印度洋多金属结核地质特征与资源潜力*

2021-10-24龚建明路晶芳崔汝勇

矿床地质 2021年5期

黄威，廖晶，龚建明，路晶芳，崔汝勇

（1中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东青岛266071；2青岛海洋科学与技术试点国家实验室，海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东青岛266237）

赋存在全球广阔深海底的多金属结核是一种资源量巨大的金属矿产。据保守估算，仅在太平洋克拉里昂-克利伯顿断裂带（Clarion-Clipperton Frac‐ture Zone，下称CCZ）内，就分布着高达约211亿t的多金属结核(Hein et al.,2020)，而全球海底多金属结核的规模则可能超过2万亿t(Hein et al.,2014)。CCZ内多金属结核中蕴藏的Mn、Ni、Co、Y等金属的规模超过目前陆上已知所有矿床探明和控制资源储量之和，而Cu、REE和Mo等金属的规模也十分可观(Hein et al.,2013；2014；2020；国土资源部信息中心，2016)。这些海底多金属结核展示出了极高的资源潜力和潜在经济价值，是人类即将开发利用的重要海底矿产资源(Miller et al.,2018;于淼等，2018;Wat‐zel et al.,2020)。

印度洋是全球第三大洋，面积约7.5×107km2，占全球海洋总面积的20.5%(冯士筰等，1999;张荣华等，2017)。印度洋内发育深海盆地、活动的洋脊和扩张中心、海沟、增生楔、走滑断裂带、弥散型变形带、洋底高原、无震海岭、海底扇、微陆块和陆缘盆地等多种大型构造地貌单元(李江海等，2020)。其中，印度洋内占地面积最广的十多个大小不一的深海盆地是发育多金属结核的理想场所。但到目前为止，包括牙买加蓝矿矿业有限公司在CCZ刚申请到的约7.5×104km2的勘探合同区在内(ISA,2020)，国际海底管理局（ISA）共批准了19处多金属结核勘探合同区，除印度在2002年于中印度洋海盆申请到1处区块外，其余18处区块均位于太平洋。此外，除印度在其合同区内所从事的调查研究外，印度洋内多金属结核的大规模调查工作在20世纪六七十年代后几乎陷于停滞，这既与印度洋辽阔的深海底区域不相匹配，也反映出印度洋周边国家海洋调查研究力量薄弱的现状。印度洋内目前已发现的多金属结核具体分布在哪些构造地貌单元中，这些不同单元内结核彼此间的物质组成、赋存环境等有什么异同，除了中印度洋海盆内著名的印度洋结核区（Indian Ocean Nodule Field，简称IONF）及周边的ISA印度洋多金属结核保留区（Indian Ocean Polymetallic Nodule Reserved Areas，简称IOPNRA）外，广袤的印度洋内是否还存在结核大面积密集分布且主要有用组分含量较高、具备资源潜力的区域，这些问题都需要我们进行深入探索。

本文通过对印度洋海域内多金属结核的分布、物质成分、规模和赋存环境等信息进行细致梳理和归纳总结，结合各海域的地质、生物和环境等属性特征，划分出区域内结核分布密度和主要有用组分含量的高低等级类型，并与太平洋CCZ等全球结核重要成矿区进行对比研究，为印度洋多金属结核勘探进一步锁定资源潜力区和目标区，服务于提升全球海底多金属结核成矿规律、控矿因素和找矿方向的认知。

