[科普中國(guó)]-海底礦產(chǎn)

簡(jiǎn)介

海洋是人類的巨大寶庫(kù)，蘊(yùn)藏著大量的資源，除海水中氫、氧、氯、鈉、鎂、鈣、鉀、金、鈾、溴、碘等80多種元素外，海底礦產(chǎn)資源亦極為豐富。海灘中的砂礦、磷鈣石和海綠石，深海底的錳結(jié)核和重金屬軟泥以及基巖中的礦脈等統(tǒng)稱為海底礦產(chǎn)。海底錳結(jié)核是著名深海礦產(chǎn)，含錳、鐵、鎳、鈷等20多種元素，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很大。海底金屬軟泥是在洋海底覆蓋著的一層紅棕色沉積物，含有硅、氧化鋁、氧化鐵、錳、鎳、鈷、銅、釩、鉛、鋅、銀、金等。這些未固結(jié)的泥質(zhì)沉積物，不僅具有潛在的經(jīng)濟(jì)意義，在科學(xué)研究上也具有重要價(jià)值2。

世界上海底煤礦開采早在16世紀(jì)就開始了。目前濱海砂礦已進(jìn)行工業(yè)規(guī)模的開采，其他礦產(chǎn)尚處于勘查研究和試驗(yàn)性開采階段。1982年通過(guò)的《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》中規(guī)定：國(guó)際海底區(qū)域(國(guó)家管轄范圍以外的大洋底部)及其資源是人類共同繼承的財(cái)產(chǎn)3。

分布特點(diǎn)及來(lái)源海洋不僅覆蓋著71%的地球表面，也覆蓋著極為豐富的海底礦產(chǎn)資源。洶涌澎湃的海浪，肆無(wú)忌憚地沖擊著犬牙交錯(cuò)的海岸，湍流不息的江河，夜以繼日地搬運(yùn)著大量的泥沙，在海濱形成了豐富的砂礦，有閃閃發(fā)光的金、鉑，有用途廣泛的鐵、鈦、鋯、錫以及那極為貴重的金剛石等。鄰接著海岸的大陸架淺海海域，不僅擁有豐富的生物資源和化學(xué)資源，還埋藏著工業(yè)上不可缺少的煤、金、硫、銅、鎳、磷和石灰?guī)r等礦產(chǎn)資源。而在深海地帶，那里雖有漫漫長(zhǎng)夜，但卻沉積著大量富含錳、鐵、銅、鎳、鈷和其他金屬的錳結(jié)核，以及富含鋅、銅、金、銀的含金屬沉積物，深海底下的巖石中還可能含有汞、鎳、鉻、鉬等礦產(chǎn)4。

按礦床的結(jié)構(gòu)形態(tài)和稟賦狀況分為沉積礦物和基巖礦物(固結(jié)礦物)兩大類。沉積礦物是以地表水體為介質(zhì)，使某些有用物質(zhì)以水溶液或礦物碎屑狀遷移、沉積(聚集)而成的自生或外生礦物。有以礦物碎屑狀沉積的礦砂(機(jī)械沉積)、以膠體溶液或真溶液狀沉積的金屬和非金屬礦床(化學(xué)沉積)、由火山或熱液作用形成的火山沉積礦床以及因蒸發(fā)作用使礦物集中而形成的鹽類礦床等。重要的有濱海砂礦、海底錳結(jié)核、海底多金屬熱液礦床等?；鶐r(固結(jié))礦產(chǎn)是存在于海底松軟沉積物以下巖石中的礦床，主要有海底硫礦、煤、巖鹽、重晶石等。海底礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量巨大，分布在從海岸到大洋的廣泛區(qū)域。據(jù)估計(jì)總儲(chǔ)量達(dá)6000億億噸3。

海底雖然儲(chǔ)藏有豐富的礦產(chǎn)資源，但是由于開采條件所限，目前最具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的要算砂礦，其次是磷鈣石和基巖中的礦產(chǎn)，而錳結(jié)核和含金屬沉積物已在準(zhǔn)備開采之中4。

海底礦產(chǎn)有的分布于沉積物中，有的則埋藏在數(shù)千米深的基巖里。雖然沉積物中的礦產(chǎn)是在現(xiàn)代海洋環(huán)境中形成的，海底基巖中的礦產(chǎn)則形成于不同的地質(zhì)年代，相對(duì)要古老得多，但它們都是在海洋的形成、發(fā)展和演化過(guò)程中，由成礦作用而生成的4。

