大洋多金属结核

深海底的多金属矿床

大洋多金属结核，自生于深海底的多金属矿床。又称深海锰结核或锰矿球（图1）、锰矿瘤、锰团块。以锰和铁的氧化物和氢氧化物为主要组分，含多种金属元素如铜、镍、钴等，大都以结核状存在。因其储量巨大，并在继续增长，已成为一种巨大的潜在金属资源。

资源概况

世界各大洋底多金属结核的总储量各人估计不同，有人估计为30 000亿吨。仅太平洋底锰结核的储量就达17 000亿吨，其中含锰4 000亿吨、镍164亿吨、铜88亿吨、钴58亿吨。亦有人估计太平洋多金属结核量约为1 000亿～2 000亿吨。南太平洋多金属结核的金属含量较低，只有个别地方铜和镍的总品位大于1.8％。大西洋和印度洋多金属结核的经济评价亦较差。根据同位素测定得出深海多金属结核的生长速率为平均100万年几毫米至几厘米，估计现仍以每年约1 000万吨的速率生长。实为取之不竭的“活”矿床。

早在1872～1876年“挑战者”号进行环球考察时，就已经发现深洋底的多金属结核。但直至20世纪40年代，深海多金属结核的调查研究工作进展不大。第二次世界大战以后，随着海洋地质学的发展，发现多金属结核在深海底有着广泛的分布，通过海底照相和电视等手段又揭示了它们在深海底的赋存状态，可以成为铜、镍、钴等金属的新来源，从而引起了人们的极大重视。美国、法国、德国、苏联、日本和新西兰等国都对深海多金属结核开展了大量的勘查研究工作。70年代，进行了开采试验。对开采深海多金属结核可能造成海洋环境污染的问题也进行了研究，并评价了大规模开采的经济价值。中国从20世纪80年代开始对太平洋北部进行多金属结核调查，取得了瞩目的成果。

一般特征

深海多金属结核的形态多样，但以结核状最常见，有的还呈壳状或板状存在。结核直径一般为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。它的核心由老的结核碎块、岩屑或生物碎屑组成，碎屑的成分并不影响结核壳层的物质组分，但结核的外形可以显示出核心碎屑的形状。壳层在核心的周围呈环带状构造(图2)，但每一壳层并不都是连续不断的，其厚度也往往不甚均一。

除环带状构造外，结核内部还发育有放射状裂隙和横向裂隙。组成深海多金属结核的矿物颗粒非常细小，其中的单相矿物几乎难以分离，加之其结晶程度较差，不同组分的微晶常常共生在一起，鉴定起来就非常困难，因此，对深海多金属结核的矿物定名和矿物组分测定方面，仍存在不少问题，说法也不统一。

但构成结核的锰矿物以“10Å水锰矿”(钡镁锰矿)、“7Å水锰矿”(钠水锰矿)、“δ–MnO2”和针铁矿等较常见，在结核的层间和层内含有黏土矿物和氟石类矿物。根据化学分析，构成深海多金属结核的主要元素为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。各大洋多金属结核中一些金属元素含量的平均值见表。Mn、Ni、Co、Cu、Mo、Pb等的平均含量比地壳中的平均值高46～274倍，Si、A1、Ca、Mg、Na、K等则趋于分散。Mn、Fe、Co、Cu和Ni等的含量更超过它们各自在海水中浓度的100万倍以上。深海锰结核中一些金属的平均含量(％)金属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在对结核最外壳层分析时，发现接触海水的光滑的一面含Fe、Co和Pb较高，而被沉积物埋没的粗糙的一面则富含Mn、Cu、Ni、Mo，内部壳层的成分则比较均一。深海多金属结核的化学成分因地而异，因而并非所有的深海多金属结核都有开采价值。

分布

深海多金属结核在各大洋底均有分布。在北大西洋，由于径流带入的泥沙量大，加之大部分海底的水深都小于碳酸盐补偿深度，沉积速率高，不利于结核成长。南大西洋和印度洋就有较多的锰结核产出。富集度高、远景好和最引人瞩目的是太平洋的多金属结核。在同一大洋的不同部位，结核的富集度也很不均一。深海多金属结核可以和海洋中所有类型的沉积物共生，但以沉积速率低的红黏土和硅质软泥最多见，且都存在于松散沉积物内，主要富集于洋底表面的泥–水界面处。

成因探讨

自发现深海多金属结核以来，已从结核的物质来源、搬运方式和生长机制等方面作了广泛的研究，但至今仍有争议。早在1877年，当J．默里研究“挑战者”号的调查成果时，就提出了深海多金属结核的形成与火山活动所提供的锰和铁有关。接着又有人提出与热液以及与生物活动有关的说法。

现在一般认为深海多金属结核的金属成分至少有下列几种来源：

①陆上岩石风化分解出的金属离子，由河流等带入海洋后，随着pH或Eh的变化发生沉淀，铁在锰之前，因此近岸区生成的结核中铁比较富集。

②有人认为海底玄武岩的海解作用每年可给海水提供5 000万吨铁和80万吨锰，也有人认为对这种供给源的估计不能太高。

③海底热液是深海多金属结核诸元素的重要来源。

形成深海多金属结核的诸元素有各种搬运和沉淀方式：

①在氧化环境的海水中，锰的氧化物和铁的氢氧化物形成凝胶体吸附镍、钴、铜等缓慢沉淀。

②通过生物活动使金属元素富集，这些生物的遗体和粪便都可参与深海多金属结核的形成。

③间隙水中的锰、铁等元素，当处于氧化–还原界面之下时呈离子状态运移，当到达氧化–还原界面之上时就发生沉淀，成为多金属结核诸元素重要来源之一。

推荐书目

王成厚.大洋锰结核.北京:海洋出版社,1982.