唤醒“沉睡”的海底矿产 - 海洋地质资源

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文图/苏德辰(中国地质科学院地质研究所)

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5月13日,在广东深圳海域,重达1.5万吨的恩平20-4海上钻采平台进行了动力定位浮托安装。它是恩平油田群的重要组成部分,油田群全面投产后,将进一步加快新油田开发建设步伐,助力中国海洋石油、天然气(统称油气)产能建设再提速!

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除了海底油气资源之外,海洋里还有哪些矿产资源?它们又是如何形成的?这些资源对人类有哪些用途呢?

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海底的矿产藏在了哪里?

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海底矿产资源是现代和地质历史时期地质作用的结果,包括海底油气资源、海滨砂矿资源、天然气水合物(即可燃冰,详见《知识就是力量》杂志2021年6月刊)、多金属结核、富钴结壳等。

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地球表面70.8%以上被海洋覆盖,水深大于200米的深海区域占据地球总面积的60%。陆地上大部分已被发现的矿产资源,也同样富集在海底沉积物和岩石中,有些矿产资源甚至是海洋独有的。

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由于数百米甚至数千米的海水阻隔,绝大多数海底矿产还处在沉睡状态。而且,海底矿产的勘探和开采技术条件异常复杂,环境风险和开发成本远大于陆地。目前,人类开采、利用较多的海底矿产资源就是海底油气资源。

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滨海砂矿资源:

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陆地带给海洋的“礼物”

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当我们在新闻里看到飞机高飞远航时,可能想不到,用在飞机发动机上的材料——钛合金,与海洋有着千丝万缕的联系。这是因为,提取金属钛的重要原料——钛铁矿,主要来自滨海砂矿。

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岩石是由矿物构成的。陆地上的岩石,历经漫长的风化作用,慢慢解体、破碎,河流将这些碎屑带到海里,经过海浪、潮流、潮汐的进一步分解和“层层筛选”,相对密度较大的“重矿物”在特定位置富集起来,就形成了滨海砂矿。

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除了钛铁矿之外,地球上已经探明的滨海砂矿资源还包括金、铂、锡、钍、锆、石英砂、金刚石等。

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其貌不扬的黑色宝藏

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——多金属结核

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在深海沉积物上面,常散落着一些质地坚硬的椭球状黑色或褐色的金属球,它们被称为多金属结核。多金属结核曾被称为锰结核、铁锰结核等。

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有些多金属结核“皮肤”很平滑,貌似鸡蛋或土豆;也有些“皮肤”很粗糙、凹凸不平,貌似葡萄或菜花。别看它们其貌不扬,却含有锰、铁、镍、钴、铜等30多种稀土元素或金属元素,可谓黑色宝藏!

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多金属结核有一个或多个核心,核心可能是岩石碎屑,也可能是海洋生物遗骨。锰、铁等金属元素的氧化物围绕着核心,一层层沉淀。这个过程仿佛滚雪球一样,越滚越大,最终形成了大小不等的多金属结核。只不过这个过程极漫长,要以百万年为单位。

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那么,海洋里的锰、铁等金属元素从何而来呢?一是陆地或岛屿上的岩石风化释放出来的;二是火山或岩浆喷发产生的熔岩和大量气体,与海水相互作用被萃取出来的;三是海洋生物死亡后,分解释放出的;四是空气尘埃中的元素。

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多金属结核中含有丰富的锰、铁、镍等金属元素。其中,锰和铁是钢铁工业的重要原料,广泛用于电池生产和航天航空领域;而镍主要用于生产不锈钢和各种抗腐蚀合金。

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奇形怪状的珍贵资源

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——富钴结壳

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在海下400~4000米的海山、海脊斜坡和顶部,有一种外形与多金属结核迥异的矿产资源——富钴结壳,它是层壳状的,但也有少数是球状、盘状或瘤状的。它的“肤色”与多金属结核类似,都是黑色或黑褐色的。

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钴主要用于生产各种耐热、耐磨和耐腐蚀的合金材料和永磁材料。富钴结壳中钴的含量高达2%,此外还含有铁、锰、锌等几十种金属元素。但富钴结壳长得非常慢,可以说是地球上最缓慢的自然过程之一,有人估算,10厘米厚的结壳层,需要约6000万年。

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关于富钴结壳的形成过程和机理尚无定论,多数学者认为是水成成因,即铁、锰等金属元素源于海水,结壳沉积可能是纯粹的胶体化学沉淀过程。

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海底热液硫化物:

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海底的“黑烟囱”

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在洋中脊上有一种热液喷口,会喷出黑色的烟,人们形象地称其为“黑烟囱”。不过它冒出来的不是“烟”,而是温度高达350~450摄氏度的热液,其中黑色的物质是硫化物“粉尘”。

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一小部分硫化物“粉尘”从出口边缘依次固结形成“黑烟囱”。“黑烟囱”破碎倒塌,就会形成块状矿。剩下一部分硫化物“粉尘”则在“烟囱”周边的海底沉积下来,形成软泥矿。其沉积速度很快,一年就能增长几厘米。它们就是海底热液硫化物。

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海底热液硫化物大多出现在大洋板块扩张的洋中脊,与洋壳下活跃的岩浆活动有关。也有人认为是海水侵入海底裂缝,受洋壳下的热源加热,溶解洋壳内的多种金属化合物,再从洋底喷出而成的。热液硫化物中富含铜、锌、铅、金与银等金属元素,而且很可能和生命起源有关,具有良好的开发远景。

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海洋深处还有很多“沉睡”的矿产资源等待人类去发现和开发,但它们并不是取之不尽用之不竭的。珍惜海底矿产资源,合理开发与应用,是人类共同的责任!

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