——多金属结核和富钴结壳

　　◎  李子斌

　　深海多金属结核，又称为锰结核、铁锰结核，因为其形态为一层层的同心圆结核状，所以得名结核。

　　结核大多生长于沉积速率较低的深海海盆中，水深约为4000米～6000米，主要以半埋藏的状态分布于海底沉积物之上。它是最早被发现的深海矿产，同时也是研究时间最多的深海矿产。多金属结核是富含铁、锰、镍、钴、铜等多种元素的固体矿产，并且资源量巨大，可高出陆地相应资源量的上千倍。全球多金属结核的总储量可达到30000亿吨，经济价值极高，是一种海底分布极广，储量极大的矿产资源。

　　深海富钴结壳，又称为铁锰结壳或多金属结壳。结壳大多以“壳状”的形态生长于大洋深处的硬质基岩上。结壳大多生长在海山及其侧翼和深海高原以及岛屿斜坡上，水深约为800米~2500米。结壳富含的元素与结核相似，富含锰、钴、铂、镍、铅、金、钛、铈等，其中以钴、铂元素的含量较为突出，分别可达2.5％和2×10-6，所以得名为富钴结壳。富钴结壳所富含的钴、铂元素为陆地上较为稀缺的元素，因此它也成为仅次于多金属结核后的另一种具有巨大经济价值的深海矿产。最新的研究指出，三大洋海山结壳分布面积为3039452.14平方千米 ，干结壳资源量为（1081.1661～2162.3322）×108吨。

　　多金属结核、富钴结壳的形态和特征

　　多金属结核大多为球状和椭圆状，也有板状、菜花状以及盘状等（图1a）。表面光滑或粗糙，其尺寸多在3厘米～7厘米，主要颜色为褐黑、黑色。铁锰结核主要由核心以及外部壳层两部分组成，它是以核心为中心，围绕该中心以同心圆的形式一层层生长变大（图1c）。结核核心的物质组成有生物以及岩石碎屑，粘土矿物，老的结核结壳等等。外部壳层的成分总体上为铁锰氧化物和少部分黏土矿物。

　　富钴结壳多为灰黑色或褐黑色，表面形态多种多样有光滑状、砂粒状、凹槽状以及蜂巢状等；其产出形态主要有板状、砾状以及钴结核三种类型。其中以板状结壳为主，板状结壳一般以连片的形式分布于坡度较大的海底斜坡区；砾状结壳多产于其核心岩石的剥落处；钴结核多以小的球状形态分布在海山坡脚以及海山顶部的浅水区。根据结壳壳层厚度的不同结壳可被分为三种类型，其中壳层厚度为0.1厘米~0.5厘米的为结膜，壳层0.5厘米~1厘米的为结皮，大于1厘米的为结核。

　　结壳与结核类似，同样也由核心和外部壳层组成，其核心主要为老的结壳碎块、黏土物质以及岩石碎屑。壳层主要成分为铁锰的氧化物和氢氧化物；由于受到形成环境和次生作用的影响，结壳的壳层内部会发育多种构造。

　　图1 锰结核样品（a－俯视图；b-侧视图；c-内部层理）

　　多金属结核和富钴结壳的分布

　　多金属结核在全球范围分布广泛，其在大洋的覆盖面积约为54×106平方千米。其中分布面积最大的是在太平洋可达23×106平方千米。多金属结核虽然在太平洋、印度洋、大西洋和北冰洋均有分布，但是分布在太平洋区域的结核品位较高，是最富有经济价值的。在太平洋上，结核的分布主要呈带状，其中主要集中在4个区即东太平洋海盆、中太平洋海盆、南太平洋海盆和东南太平洋海盆（秘鲁海盆），位于东太平洋海盆内克拉里昂、克利帕顿断裂带之间的CC区（Clarion-Clipperton Zone, CCZ）是结核最富集和最有经济价值的海区。

　　富钴结壳在全球四大洋均有分布，其中以太平洋居多。西太平洋和中太平洋的海山区是富钴结壳的主要产出区，具体包括麦哲伦海山区、马尔库斯-威克海山区、马绍尔海山区、中太平洋海山区、夏威夷海岭、莱恩海山区等大型海山链。

