尋找海底的黑色“寶藏”

韋振權

黑色“寶藏”的真身

多金屬結核是一種具有特殊成因的海底礦產資源，主要賦存在大陸架、大陸坡及深海盆地的海底沉積物表面之上，賦存水深可達6000米。多金屬結核也是大洋中最早被發現而且研究時間最長的深海固體礦產。1872—1876年間，英國的挑戰者號調查船在環球考查中首次在太平洋深海底部發現了多金屬結核。在隨后開展的調查中，人們發現世界大多數海洋底部普遍分布著多金屬結核（圖①）。

不同形狀的多金屬結核

多金屬結核主要呈黑色和黑褐色，其形狀有碎屑狀、球狀、橢球狀、楊梅狀、菜花狀等（圖②），粒徑大小為0.5～25厘米。多金屬結核是由核心和殼層兩大部分組成，作為主體的殼層將核心包裹起來。殼層主要由錳的氧化物和氫氧化物、鐵的氧化物和氫氧化物及硅酸巖礦物三大部分組成。核心則通常為魚牙、生物骨刺、生物化石、巖石碎屑、黏土、礦物等。

多金屬結核的主要元素有錳、鐵、鎳、鈷、銅等，并含有金、銀、鉑、鉬等多種伴生元素，在太平洋、印度洋和大西洋都有分布，但很不均勻。東太平洋海盆內克拉里昂-克利帕頓斷裂帶之間的區域（CC區）是公認的多金屬結核最為富集和潛在經濟價值最高的海區，包括中國在內的眾多國家都在該區域申請了多金屬結核勘探合同區（圖③）。據估算，全球大洋底部多金屬結核資源總量約為3萬億噸，僅太平洋就約有1.7萬億噸，多金屬結核被認為可能是海底分布最廣、儲量最大的金屬礦產資源。

富鈷結殼是繼多金屬結核資源之后被發現的又一深海沉積固體礦產資源，主要分布于海山、島嶼斜坡和海底高地上，水深范圍一般為1000～3500米。富鈷結殼在太平洋、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、中太平洋海山區。

富鈷結殼通常為黑色，按形態可分為板狀結殼、礫狀結殼和鈷結核3種類型（圖④）。富鈷結殼富含鈷、鎳、銅、鉛、鋅等金屬元素以及稀土元素和鉑族元素，其中鈷含量尤為顯著，可達2%，是陸地原生礦鈷含量的20倍以上。最新研究表明，全球三大洋海山鈷結殼分布面積約為300萬平方千米，資源量約為1000～2000億噸，具有巨大潛在經濟價值和戰略意義。

東太平洋多金屬結核富集海區及各國勘探臺同區位置

不同類型的富鈷結殼

源源不斷生長的海底財富

多金屬結核和富鈷結殼的成礦物質最直接來源是海水或沉積物中的孔隙水（圖⑤），而海水中的初始成礦物質的來源主要有兩種：一種是來自地球本身，地球內部的成礦物質可以通過海底火山作用進入海水，而地表巖石中的成礦物質則在風化作用下通過河流和風運方式進入海洋;另一種是來自外太空的隕石，這些隕石直接降落或經由陸地風化作用間接進入海洋。海水中的成礦物質在特定的物理化學條件下在大洋盆地的沉積物表面或海山巖石表面沉淀，并慢慢累積形成多金屬結核和富鈷結殼的雛形—微結核和鐵錳結膜。隨著時間的推移，微結核和鐵錳結膜不斷生長，最終長成各種形狀的多金屬結核和厚達20～30厘米的富鈷結殼。

多金屬結核和富鈷結殼形成模式示意圖

總體而言，這兩種海底礦產的生長過程是極其緩慢的。例如，富鈷結殼平均每100萬年一般僅能生長幾毫米。目前發現的最老的富鈷結殼的年齡大約是7000萬年，位于太平洋的馬紹爾海山區和萊恩海山區。因此，只要環境適宜且時間足夠長，多金屬結核和富鈷結殼就會源源不斷地生長。