1 数据说明

在除IONF和IOPNRA外的印度洋内，本文共收集到298处证实存在多金属结核分布的站位。这些数据来自学术论文、书籍、航次调查报告以及德国阿尔弗雷德魏格纳研究所亥姆霍兹极地海洋研究中心的PANGAEA数据库、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的地质样品数据库、ISA全球多金属结核数据库等，并剔除了重复统计的站位信息。本文使用的印度洋海底地形数据分辨率为15弧秒，来自中国国家科技资源共享服务平台—国家海洋科学数据中心，图中的基准纬线均为中央纬线，比例尺代表中央纬线的图上长度及其所对应的地面实际距离。基于对未来开发利用多金属结核的便利性以及尽量降低对赋存环境影响的考虑，本文所指的多金属结核是分布在海底沉积物表面或海底之下不超过10 cm深度的结核，不包括深部埋藏型结核，也不包括在海洋沉积物内普遍存在的亚毫米大小的微结核(Uramoto et al.,2019)。此外，仅包裹薄层铁锰结膜，形态似多金属结核而主要成分为远洋黏土、碳酸盐、磷酸盐或岩石等样品，以及类型上与富钴结壳更相似的样品也不统计在内。

本文中多金属结核样品的采集工具包括拖网、自返式抓斗、箱式和重力柱取样器等，此外，部分站位结核样品的分布特征是通过海底摄像资料确认的。在有详细数据资料的情况下，拖网采集样品的水深和位置是指拖网到底和离底数据的平均值。依据中国现行国家标准对多金属结核的大小进行划分(中国大洋矿产资源研究开发协会，1998)，其中长轴长度＜3 cm的为小型结核，3～6 cm的为中型结核，＞6 cm的为大型结核。本文定义的多金属结核密集分布站位是指利用拖网在一处站位获取到10 kg以上样品、或箱式取样器计算出的结核分布密度大于5 kg/m2、或海底摄像发现结核存在大规模聚集现象的站位。因为一般重力柱取样器的采样面积很小，在海底面采集多金属结核数量多寡的不确定性过于显著，采用与箱式取样器一样的分布密度计算方法可能造成极大的误差，所以本文不对柱状样取样器采集的结核样品进行密集分布的划分。

在多金属结核样品全样成分数据统计分析方面，剔除仅对结核铁锰纹层或内核等部分层位进行测试的数据，同时用同一处站位不同引文、不同样品的全样成分数据平均值来代表该站位多金属结核的化学成分。本文收集到的印度洋多金属结核的全样成分数据主要包含Mn、Fe、Cu、Ni、Co等金属元素，仅有少量样品可查询到稀土元素等微量金属以及Si、P等非金属元素的含量。

2 多金属结核地质特征

印度洋内分布着众多深海盆地和深海平原，这些远洋黏土、硅质和钙质生物组分等类型沉积物大面积缓慢沉降堆积的海底通常地形平坦开阔、构造稳定、深水区域范围广阔，是多金属结核形成和生长的理想场所(Hein et al.,2014;Petersen et al.,2016)。本文依据传统称谓和关键构造地貌特征将印度洋分为中北印度洋、东北印度洋、西北印度洋、东南印度洋、西南印度洋五大海域，以系统性展示各不同海域内多金属结核的调查程度、分布、成分、规模和赋存环境等地质特征。