　　多金属结核和富钴结壳的成因

　　结核和结壳的初始元素来源主要有地幔物质、海底岩石的水岩反应海底热液活动，陆源物质以及一些地外宇宙降落的尘埃和陨石。另外一些有机质可能源于一些海洋藻类浮游生物甚至是陆源高等植物等。海底底层水以及沉积物间隙水则是这些物质的主要运输介质。

　　结核和结壳的成因较为复杂，古海洋生物生产力、陆源物质输入、碳酸盐补偿深度、区域构造和火山活动、物理化学因素、海底地形，海底基岩类型和海底洋流等都会影响到其形成和分布。结核结壳的具体成因目前还存在争议，但是就目前的研究来看，大致可以归为4种，即有水成、成岩、热液以及上述方式混合成因。其中，以水成成因为主，海水中本身就有溶解态的铁和锰，在深海最低含氧带以下，这些溶解态的铁锰会转化为胶体状的水合氧化物，由于胶体带有电荷，于是便会大量吸附周围水体中的物质，形成结核和结壳最初的原始单元，并在合适的水体环境中慢慢积累，一层层生长形成最终的铁锰结核和结壳。

　　结核和结壳的古海洋古气候意义

　　除了具有重要经济价值，多金属结核和富钴结壳同样具有地质研究意义，特别是在古海洋和古气候方面。由于结核和结壳形成于古海洋和古沉积环境中，所以它会记录大量古代沉积环境、气候环境的信息。结核结壳中的铅、钕、铪、锇等放射性同位素，能够提供风化机制和海洋环流信息，从而有利于研究古海洋与古气候。如前人利用发现于马里亚纳海沟附近的结壳中Nd同位素，研究早中新世以来北太平洋西部深水环流的变化，发现由于印尼海道的关闭使得印度洋与太平洋的表层水体与中层水体的交换逐渐停止。另外还有许多古环境古气候方面的研究进展得益于结核和结壳。

　　多金属结核和富钴结壳的勘探与经济意义

　　在19世纪，英国的科考船“挑战者”号在大西洋加纳利群岛的法劳岛附近海域海底采集到一种褐黑色结核状物质，这是人们第一次接触并认识多金属结核。但是由于受到技术条件的限制其研究一直未能得到进展，直到20世纪60年代美国开始对其展开了系统的研究，主要包括美国地质调查局（USGS）、斯克利普斯海洋研究所等。1978年，美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地质研究所编制了海底沉积物和多金属结核分布图；之后不久，前苏联、日本、法国等国家也相继开展调查研究，并在CC区申请了结核的开采权。2011年起，英国、比利时、汤加等国家也申请获得了多金属结核矿区。截至2013年底多金属结核矿区承包者数量增加至12个。我国对于结核的勘探始于20世纪80年代，2001年，我国向国际海底管理局提出申请，并获得了东北太平洋 CC 区15年的多金属结核勘探权和优先开采权，拓展了我国的战略资源储备。

　　富钴结壳的发现和研究比结核相对较晚，人们第一次发现结壳是1948年美国斯普里普斯海洋研究所在太平洋进行海底山脉调查的时候。真正的系统研究始于20世纪80年代，首先是由德国的“太阳号”科考船开始的，之后美国、日本、前苏联，以及法国都投入了大量精力，积极开展调查。目前，中国、日本、俄罗斯、巴西、韩国等国家，已成功和国际海底管理局申请了矿区并获得核准。总体上美国等发达国家由于技术优势，目前在勘探领域保持领先地位。

　　结核和结壳富含高品位的镍、铜、锰、钴、钼、锂、稀土和镓等多种元素，这些元素是工业生产所必需的，是重要的深海战略性矿产资源。例如，钴、锰、镍等是生产钢铁产品必需的元素，包括高级激光系统及切削工具、太阳能电池、超导体等以及其他化学工业和高新科技产品。生产航天领域高级合金则需要大量的钴，世界每年要消耗约36900吨的钴，并且仍以每年4%左右的速度递增。可见结核和结壳是有着巨大经济价值和勘探开发意义的矿产资源。

　　依托项目：陆海统筹基础地质调查成果融合表达关键技术（项目编号DD20230416）

　　（作者单位：中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心）