形的胶状或偏胶状、偶尔见到微晶片状结构，具微层状、同心纹层状、球粒状、叠层状及花蕾状等构造[43-45]。

结核和结壳的X射线衍射分析表明：南海沉积物中的铁锰结核和结壳由多种矿物组成。邱传珠等曾通过X射线衍射对结核测试，证明其主要由钙锰矿(10A水锰矿)和钠水锰矿组成，此外还有软锰矿、针铁矿和磁铁矿等[38-39,42]。所得X射线衍射曲线多呈散射型，以低峰强度为特征。组成结壳的锰矿物主要为钙锰矿和水羟锰矿，其次还有钠水锰矿和黏土矿物、长石、辉石、橄榄石等碎屑矿物。微结核的X射线衍射分析结果表明，微结核主要结晶相由钙锰矿、钠水锰矿和水羟锰矿组成[42,46-48]。

南海结壳矿物组成与南海结核相近，但与只含水羟锰矿的太平洋结壳相比，则存在较大差别。通常认为δ-MnO2是一种在强氧化环境下沉积的水成氧化物，是组成结壳的代表性矿物，而南海结壳除含水羟锰矿外，还含钙锰矿，故在矿物组成上更像是结核[49-50]。

3.3 结核、结壳的稀土元素地球化学特征

南海结核、结壳的稀土元素总量平均值为161.125×10-5，比中太平洋(CP)区结核(140.96×10-5)、东太平洋(CC)区结核(102.65×10-5)都高[51-52]。稀土的分布与大洋结核、结壳类似，它们均具有负斜率，且铕(Eu)以前的轻稀土尤为显著，铕(Eu)以后变得平缓。在大多数情况下，铈(Ce)在模式图上显示为正异常。但在氧化程度比较低时，也可以是负异常。无论是南海或太平洋，沉积物的稀土分布模式除铈(Ce)外，也都与结核、结壳基本相似，即三价稀土在沉积物和结壳中具有相同的分布模式。这说明它们的稀土元素具有同一来源，而非结核、结壳的稀土来自海底沉积物。南海的稀土分布模式具有强烈的铈(Ce)负异常，认为结核、结壳中的稀土元素主要来自海水，而结壳中的非晶质铁锰氧化物又是海水中稀土元素析出的重要载体。南海结核、结壳的稀土含量是南海沉积物的11倍，这说明稀土元素主要富集在结核、结壳中具有高的铈(Ce)异常。如图6所示，铈(Ce)在南海(HYD179、HYD180a、HYD238)结核、结壳中的富集率很高，几乎占稀土元素总量的50%，其中宪北海山、尖峰海山、双峰海山(KD17)和西沙台地的结核均比太平洋结壳、结核具有更高的异常值，说明南海海底的介质环境氧化程度更高，更有利于铁(Fe)、钴(Co)沉淀富集，这也是南海铁钴结壳、结核相对更高的原因[53-54]。南海三个结壳区(HYD179、HYD180a、HYD238)的稀土元素各含量曲线与西太平洋曲线基本重合[53-56]，说明它们具有相似性，总量分别为238.15×10-5、266.28×10-5、265.76×10-5接近工业开采品位，其潜在的资源意义值得关注[57-60]。三个结壳站位的稀土元素总量平均值达到256.73×10-5，高于本次采集的结核样品(HYD180)的稀土元素总量平均值(107.91×10-5)近2倍。HYD180站位结核的稀土元素总量平均值与东太平洋(CC)区结核102.65×10-5相近[53, 60]。

图6 样品中稀土元素含量与东太平洋和西太平洋结壳对比Fig.6 The content of rare earth elements in the samples and the crustal comparison between the eastern Pacific and the western Pacific

4 新型海底矿物资源调查与发现

2018年同济大学利用加拿大“ROPOS”遥控深潜机器人从南海东北到对中南部陆坡的冷泉、海山和特殊沉积区进行了海底考察，累计航程2 600 n mile(1 n mile=1 852 m)，首次在南海海底发现了古热液遗迹，并成功采集到古热液烟囱样品。他们将在南海2座海山上发现的古热液区分别命名为“南溟”热液区和“楼兰”热液区。其中，由富集古热液烟囱或热液沉淀物丘构成的“南溟”热液区范围至少有700 m长(图7、图8)。中国科学院深海科学与工程研究所开始利用“深海勇士号”载人潜水器开展南海海底矿物资源的调查研究，相信随着研究的深入，还会发现更多的结核结壳、热液硫化物、深海稀土、海底砂矿等海底矿物资源。

图7 南海海底发现的古热液区位置Fig.7 Locations of paleo-hydrothermal zone in SCS

图8 古热液区采集岩石样品Fig.8 Rock samples collected in the paleo-hydrothermal area

5 南海海底矿物资源开发问题与展望

5.1 存在问题

首先，人们尚不能完全回答南海海底矿资源如何形成，如成矿机理、分布规律与资源量等诸多问题。南海深海多金属结核(壳)形成、富集和资源潜力，受深水洋流、海底岩浆、沉积物高速堆积、冷泉流体渗漏等单一或关联作用影响或控制，需要学科交叉和各种思想交融才能深入研究和揭示。此外，南海深海多金属结核(壳)的资料与数据主要完成于20世纪末，没有把洋流、冷泉作为重要影响因素加以考虑和研究，且资料老化、认识有局限性，也没有对新发现和采集样品、原有成果进行整编和集成研究，形成多金属结核(壳)资源的综合研究报告及南海深海多金属结核(壳)资源调查建议书。因此，迫切需要开展南海深海多金属结核(壳)的成矿模式、成藏机制和远景区划等进行研究。

其次，目前的海底矿物资源调查与开采技术不能满足资源评价和试采的需求。目前人们对南海海底矿物资源潜力还缺乏足够的认识，研究多停留在定性描述和分析阶段，缺乏有效的定量评价手段和技术，导致深海资源探测和评价的不确定性，为规避地质评价风险和深海探测能力不高，在新技术采用方面还不够，因此有必要发展新型、智能的深海底矿物资源探测和评价技术，为海底资源开发和海洋工程的实施提供有力的技术支持。

5.2 展望

南海海底固体矿产资源目前比较肯定的是海底砂矿资源。南海的砂矿资源极其丰富，尤其是南海南部，应提高重视程度，因为过去人们只对油气资源情有独钟。然而，其他的海底矿物资源在国家战略的地位和商业化开采需要重新精细评估。基于南海的地质条件，对比南海海域与国际上海底矿物资源规模、资源质量、开采技术条件、环境影响、政策和市场等外部因素，综合分析南海海底矿物资源的开发前景。结合海南省自由贸易岛的发展规划、产业布局和市场需求等因素，对南海海底矿物资源勘查开发的政策需求、制度需求、市场需求、技术需求、战略需求等方面进行全面系统分析，为海南省海底矿物资源的开发、基地建设和决策提供依据。结合中国大洋矿产开发实践，发展和引进使用与南海海底采矿设备，建立试采水下和陆上平台，为后期的海底矿物资源试采提供保障。建立健全海洋矿产经济技术评价体系，积极向国家争取赋予海南省南海资源开发监管权和审批权，保障开发生态环境安全。