2.1 中北印度洋

查戈斯-拉克代夫海岭以东，东经九十度海岭以西，中印度洋脊和东南印度洋脊以北的中北印度洋内分布着目前印度洋已知的多金属结核聚集程度最高，资源潜力最大的区域。该区域主要位于中印度洋海盆内，由IONF及周边的IOPNRA所组成（图1）。这片水深约为3000～6000 m的海域内多金属结核的调查研究程度极高，仅1981～1987年就有超过50个航次在此区域内开展海上调查研究工作(Mukhopad‐hyay et al.,2010)。基于大量的航次调查工作，印度在1987年底向联合国注册成为先驱投资者，并在IONF及周边海域内圈定了15万km2的多金属结核开辟区(Mukhopadhyay et al.,2018)。2002年印度完成50%面积的区域放弃工作后，正式与ISA签约，得到了7.5万km2的多金属结核勘探合同区，放弃的另一半7.5万km2区域随即成为ISA多金属结核保留区(Mukhopadhyay et al.,2018)。中国科学家也曾搭载“大洋一号”科考船在IONF内进行过多金属结核调查工作，以开展全球不同海域的结核分布和成矿对比研究(何高文等，2011;宋成兵等，2011)。IONF内结核大小通常为2～6 cm，中小型结核普遍为球状和类球状，少量的大型结核多呈现长条状、盘状、板状和不规则状形态(Mukhopadhyay et al.,2008;2018)。IONF内结核的矿物类型并不一致，北部区域钙锰矿含量高，相对富集Mn、Ni和Cu，表面粗糙，南部区域则水羟锰矿含量高，相对富集Fe和Co，表面光滑(Mukhopadhyay et al.,2018)。通过对IONF海底约1000处站位结核的取样研究发现，区域内结核的分布极不均一，北部区域结核分布稀疏，平均分布密度低于2 kg/m2，中南部区域结核分布密集，平均分布密度接近6 kg/m2(Jauhari et al.,2000;Mukhopadhyay et al.,2010)。IONF结核的平均分布密度略高于4.5 kg/m2，其潜在资源量在全球各海域中仅次于CCZ，估算赋存有超过14亿t的多金属结核可供人类未来开发利用，结核的w(Cu)、w(Co)、w(Ni)和w(Mn)平均分别为1.04%、0.11%、1.1%和24.4%，Cu、Co、Ni资源量之和估算为2184万t(Mukhopadhyay et al.,2010;Kuhn et al.,2017;Hein et al.,2020)。IONF内多金属结核的形成年代介于晚中新世到早上新世之间，距今约8～3 Ma，生长速率约为1.2～3.2 mm/Ma，水生成因和成岩成因组分供给的比例相当(Mukhopadhyay et al.,2018)。

图1 中北印度洋多金属结核分布特征Fig.1 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the north-central Indian Ocean

在不包括IONF和IOPNRA的中北印度洋其他海域内，目前已发现的多金属结核站位仅有19处(Ericson et al.,1960;Kalinenko et al.,1962;Ship‐board Scientific Party,1964;Cronan et al.,1969;Wil‐lis,1970;Bezrukov et al.,1973；1974;Glockhoff,1978;Leclaire et al.,1979;NOAA,2020)，这些站位分布零散，采集到的结核样品数量也较少，仅有1处站位用海底摄像发现了结核密集分布现象，但该站位水深较浅，约为2819 m(Glockhoff,1978)，也缺乏全样成分数据，是否具有资源潜力还需要后续调查工作加以确认。

2.2 东北印度洋

东经九十度海岭以东、破裂海岭和迪亚曼蒂纳断裂带以北的东北印度洋海域内分布着沃顿海盆、加斯科因平原、阿尔戈平原、居维叶平原和珀斯平原等大型深水地貌单元，可能大规模赋存多金属结核。其中，沃顿海盆是东北印度洋内面积最大的深水地貌单元，主要位于印度-澳大利亚板块交接处的大范围弥散型复杂变形带内(Gordon,1998;Stevens et al.,2020)。现今东北印度洋的开裂形成起始于约155 Ma前(Heine et al.,2005)，随后在约100 Ma前，开裂方向由北西-南东向变为东西向，从而在沃顿海盆内形成了众多南北向的大型断裂带(Hananto et al.,2018)。在距今38～36.5 Ma前，沃顿海盆内的扩张中心停止活动，之后印度板块与澳大利亚板块平行运动，但由于印度板块与欧亚板块碰撞产生的阻力，印度板块比澳大利亚板块向北运动的速度慢约11 mm/a，导致印度-澳大利亚板块之间出现相对低烈度的变形作用持续至今(Jacob et al.,2014;Hananto et al.,2018;Diament et al.,2020)。