海洋里形成礦產(chǎn)的作用比較復(fù)雜，來(lái)源的物質(zhì)也是多方面的，既有碎屑礦物沉積，也有海水中溶解元素的沉淀，還有生物有機(jī)體的堆積和海底火山的作用4。

礦產(chǎn)種類簡(jiǎn)介可以毫不夸張地說(shuō)，海洋中幾乎有陸地上有的各種資源，而且還有陸地上沒(méi)有的一些資源。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有以下幾類：

煤鐵等固體礦產(chǎn)世界許多近岸海底已開采煤鐵礦藏。日本海底煤礦開采量占其總產(chǎn)量的30%；智利、英國(guó)、加拿大、土耳其也有開采。日本九州附近海底發(fā)現(xiàn)了世界上最大的鐵礦之一。亞洲一些國(guó)家還發(fā)現(xiàn)許多海底錫礦。已發(fā)現(xiàn)的海底固體礦產(chǎn)有20多種。我國(guó)大陸架淺海區(qū)廣泛分布有銅、煤、硫、磷、石灰石等礦。

海濱砂礦海濱沉積物中有許多貴重礦物，如：含有發(fā)射火箭用的固體燃料鈦的金紅石；含有火箭、飛機(jī)外殼用的鈮和反應(yīng)堆及微電路用的鉭的獨(dú)居石；含有核潛艇和核反應(yīng)堆用的耐高溫和耐腐蝕的鋯鐵礦、鋯英石；某些海區(qū)還有黃金、白金和銀等。我國(guó)近海海域也分布有金、鋯英石、鈦鐵礦、獨(dú)居石、鉻尖晶石等經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高的砂礦。

多金屬結(jié)核、富鈷錳結(jié)核多金屬結(jié)核含有錳、鐵、鎳、鈷、銅等幾十種元素。世界海洋3500～6000米深的洋底儲(chǔ)藏的多金屬結(jié)核約有3萬(wàn)億噸。其中錳的產(chǎn)量可供全世界用18000年，鎳可用25000年。我國(guó)已在太平洋調(diào)查200多萬(wàn)平方千米的面積，其中有30多萬(wàn)平方千米為有開采價(jià)值的遠(yuǎn)景礦區(qū)，聯(lián)合國(guó)已批準(zhǔn)其中15萬(wàn)平方千米的區(qū)域分配給我國(guó)作為開辟區(qū)。富鈷錳結(jié)核儲(chǔ)藏在300～4000米深的海底，容易開采?，F(xiàn)在美、日等國(guó)已設(shè)計(jì)了一些開采系統(tǒng)。

熱液礦藏?zé)嵋旱V藏是一種含有大量金屬的硫化物，海底裂谷噴出的高溫巖漿冷卻沉積形成，已發(fā)現(xiàn)30多處礦床。僅美國(guó)在加拉帕戈斯裂谷儲(chǔ)量就達(dá)2500萬(wàn)噸，開采價(jià)值39億美元。海底熱液礦床是與海底熱泉有關(guān)的一種多金屬硫化物礦床。系海水侵入水深2000至3000米海底裂縫中，被地殼深處熱源加熱后，溶解了地殼內(nèi)的多種金屬化合物，再?gòu)难蟮讎姵?，遇冷海水而凝結(jié)生成的沉淀物。又稱“多金屬軟泥”或“熱液性金屬泥”。含有銅、鉛、鋅、錳、鐵、金、銀等多種金屬。其中金、銀等貴金屬的含量高于錳結(jié)核礦，被稱為“海底金庫(kù)”。分布水深一般為800至2400米。海底熱液礦床的發(fā)現(xiàn)，引起世界各國(guó)的高度重視。專家們普遍認(rèn)為，海底熱液礦是極有開發(fā)價(jià)值的海底礦床。一些深海探查開采技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家紛紛投入巨資研制各種實(shí)用型采礦設(shè)備。我國(guó)也將海洋技術(shù)列為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)之一。

