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大洋多金属结核及其调查研究

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多金属结核,又称锰结核、铁锰结核、锰矿球或锰矿瘤,是指产在深海大洋底富含锰、铁、铜、镍及钴等多种金属的结核状自生氧化物和氢氧化物。1872~1876年间英国海洋考察船“挑战者(H.M.B.Challenger)”号作环球考察时,于1873年2月18日,在大西洋加那利群岛的费鲁岛西南300 km处海底首次采集到锰结核。并根据其产状和成分,提出了 “火山成因说” 和 “生物成因说”。

第二次世界大战后,美国学者梅罗(Mero)分析和估算世界大洋多金属结核(以下简称结核)的储量为30000×108t,指出结核具有巨大资源远景,其中以太平洋最富,有16500×108t(锰2000亿t,镍90亿t,铜50亿t和钴30亿t),自此,美、苏、法、德、英、日等国争相开展太平洋结核资源的调查和研究,先后出现了结核成因的 “水成说” 和“成岩作用说”。

我国自70年代中期开始进行太平洋多金属结核资源的调查和研究。1982年4月30日通过《联合国海洋法公约》规定“区域(即国际海底) 及其资源是人类的共同继承财富”。为了维护我国海洋权益,1983年由国家海洋局在中太平洋进行试验性调查。1985~1990年,国家海洋局和地质矿产部利用“向阳红十六号”“向阳红九号”和“海洋四号”调查船,在太平洋中部和东部进行了结核资源的调查,面积超过200万km2,同时地质矿产部组织8个研究单位开展了19个课题综合基础地质和勘查技术的科学研究。在上述调查和研究的基础上,1990年8月22日,中国向联合国递交了《中华人民共和国政府要求将中国大洋矿产资源研究开发协会登记为先驱投资者》的申请书。1991年4月24日,中国大洋矿产资源研究开发协会正式成立。1991年8月28日,联合国秘书长向我国代表颁发了《先驱投资者》证书,自此中国成为继印度、苏联、日本和法国后的第5个深海采矿先驱投资者,在东太平洋获得15万km2面积的开辟区。“八五”期间,中国大洋协会继续利用“向阳红九号”“海洋四号”和“大洋 一号”调查船,在中国开辟区进行了4个航次调查,最后两个航次调查中利用了多波束回声探测仪、深拖系统以及中国自制的6000 m自治水下机器人,详细绘制了中国开辟区地形和结核的产状和丰度,同时开展了基础地质研究。

我国的多金属结核资源调查和研究起步较晚,但是经过各方努力,不仅获得了 “先驱投资者”矿区,而且在科学研究上取得了重大进展,其主要标志是先后出版了综合调查报告5部、《多金属结核综合研究》系列书10部,系统、全面地探讨了结核的地球化学特征、形成环境和分布规律以及成因成矿模式。

现已确定结核的壳层含有锰矿物、铁矿物和其他杂质矿物40余种;核心内含有氟石等自生矿物和碎屑矿物20种。主要锰矿物是水羟锰矿、钙锰矿和水钠锰矿; 铁矿物有四方纤铁矿、六方纤铁矿、针铁矿和纤铁矿,将东太平洋结核中富集的30多种元素用聚类分析法分为Fe元素组或水成元素组、Mn元素组或成岩成因元素组、生物成因元素组、岩成碎屑元素组以及热液成因元素组,其中Mn、Fe、Co、Ni、Cu及Ti和稀土元素可作为结核成因的判别标志。研究表明,大洋底层水和沉积物孔隙水中富含Mn、Fe、Cu、Co、Ni、Pb、Zn等成矿元素,表明结核的成矿元素主要来自上覆底层水和下伏沉积物。结核的形成和分布受到海洋水深、地形、沉积物、生物生产力、火山作用及海流等环境因素的控制和影响,大量统计和对比分析表明,东太平洋富Cu、Ni的结核主要生长和分布于碳酸盐补偿深度4900 m以深的深海丘陵和深海平原的硅质粘土及硅质软泥分布区,这些地区火山活动和底层水流动较强烈。结核和沉积物的生物地层学和同位素年代学及古海洋学的研究结果表明,结核的生长史可与该区古海洋演化史作对比,结核一般具有1~3个生长期和1~2个生长间断期,其生长期大致对应于南极底层水活动和沉积间断发育或沉积速率缓慢的时期,结核的第1生长期是始新世晚期至早中新世早期,第2生长期是中中新世至晚中新世,第3生长期是上新世至第四纪。据此,先后引入或提出了结核的 “构造层”、“振荡式生长”、“断续生长”和“事件沉积物”等概念。

结核成矿作用的物理化学过程的模拟实验,证实了大洋水介质pH值的变化控制和影响着Mn、Fe的分离、迁移和沉淀过程以及MnO2胶体对Cu 、Co和Ni等元素的吸附强度; 微生物成矿作用的模拟实验也验证了铁细菌和锰细菌等微生物的生物化学作用和生态演替。改变了介质的pH和Eh值,促进了铁和锰分离,成矿物质的沉淀-溶解-再沉淀作用,从而证实了结核的生长机制除有胶体化学和氧化作用外,还可能有生物化学作用。再者,在结核中还发现了纳米级微生物化 石—— 太 平 洋 螺 球 孢 菌 (Spirisosphaerospora pacifica) 和中华微放线菌(Miniactionmgces chinesis),它们分别构成了粗糙型结核和光滑型结核,据此,提出了结核是“生物岩” 的概念和生物—化学二元成矿说。

多金属结核不仅有巨大资源远景,而且其生长和分布受到各种海洋地质环境因素及事件的控制和影响。因此,对它们分布规律和成因的研究,不仅对资源调查有实用意义,而且对古海洋学和海洋成矿理论的研究有重要科学意义。目前,国内外对多金属结核主要从以下几方面进行深入研究: 利用高精度测试手段研究结核的微观构造和微量组分分布特征; 利用地球化学手段探讨海洋中物质循环过程; 利用地层学、地球化学和海洋学手段研究和复原古海洋环境和事件; 利用深拖系统和潜水器等现场观测设备在海底就地观察研究海底环境参数、地形、生态和结核的赋存状态,以查明结核的分布规律和成因。

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