到目前为止，在东北印度洋内共发现58处赋存多金属结核的站位（图2），这些结核在东北印度洋多个地形地貌单元内均有出露，但主要分布在沃顿海盆和加斯科因平原等深水区域内，结核分布水深范围为1457～6143 m，平均值为4662 m(Shipboard Sci‐entific Party,1961；1963；1964;Pachadzhanov et al.,1963;Isaeva,1967;Cronan et al.,1969;Willis,1970;Bezrukov et al.,1973；1974;Glockhoff,1978;von Stackelberg,1979;Skornyakova et al.,1979;Seibertz et al.,1979;Baturin et al.,1988;MNHN,1998;NO‐AA,2020;ISA,2010)。区域内仅有2处站位通过拖网采样确认了结核的密集分布，它们均位于加斯科因平原内，多见大中型结核，水深约为5870 m和6140 m(NOAA,2020)。区域内已发现的结核中有30处站位的样品进行过全样成分测试，它们分布在水深2100～5893 m的范围内，平均水深4771 m，w(Mn)、w(Fe)分别为9.72%～24.96%、5.88%～19.40%，平均值分别为17.59%和11.61%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)分别为0.01%～1.06%、0.04%～0.35%和0.25%～1.49%，平均值分别为0.34%、0.18%和0.58%(Isaeva,1967;Cronan et al.,1969;Bezrukov et al.,1974;Seib‐ertz et al.,1979;Skornyakova et al.,1979;Shipboard Scientific Party,1979;Baturin et al.,1988;ISA,2020)。

图2 东北印度洋多金属结核分布特征Fig.2 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the Northeastern Indian Ocean

2.3 西北印度洋

查戈斯-拉克代夫海岭以西，马达加斯加、留尼旺以及毛里求斯岛以北的西北印度洋，分布着阿拉伯海盆、索马里海盆和马斯克林海盆等大型深海地貌单元。以欧文断裂带为西边界、西北印度洋脊为南边界的阿拉伯海盆受到印度河冲积扇的影响，沉积速率较高，地形倾斜，北高南低，是全球生物生产力水平最高的深海盆之一(Singh et al.,2008;余星等，2019;Kumar et al.,2020)。阿拉伯海盆与位于索马里板块内的索马里海盆是古近纪早期卡尔斯伯格脊向两侧海底扩张而形成的共轭深海盆，并广泛受到德干大火成岩省喷发以及印度大陆和欧亚大陆碰撞的影响(Ajay et al.,2008)。而位于最南部的马斯克林海盆的形成开始于白垩纪晚期冈瓦纳大陆内马达加斯加和印度的分离，在距今约61 Ma前大规模海底扩张活动停止(Seton et al.,2012)。

目前在西北印度洋中已发现的多金属结核数量较少，仅34站位，它们零星地散布在阿拉伯海盆、索马里海盆、马斯克林海盆以及西北印度洋脊等地形地貌单位内（图3）(Wiseman et al.,1937;Kalinenko et al.,1962;Shipboard Scientific Party,1964;NIO,1964;1967;Cronan et al.,1969;Willis,1970;Bezru‐kov et al.,1973;1974;Glockhoff,1978;Shnyukov et al.,1984;NOAA,2020;ISA,2010)。在阿拉伯海盆南部海域内用拖网在4790 m水深处获得了超过125 kg的结核样品，这些结核主要为中小型，w(Mn)、w(Fe)为17.25%和13.27%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)分别为0.26%、0.06%和0.81%(Cronan et al.,1969)。在索马里海盆北部靠近西北印度洋脊，水深3460～4092 m的海域内，用海底摄像资料和拖网取样同样证实了存在结核密集分布现象，这几处相邻站位的结核大小差异明显，大者可达10 cm，小者仅约1 cm(NIO,1964;1967)。此区域内仅有的2处具有全样成分数据的站位显示结核的w(Mn)、w(Fe)平均为18.03%和16.66%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)平均较低，分别仅为0.15%、0.08%和0.46%(Shnyukov et al.,1984;ISA,2020)。除以上站位外，其他站位内分布的结核采样量较少或根据海底摄像资料推算出的分布密度较低，而可收集到全样成分数据的样品更是稀少。

图3 西北印度洋多金属结核分布特征Fig.3 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the Northwestern Indian Ocean