可燃冰是一種被稱為天然氣水合物的新型礦物，在低溫、高壓條件下，由碳?xì)浠衔锱c水分子組成的冰態(tài)固體物質(zhì)。其能量密度高，雜質(zhì)少，燃燒后幾乎無(wú)污染，礦層厚，規(guī)模大，分布廣，資源豐富。據(jù)估計(jì)，全球可燃冰的儲(chǔ)量是現(xiàn)有石油天然氣儲(chǔ)量的兩倍。在上世紀(jì)日本、前蘇聯(lián)、美國(guó)均已發(fā)現(xiàn)大面積的可燃冰分布區(qū)。我國(guó)也在南海和東海發(fā)現(xiàn)了可燃冰。據(jù)測(cè)算，僅我國(guó)南海的可燃冰資源量就達(dá)700億噸油當(dāng)量，約相當(dāng)于我國(guó)目前陸上油氣資源量總數(shù)的1/2。在世界油氣資源逐漸枯竭的情況下，可燃冰的發(fā)現(xiàn)又為人類帶來(lái)新的希望。

由于人類對(duì)兩極海域和廣大的深海區(qū)還調(diào)查得很不夠，大洋中還有多少海底礦產(chǎn)人們還難以知曉。

幾種主要海底礦產(chǎn)介紹濱海砂礦我國(guó)海濱砂礦資源主要有鈦鐵礦、鋯英石、獨(dú)居石、金紅石、磷釔礦、鈮袒鐵礦、玻璃砂礦等共十幾種，此外還發(fā)現(xiàn)了鉆石和砷鉑礦顆粒。海濱砂礦主要可分為8個(gè)成礦帶，如海南島東部海濱帶、粵西南海濱帶、雷州半島東部海濱帶、粵閩海濱帶、山東半島海濱帶、遼東半島海濱帶、廣西海濱帶和臺(tái)灣北部及西部海濱帶等。特別是廣東海濱砂礦資源非常豐富，其儲(chǔ)量在全國(guó)居首位。

海濱地區(qū)形成豐富的海濱砂礦，又稱濱海砂礦。是結(jié)晶巖風(fēng)化后被河流、冰川等搬運(yùn)至河口或海濱，又經(jīng)波浪、海流、潮流等水動(dòng)力分選作用，使某些重礦物在一定地段富集而形成的礦床，分布很廣，儲(chǔ)量也較大，礦種多，含有金、鉑、金剛石、金紅石、鋯石、鈦鐵礦、獨(dú)居石、錫石、石榴石、磁鐵礦、磷釔礦、鈮鐵礦、鉭鐵礦、鉻鐵礦、石英等幾十種有用礦物，其中經(jīng)濟(jì)和開采價(jià)值較多的有20多種。砂礦開采已有多年歷史， 比較著名的有：阿拉斯加海灘上的金、鉑，西南非洲沿岸的金剛石，印度尼西亞勿里洞島、邦加群島和泰國(guó)普吉島近海的沙錫，澳大利亞?wèn)|海岸的金紅石、鋯石、獨(dú)居石，美國(guó)佛羅里達(dá)海灘的鈦鐵礦等。我國(guó)也是世界上海濱砂礦種類較多的國(guó)家之一5。

濱海砂礦的開采方法有多種，通常是根據(jù)砂礦區(qū)所在的水深和礦層特點(diǎn)來(lái)選擇的。目前普遍采用的主要有：①鋼索法，利用鋼索一端系以1～10立方米的大容積采砂器放到海底進(jìn)行抓采。采砂器安有制動(dòng)裝置，在投放之前使之張開，當(dāng)其楔入砂層時(shí)即自行咬閉，采得礦砂，再由卷?yè)P(yáng)機(jī)提升到船上，這種采礦法的設(shè)備、操作簡(jiǎn)單，適用于不同水深環(huán)境，且具不受海底地形限制，靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，但有不能連續(xù)作業(yè)和采礦回收率低的缺點(diǎn)。②鏈斗法，在采砂船前部的梯狀支架上裝掛數(shù)十個(gè)采礦鏈斗，由船上鏈輪帶動(dòng)鏈斗，放入海底進(jìn)行連續(xù)挖礦并傳到船上，倒入儲(chǔ)砂庫(kù)。此采礦法的生產(chǎn)率和回采率都較高，且成本低，適于50米水深以內(nèi)的平坦海底作業(yè)。③吸礦法，利用船上的大馬力(幾百～幾千馬力)漿泵通過(guò)幾十厘米直徑的吸管把砂和水吸到船上。在開采半膠結(jié)的砂層時(shí)，可在吸管頭裝配高壓噴水嘴或旋轉(zhuǎn)刮刀以提高開采效率。此采礦法可在50米水深作業(yè)，具有成本低，效率高的優(yōu)點(diǎn)。④潛水采礦法，用專門設(shè)計(jì)的潛水型采礦機(jī)潛到海底作業(yè)。采礦機(jī)所需的氧氣和動(dòng)力由陸上或輔助船供給，用旋轉(zhuǎn)挖頭攪動(dòng)海底砂層，通過(guò)直徑30厘米的管道把砂、水吸送到海面。此采礦法可在70米水深的海底作業(yè)，具有自動(dòng)化和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，特別適于風(fēng)浪、海流強(qiáng)烈的海區(qū)采礦，但目前僅在少數(shù)國(guó)家試用6。

