大洋深处的宝藏——多金属结核

海洋是地球上神圣的存在。多姿多彩的海底世界、海洋生命和海洋环境以及丰富的海洋矿产资源，无一不令人心驰神往。在有些海洋的约4千米深处，分布着大量的、马铃薯形状的多金属结核。它们已经在这些海域存在了上百万年，并依旧在缓慢地生长。

 

人类发现多金属结核已有150余年。1868年，“索菲亚号”在西伯利亚岸外的北冰洋喀拉海首次发现多金属结核，1872—1876年英国“挑战者号”考察船进行科学考察期间，人们的重要发现之一就是世界大多数海底普遍存在多金属结核。

 

“挑战者”号考察船所用的挖掘器

 

多金属结核的定义

 

多金属结核是分布在大洋海床上的一种自生多金属矿产资源，大小相差悬殊，外形呈结核状，一般由核心及围绕它的壳层构成，其矿物成分主要为铁锰氧化物和氢氧化物。它的核心通常是微生物化石(有孔虫)、磷化的鲨鱼牙齿碎片等碎屑。结核通常富含Mn、Fe、Ni、Cu、Ti、Co等和多种微量元素。剖开来看会发现，结核核心是化石、岩石或者其他结核的碎片，呈同心圆一层层长成，具同心壳层构造。由于目前已发现的绝大多数多金属结核中锰元素占比最高，因此多金属结核又被称为锰结核或铁锰结核。

 

马铃薯大小的锰结核

 

成分与成因

 

多金属结核外表呈暗褐色或黑色，外形呈球状、椭圆状、菜花状等。在形成过程中，由于成矿时间、成矿环境的影响，结核大小相差悬殊，从直径小于1毫米的微结核至直径数十厘米的大结核均可见到。通常，结核埋藏于沉积物中的部分比暴露部分更粗糙。

 

锰结核的形成原理与铁锈的形成类似，需要处于氧化环境中，在金属元素和氧气的共同作用下形成。一个结核的形成往往能追溯到数百万年前，最初以一个鲨鱼牙齿碎片为核心，在大洋底沉积物表层，海水中溶解的金属阳离子(如Fe ²⁺、Mn ²⁺、Co ²⁺、Ni ²⁺)随着时间推移在核心周围沉淀，形成包围核心的壳层。主流观点认为结核的成因主要有两种，一是水成成因，金属成分缓慢从海水中析出，经氧化沉淀在沉积物表面形成结核体，以表面较光滑的暴露型结核为代表，此种结核泥质含量相对较高，低锰(<23%)高铁(>10%),品味低(Cu+Co+Ni含量为1.4%~1.8%)；二是成岩成因，这一过程发生在沉积物中，因压力梯度，沉积物孔隙水中的金属离子上升，一旦到达氧化环境，便会在核心周围发生化学反应形成壳层，这一反应通常位于沉积物下方10~15厘米深度处，以粗糙的埋藏型结核为代表，此种结核锰泥质含量少，锰高(普遍>27%)铁低(一般<7%)，品位通常在2.5%左右。

 

锰结核的小范围分布图和结构示意图

 

锰结核的生长速度非常缓慢，这意味着只有环境在较长的时间尺度上相对稳定，结核才能保持生长。锰结核的生长需要有以下条件：

 

1）悬浮物沉降速率低，从而结核不会被快速覆盖。

 

2）稳定流动的南极底层水(ABW)。ABW是南极海水深3000米之下低温高密度的底层流动水体，该水团可能将结核埋藏需要的细小沉积物颗粒带走，而较粗的颗粒，如小型海洋生物外壳的碎片，可能留下来作为形成结核的新核心。

 

3）良好的氧气供应。例如，ABW将海洋表层富氧水输送至更深的海域，为铁锰氧化物的形成提供氧。

 

4）洋底松软的含水沉积物。沉积物必须能够容纳大量的孔隙水，才可能形成成岩结核。

 

多金属结核的分布与开采价值

 

相较陆地锰矿中的锰元素含量(35%~55%)，锰结核中锰元素含量略低(约24%)，但由于海洋中的锰结核储量大，且它们含有的元素种类更丰富，因此被认为具有巨大的潜在经济价值。

 

锰结核存在于许多海洋区域，广泛分布于3500~6500米的深海平原的松软表层沉积物中，总体位于碳酸盐补偿深度以下。根据前人调查结果，太平洋的多金属结核最为富集，经济价值最高且分布最广泛，而大西洋由于悬浮物沉积速率较高，锰结核不能广泛发育，造成大西洋锰结核含量远低于太平洋与印度洋的储量。大洋深处的锰结核含量要比近海的锰结核含量高出5倍多。从目前已有调查来看，与富钴结壳和多金属硫化物相比，深海多金属结核资源是分布最广泛、资源开采潜力最大、最具经济价值的深海矿产资源，其所含金属都是工业生产上的重要原料。

 

从应用价值角度来说，多金属结核所富含的Co、Mn、Ni等稀有元素都是重要的战略性资源，是生产高品质钢铁产品不可缺少的重要成分，目前被广泛应用于化学工业及高新科技生产中，如生产太阳能电池、超导体、高级激光系统及切削刀具。全球每年Co产量约26%被用于生产航天领域的高级合金。

 

多金属结核的勘探示意图

 

多金属结核蕴藏丰富，经济价值巨大，开发这一战略性资源将推动深海科技产业的发展。目前，人们将多种技术运用于海底多金属结核矿床的勘探。多年来，海底矿产资源的探测、采集和加工技术得到了长足发展，如被广泛运用的多波束回声探测仪、水下机器人、箱式采样技术。

 

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编辑：郭俊丽

校对：张   凡

审核：梁   忠

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