2.4 东南印度洋

沿着印度洋扩张速率最快的东南印度洋脊两侧分布的南澳大利亚海盆和澳大利亚-南极洲海盆面积极为广阔，前者位于澳大利亚板块内，后者位于南极洲板块内。东南印度洋海底目前已发现了69处站位存在多金属结核(Ericson et al.,1960;Shipboard Scientific Party,1961;Cronan et al.,1969;Bezrukov et al.,1974;Baturin,1975;Frakes et al.,1977;Frakes,1982;Jones,1978;MNHN,1986;NOAA,2020;ISA,2010)，它们主要分布在南澳大利亚海盆远离东南印度洋脊的深海区域内（图4）。其中，破裂海岭和迪亚曼蒂纳断裂带以南海域分布着被称为“东南印度洋锰铺路面（Southeast Indian Ocean Manganese Pave‐ment，简称SIOMP）”的结核密集分布区，这片沉积速率极低、面积超过90×104km2的区域首先是于1970年通过海底摄像发现的(Kennett et al.,1975;Frakes et al.,1977)。1976～1979年间共有4个航次在此区域内进行了详细的调查研究，连同其他航次的地质取样工作，共发现43处站位赋存有多金属结核，这些结核形态各异，大部分为中小型，部分站位内大型结核较多，其中直径最大者可达10 cm，分布水深为4050～5967 m，平均值为4669 m(Ericson et al.,1960;Shipboard Scientific Party,1961;Bezrukov et al.,1974;Baturin,1975;Frakes et al.,1977;Frakes,1982;Jones,1978;NOAA,2020;ISA,2010)。整个东南印度洋中发现的4处利用拖网取样证实存在多金属结核密集分布的站位均位于SIOMP内，这些站位水深4050～4650 m，平均值为4380 m(Jones,1978;NOAA,2020)。对37处具有全样成分数据站位内数百个结核样品进行统计分析后发现，SIOMP中多金属结核的成分差异明显，w(Mn)、w(Fe)分别为3.70%～25.40%和5.20%～16.45%，平均值为16.63%和11.18%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)分别为0.08%～0.60%、0.04%～0.44%和0.07%～1.15%，平均值分别为0.30%、0.15%和0.58%(Bezrukov et al.,1974;Baturin,1975;Frakes et al.,1977;Frakes,1982;ISA,2010)。

图4 东南印度洋多金属结核分布特征Fig.4 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the Southeastern Indian Ocean

除SIOMP外，东南印度洋其他海域内还发现了26处站位存在多金属结核，它们散布在南澳大利亚海盆、东南印度洋脊、澳大利亚-南极洲海盆以及凯尔盖朗洋底高原侧翼等广袤的区域内，这些站位内未发现结核密集分布现象(Ericson et al.,1960;Cro‐nan et al.,1969;Bezrukov et al.,1974;Baturin,1975;MNHN,1986;NOAA,2020;ISA,2010)。

2.5 西南印度洋

西南印度洋构造地貌单元众多，地形复杂。沿着超慢速扩张的西南印度洋脊两侧分布着马达加斯加海盆、莫桑比克海盆、厄加勒斯海盆、克洛泽海盆和恩德比海盆等利于多金属结核大规模密集分布的大型深水地貌单元。与西北印度洋内结核站位分布极少不同，西南印度洋内目前已发现的结核站位多达118处（图5），也是印度洋内结核密集分布站位发现数量最多的海域，共有17处站位利用拖网取样或海底摄像观测确认了结核存在密集分布现象，西南印度洋内这些结核的分布水深差异极大，最浅处仅564 m，最深可达5865 m，平均水深4112 m(Ship‐board Scientific Party,1958；1961；1963；1964；1979;Ericson et al.,1960;Kalinenko et al.,1962;Kaneps et al.,1964;Cronan et al.,1969;Willis,1970;Bezrukov et al.,1973,1974;MNHN,1973；1975；1979;Baturin,1975;Glockhoff,1978;Leclaire et al.,1979;Leclaire,2003;NOAA,2020;ISA,2010)。

