大洋多金屬結核

大洋多金屬結核,自生於深海底的多金屬礦床。又稱深海錳結核或錳礦球(圖1)、錳礦瘤、錳團塊。以錳和鐵的氧化物和氫氧化物為主要組分,含多種金屬元素如銅、鎳、鈷等,大都以結核狀存在。因其儲量巨大,並在繼續增長,已成為一種巨大的潛在金屬資源。

基本介紹

  • 中文名:大洋多金屬結核
  • 別名:深海錳結核
資源概況,一般特徵,分布,成因探討,推薦書目,

資源概況

世界各大洋底多金屬結核的總儲量各人估計不同,有人估計為30 000億噸。僅太平洋底錳結核的儲量就達17 000億噸,其中含錳4 000億噸、鎳164億噸、銅88億噸、鈷58億噸。亦有人估計太平洋多金屬結核量約為1 000億~2 000億噸。南太平洋多金屬結核的金屬含量較低,只有個別地方銅和鎳的總品位大於1.8%。大西洋和印度洋多金屬結核的經濟評價亦較差。根據同位素測定得出深海多金屬結核的生長速率為平均100萬年幾毫米至幾厘米,估計現仍以每年約1 000萬噸的速率生長。實為取之不竭的“活”礦床。
早在1872~1876年“挑戰者”號進行環球考察時,就已經發現深洋底的多金屬結核。但直至20世紀40年代,深海多金屬結核的調查研究工作進展不大。第二次世界大戰以後,隨著海洋地質學的發展,發現多金屬結核在深海底有著廣泛的分布,通過海底照相和電視等手段又揭示了它們在深海底的賦存狀態,可以成為銅、鎳、鈷等金屬的新來源,從而引起了人們的極大重視。美國、法國、德國、蘇聯、日本和紐西蘭等國都對深海多金屬結核開展了大量的勘查研究工作。70年代,進行了開採試驗。對開採深海多金屬結核可能造成海洋環境污染的問題也進行了研究,並評價了大規模開採的經濟價值。中國從20世紀80年代開始對太平洋北部進行多金屬結核調查,取得了矚目的成果。

一般特徵

深海多金屬結核的形態多樣,但以結核狀最常見,有的還呈殼狀或板狀存在。結核直徑一般為1~20厘米,表面呈土黑色、褐色或棕褐色,密度2~3克/厘米3左右。它的核心由老的結核碎塊、岩屑或生物碎屑組成,碎屑的成分並不影響結核殼層的物質組分,但結核的外形可以顯示出核心碎屑的形狀。殼層在核心的周圍呈環帶狀構造(圖2),但每一殼層並不都是連續不斷的,其厚度也往往不甚均一。
除環帶狀構造外,結核內部還發育有放射狀裂隙和橫向裂隙。組成深海多金屬結核的礦物顆粒非常細小,其中的單相礦物幾乎難以分離,加之其結晶程度較差,不同組分的微晶常常共生在一起,鑑定起來就非常困難,因此,對深海多金屬結核的礦物定名和礦物組分測定方面,仍存在不少問題,說法也不統一。
但構成結核的錳礦物以“10Å水錳礦”(鋇鎂錳礦)、“7Å水錳礦”(鈉水錳礦)、“δ–MnO2”和針鐵礦等較常見,在結核的層間和層內含有黏土礦物和氟石類礦物。根據化學分析,構成深海多金屬結核的主要元素為Mn、Fe、Si、Al、Ca、Mg、Na、K和Ti,次要成分有Ni、Cu、Co等。尚有U、Th、Nb等多种放射性和稀有元素。各大洋多金屬結核中一些金屬元素含量的平均值見表。Mn、Ni、Co、Cu、Mo、Pb等的平均含量比地殼中的平均值高46~274倍,Si、A1、Ca、Mg、Na、K等則趨於分散。Mn、Fe、Co、Cu和Ni等的含量更超過它們各自在海水中濃度的100萬倍以上。深海錳結核中一些金屬的平均含量(%)金屬太平洋印度洋大西洋Mn17.214.913.6Fe11.814.615.5Ni0.630.380.33Co0.360.310.24Cu0.360.170.16在對結核最外殼層分析時,發現接觸海水的光滑的一面含Fe、Co和Pb較高,而被沉積物埋沒的粗糙的一面則富含Mn、Cu、Ni、Mo,內部殼層的成分則比較均一。深海多金屬結核的化學成分因地而異,因而並非所有的深海多金屬結核都有開採價值。

分布

深海多金屬結核在各大洋底均有分布。在北大西洋,由於徑流帶入的泥沙量大,加之大部分海底的水深都小於碳酸鹽補償深度,沉積速率高,不利於結核成長。南大西洋和印度洋就有較多的錳結核產出。富集度高、遠景好和最引人矚目的是太平洋的多金屬結核。在同一大洋的不同部位,結核的富集度也很不均一。深海多金屬結核可以和海洋中所有類型的沉積物共生,但以沉積速率低的紅黏土和矽質軟泥最多見,且都存在於鬆散沉積物內,主要富集於洋底表面的泥–水界面處。

成因探討

自發現深海多金屬結核以來,已從結核的物質來源、搬運方式和生長機制等方面作了廣泛的研究,但至今仍有爭議。早在1877年,當J.默里研究“挑戰者”號的調查成果時,就提出了深海多金屬結核的形成與火山活動所提供的錳和鐵有關。接著又有人提出與熱液以及與生物活動有關的說法。
現在一般認為深海多金屬結核的金屬成分至少有下列幾種來源:
①陸上岩石風化分解出的金屬離子,由河流等帶入海洋後,隨著pH或Eh的變化發生沉澱,鐵在錳之前,因此近岸區生成的結核中鐵比較富集。
②有人認為海底玄武岩的海解作用每年可給海水提供5 000萬噸鐵和80萬噸錳,也有人認為對這種供給源的估計不能太高。
③海底熱液是深海多金屬結核諸元素的重要來源。
形成深海多金屬結核的諸元素有各種搬運和沉澱方式:
①在氧化環境的海水中,錳的氧化物和鐵的氫氧化物形成凝膠體吸附鎳、鈷、銅等緩慢沉澱。
②通過生物活動使金屬元素富集,這些生物的遺體和糞便都可參與深海多金屬結核的形成。
③間隙水中的錳、鐵等元素,當處於氧化–還原界面之下時呈離子狀態運移,當到達氧化–還原界面之上時就發生沉澱,成為多金屬結核諸元素重要來源之一。

推薦書目

王成厚.大洋錳結核.北京:海洋出版社,1982.

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