應用廣泛的礦產資源

鈷的用途

多金屬結核和富鈷結殼所富含的錳、鈷、鎳、銅等金屬礦產資源，都是重要的戰略性資源，廣泛應用于化學工業及高新科技生產中。例如，鈷消費與應用的傳統領域主要有電池材料、超級耐熱合金、工具鋼、硬質合金、磁性材料等;以化合物形式消費的鈷主要用作催化劑、干燥劑、試劑、顏料與染料等。鈷-60是一種廣為使用的放射性材料，在生物化學中廣泛用于活化分析;在電鍍、腐蝕和催化中被用于示蹤研究;在醫療中被用于放射檢查與治療。而鎳具有很好的可塑性、耐腐蝕性和磁性等性能，因此主要被用于鋼鐵、鎳基合金、電鍍及電池等領域，廣泛用于飛機、雷達等各種軍工制造業、民用機械制造業和電鍍工業等。錳在鋼鐵工業中主要用于鋼的脫硫和脫氧;也用作合金的添加料，以提高鋼的強度、硬度、彈性極限、耐磨性和耐腐蝕性等;在高合金鋼中，還用作奧氏體化合元素，用于煉制不銹鋼、特殊合金鋼、不銹鋼焊條等。

隨著國際經濟和政治形勢日趨復雜，作為戰略性資源儲備，許多國家對大洋多金屬結核和富鈷結殼礦產資源的勘探和開采開展了全方位的研究。隨著世界經濟和科學技術的飛速發展，陸地礦產資源日益減少，人類已經把關注的目光聚焦在埋藏于深海大洋之下的多金屬結核和富鈷結殼資源。

中國大洋礦產資源研究開發協會富鉆結殼勘探合同區

中國的海底“探寶”之旅

與美俄等發達國家相比，中國的大洋礦產資源調查工作起步較晚。中國從20世紀80年代開始，在國際海底區域開展系統的多金屬結核資源調查，并于1991年成為繼蘇聯、日本、法國、印度之后的第5個先驅投資者。2001年5月，中國大洋協會與國際海底管理局簽訂了為期15年的多金屬結核《勘探合同》，自此中國在東北太平洋CC區獲得了7.5萬平方千米、擁有專屬勘探權和優先開采權的多金屬結核合同區（圖⑦），拓展了中國的戰略資源儲備。2014年4月，中國大洋協會又與國際海底管理局正式簽訂了國際海底富鈷結殼礦區勘探合同（圖⑧）。富鈷結殼勘探合同的簽訂標志著中國富鈷結殼資源調查工作重點將從探礦階段轉向一般勘探階段，工作區域從大范圍的海山區轉向局部區域的礦塊。經過多年來對大洋的多航次調查，中國在太平洋共成功申請了兩個多金屬結核勘探合同區和一個富鈷結殼勘探合同區，進一步維護了中國在國際海底區域的權益，為經濟建設提供了資源儲備基地。

與此同時，經過多年勘探實踐，中國大洋礦產勘探技術方法與手段得到顯著提升，中國自主研制的蛟龍號載人潛水器（HOV）和海馬號無人遙控潛水器（ROV）（圖⑨、⑩）等高精尖裝備在大洋礦產資源勘探中得到了常態化應用。

中國大洋礦產資源研究開發協會多金屬結核勘探合同區

例如在大洋37航次調查中，蛟龍號在中國富鈷結殼合同區多次實現長距離、大落差海底作業，創造了單潛次水下航行5000米，作業高度差1100米和地質樣品取樣高達124千克的新紀錄，充分展示了其卓越的深海作業能力。而海馬號已連續3年應用于富鈷結殼勘探合同區的資源探測中，經過科技不斷的創新升級，初步形成了基于ROV的作業平臺，集高清光學視像、高頻聲學厚度探測、鉆機等多種取樣工具為一體，適用于富鈷結殼精細探測的技術方法體系。隨著HOV和ROV在大洋礦產資源勘探中的廣泛應用，勘探效率和勘探精度得到了顯著提高，與之相配套的近海底觀測裝置也有了長足的發展。

（本文得到中國地質調查局項目DD20191009和DD20190629的支持）