图5 西南印度洋多金属结核分布特征Fig.5 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the Southwestern Indian Ocean

西南印度洋最东侧的马达加斯加海盆和克洛泽海盆都是白垩纪晚期冈瓦纳大陆裂解后开始形成的，这2个海盆与临近的中印度洋海盆西部区域是共轭体(Yatheesh et al.,2019)。马达加斯加海盆和克洛泽海盆不仅是目前西南印度洋内发现多金属结核分布站位最多的地形地貌单元，也是结核密集分布最多的海域。其中，马达加斯加海盆内的结核密集分布现象主要是由海底摄像资料确认的，缺乏全样成分数据。但在马达加斯加海盆西侧边缘，靠近马达加斯加洋底高原的1处站位内，利用拖网获取到目前西南印度洋单站位总质量最大的结核样品。该站位水深4250 m，采集到的结核样品超过300 kg，主要为球状和类球状，平均直径约3.5 cm(MNHN,1979)。该站位多金属结核样品的w(Mn)和w(Fe)平均为15.88%和14.64%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)平均较低，仅分别为0.12%、0.23%和0.21%(Leclaire et al.,1979)。克罗泽海盆内存在着具有全样成分数据的6处结核密集分布站位，它们的分布水深为3900～4840 m，平均水深为4278 m，w(Mn)、w(Fe)分别为6.12%～18.15%、7.58%～20.20%，平均值为14.56%和14.70%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)普遍较低，分别为0.05%～0.18%、0.06%～0.24%和0.16%～0.69%，平均值分别为0.12%、0.18%和0.36%(Leclaire et al.,1979)。

到目前为止，西南印度洋内已发现的多金属结核大多分布在东部海域，在中西部的莫桑比克海盆、厄加勒斯海盆内发现的结核站位相对较少，而恩德比海盆仅在靠近西南印度洋脊的海盆北侧边缘发现2处站位存在结核，这与其广袤的面积、较深的水深以及较低的沉积速率极不相称，出现这种现象的原因可能与该海域内常年恶劣的海况导致海洋地质调查难度较大有关。

3 多金属结核资源潜力评估

根据目前印度洋内除IONF和IOPNRA外已发现的多金属结核的分布情况，本文圈定了面积约为25.6×104～81.3×104km2的5处多金属结核区（图6），它们分别是位于东北印度洋的加斯科因平原结核区（GASN），东南印度洋的南澳大利亚海盆东部结核区（SAEN）和西部结核区（SAWN），以及分布在西南印度洋脊东段两侧的马达加斯加海盆结核区（MADN）和克洛泽海盆结核区（CRON）。中北印度洋除IONF和IOPNRA外的区域以及西北印度洋内，多金属结核调查研究程度较低，已发现的结核分布站位稀少，在目前情况下难以圈定不低于《“区域”内多金属结核探矿和勘探规章》规定面积的海底结核分布区(中国大洋协会办公室，2015)。对于已圈定的这5处海底多金属结核区而言，决定其资源潜力的两大因素是结核的分布密度和主要有用组分的含量。

图6 印度洋各多金属结核区地质、生物和环境特征Fig.6 Geological,biological and environmental characteristics of the polymetallic nodule fields in the Indian Ocean

3.1 各结核区的分布密度

海底多金属结核的分布密度是指单位面积内结核的质量，是衡量区域内结核矿石规模的核心指标(中国大洋矿产资源研究开发协会，1998)。目前在印度洋内圈定的这5处多金属结核区的调查研究程度偏低，各区域内已发现结核的站位为16～33处，其中证实存在结核密集分布现象的站位仅有0～8处（表1）。如此稀少的结核分布信息，难以全面揭示这些区域内多金属结核的分布密度状况。因此，需要借助这些区域的地质、生物和环境等信息进行结核分布密度高低的评估。

表1 印度洋各多金属结核区分布密度评估分值及类型划分Table 1 Assessment scores of the distribution abundance and the classifications of the polymetallic nodule fields in the Indian Ocean

科学界通常认为有利于深海多金属结核密集分布的区域，应具有如下特征(Hein et al.,2013；2014;Petersen et al.,2016)：①水深较深，一般不浅于各海区的碳酸盐补偿深度，地形较为平坦，沉积物沉积速率较低；②表层水体的初级生物生产力适中，底层水体的含氧量充沛且流速适中；③沉积物中存在一定数量生物的扰动。最近的研究工作借助贝叶斯线性回归分析将全球海底多金属结核分布特征及其关键地质、生物和环境参数的大量信息进行网格化融合，以生成机器学习模型，从而进一步量化，揭示出制约海底多金属结核大规模聚集的七大约束条件，这些条件根据重要程度由高到低排列如下(Dutkie‐wicz et al.,2020)：

（1）超低沉积速率（＜0.5 cm/ka）；

（2）底层水中-高含氧量（150～210 mmol/m3）；（3）底质类型以远洋黏土为最佳，其次为钙质软泥；

（4）夏季海洋低表层生产力（＜300 mgC/m2/天）；

（5）低底栖宏生物量（＜1 log mgC/m2）；

（6）水深＞4500 m；

（7）表层沉积物总有机碳含量低（0.3%～0.5%）。

本文将这5处区域的海洋长周期沉积速率、底层水含氧量分布、底质类型、夏季海面平均生物生产力、底栖宏生物量状况、海底地形地貌特征和海底表层沉积物有机碳含量等数据信息（图6）(Seiter et al.,2005;Wei et al.,2010;Dutkiewicz et al.,2015;2017;Lee et al.,2019)，与海底多金属结核大规模聚集的约束条件进行对比研究。本文设定这5处区域的地质、生物和环境属性特征整体符合约束条件时为2分，部分符合条件时为1分，偏离条件较远而呈现出于迥异特征时为0分。将这5处区域属性特征的符合情况与各约束条件的权重系数(Dutkiewicz et al.,2020)相乘后加和，得到各区域多金属结核的分布密度高低评估分值，分值越高,指示区域内结核的整体分布密度越高。从表1中可以看出，这5处区域的结核分布密度评估分值差异明显，GASN和MADN的分值明显高于其他区域，而SAWN分值最低，这也与该区域内已发现16处站位存在结核，却没有1处站位显示结核密集分布现象相一致。5处区域中面积最大的CRON虽然评估分值中等，却已发现8处结核密集分布站位，暗示了该区域内可能存在次级面积的结核高分布密度区，但受限于当前区域内多金属结核的调查研究程度和相对低精度的地质、生物和环境数据，难以进行更精细的划分。因此，本文将评估分值高于5分的GASN和MADN划分为具有结核高分布密度的一类区，其他3处低于4分的区域为相对低分布密度的二类区。

3.2 各结核区的主要有用组分含量

Cu、Co、Ni是深海多金属结核矿石资源中最重要的有用金属，Mn作为结核中通常含量最高的金属，也是未来开发利用的关键有用组分之一(Hein et al.,2014;Petersen et al.,2016)。当前，铜矿、钴矿、镍矿属于中国24种战略性矿产资源的范畴，是满足中国经济和高科技产业发展，需要管理部门制定特殊的政策或措施保障供应安全的矿产类型(陈甲斌等，2020a)。中国目前的铜矿、镍矿和钴矿探明储量仅占全球的3.1%、3.1%和1.5%，锰矿的探明储量也仅占全球的7.1%，家底较为薄弱(陈甲斌等，2020a)。近年来，新一代信息技术、高端装备制造等新兴产业发展快速，导致中国对包括铜矿、镍矿和钴矿等在内的战略性矿产资源的需求维持在高位态势，这给中国相关金属资源的持续性安全供给提出了重大挑战(陈甲斌等，2020b;郭娟等，2021)。随着深海矿产资源开发利用技术装备的蓬勃发展和日益成熟，印度洋各结核区内的Cu、Co、Ni等矿产也许是实现这些关键金属资源供应安全稳定和多元化的重要手段。

印度洋5处多金属结核区内目前已发现具有全样成分数据的站位8～24处，这些结核样品的主要有用组分平均含量差异明显（表2），w(Cu)、w(Co)和w(Ni)分别为0.22%～0.45%、0.14%～0.28%和0.29%～0.77%，w(Cu+Co+Ni)为0.80%～1.32%，w(Mn)为13.47%～20.77%。其中，SAWN内结核样品的Cu+Co+Ni以及Ni、Mn的含量均为最高，GASN内结核样品的Cu+Co+Ni含量次之，但Cu含量最高。其余3处区域结核样品的Cu+Co+Ni含量大幅度降低，Mn含量也远低于SAWN和GASN。因此，将SAWN和GASN划分为主要有用组分高含量的一类区，其余3处区域为主要有用组分相对低含量的二类区。

表2 印度洋各多金属结核区主要有用组分含量及类型划分Table 2 Grade of the valuable metals and the classifications of the polymetallic nodule fields in the Indian Ocean

与同属于印度洋的IONF、以及太平洋CCZ、秘鲁海盆（PB）、库克群岛海域及彭林海盆（CI）等全球重要多金属结核成矿区内的样品成分(Hein et al.,2020)进行比较研究，发现印度洋5处区域内结核样品的主要有用金属中，除Co外，Cu、Ni和Mn的含量普遍偏低（图7）。这5处区域内样品的Co含量较高，均高于同属于印度洋的IONF以及太平洋的PB，与CCZ相当，仅低于主要为水成型的CI。与IONF、CCZ和PB等区域不同，印度洋这5处区域内结核样品的Ni、Cu、Mn等过渡金属的含量低，而Co含量高的特征暗示了这些区域内结核样品的成岩成因组分的供给相对较低，水生成因组分的供给较高(Hein et al.,2014;Kuhn et al.,2017;Hein et al.,2020)。

图7 印度洋多金属结核区与全球结核重要成矿区主要有用组分含量对比Fig.7 Grade of the valuable metals in the polymetallic nodules from the research areas and the highest potential areas of the global ocean

3.3 各结核区资源潜力分类

通过对直接制约海底多金属结核区资源潜力的两大因素，即结核的分布密度和有用组分含量高低的研究，发现在印度洋内圈定的这5处结核区中，GASN无论是结核分布密度还是有用组分含量均为一类高值区，展示出相对最高的资源潜力，因此将其归入高资源潜力区的范畴。GASN和IONF具有相似的地质特征，这2处区域内低程度的变形作用和大量的海山、断层的存在，有利于增高成核物质的供给量，提升结核的分布密度以及主要有用金属的含量(Kuhn et al.,2017;Mukhopadhyay et al.,2018)。MADN和SAWN分别在结核分布密度或有用组分含量一项参数上呈现出一类高值特征，而另一项参数则呈现二类低值特征，因此将这2处区域划分为中等资源潜力区。CRON和SAEN无论是结核分布密度还是有用组分含量均较低，因此划分为低资源潜力区。

目前，印度洋内多金属结核的分布和成分特征更多地展示出了调查研究程度的差异，而非其全面完整的地质特征。科学界对各区域内地质、生物和环境属性特征的掌握也不够充分，缺乏高分辨率的相关数据，制约了人们对这些多金属结核区资源潜力的认知。印度洋内多个海盆形成且接受稳定沉积距今已有数千万年，有充足的时间供结核形成和生长。因此，在本文圈定的5处多金属结核分布区中，尤其是GASN内进一步精确锁定不低于ISA规定面积的海底结核潜力区依旧存在不小的可能性，后续调查研究工作的深入开展将进一步检验和完善资源潜力评估方法，并深入揭示这些区域的详细资源潜力状况。