大洋錳結(jié)核礦物1873年，英國(guó)海洋學(xué)家在北大西洋采集洋底沉積物時(shí)發(fā)現(xiàn)一種類似卵石般的團(tuán)塊，經(jīng)過(guò)化驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)這種團(tuán)塊幾乎全由純凈的氧化錳和氧化鐵組成。此后，他們相繼在太平洋、印度洋的各深海區(qū)都獲取了這樣的團(tuán)塊。這就是錳結(jié)核。錳結(jié)核是一種深海海底自生的錳礦產(chǎn)。主要成分為錳和鐵的氧化物和氫氧化物，含銅、鎳、鈷等多種金屬元素，廣泛分布于太平洋、大西洋和印度洋水深4至6千米的海底，一般呈球狀或橢圓球狀或塊狀，直徑1至20厘米。世界洋底的錳結(jié)核總量約3萬(wàn)多億噸，其中太平洋底最多，約1.7萬(wàn)億噸，含錳4000億噸、鎳164億噸、銅88億噸、鈷58億噸。這些儲(chǔ)量相當(dāng)于目前陸地錳儲(chǔ)量的400多倍，鎳儲(chǔ)量的1000多倍，銅儲(chǔ)量的88倍，鈷儲(chǔ)量的5000多倍。按現(xiàn)在世界年消耗量計(jì)，這些礦產(chǎn)夠人類消費(fèi)數(shù)千甚至數(shù)萬(wàn)年。更重要的是這種卵狀礦物還在不斷生長(zhǎng)。太平洋底的錳結(jié)核以每年1000萬(wàn)噸左右的速度生長(zhǎng)，一年的產(chǎn)量就可供全世界用上幾年。上個(gè)世紀(jì)70年代，國(guó)際上出現(xiàn)錳結(jié)核開發(fā)熱。隨著勘探技術(shù)和開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)錳結(jié)核的開采將形成新興的海洋礦產(chǎn)業(yè)。1978年，美國(guó)根據(jù)多年的考察、探測(cè)結(jié)果，綜合了大量的研究資料，正式出版了《海底沉積物和錳結(jié)核公布圖》，使世界各國(guó)對(duì)各大洋特別是太平洋海域的錳結(jié)核情況有了一個(gè)較全面、正確的了解。我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)70年代也開展了大洋海底資源勘查活動(dòng)，并制定了大洋錳結(jié)核資源調(diào)查開發(fā)研究計(jì)劃，在太平洋CC區(qū)選出可供采礦作業(yè)的結(jié)核礦區(qū)30萬(wàn)平方公里。1991年聯(lián)合國(guó)國(guó)際海底管理局和國(guó)際海洋法法庭批準(zhǔn)中國(guó)獲得15萬(wàn)平方公里的國(guó)際海底礦區(qū)優(yōu)先開采權(quán)。

大洋錳結(jié)核這一巨大的潛在礦產(chǎn)，廣泛分布于世界的洋底。由于其形態(tài)和成分上的特征各異，人們通常又把它稱為錳結(jié)核、錳團(tuán)塊、錳礦球或錳瘤等。它人多產(chǎn)于海底表層，賦存的海域主要為水深3000～5000米的深海平原、海溝、海谷、海底火山和群島附近。錳結(jié)核礦的最大特點(diǎn)是蘊(yùn)藏量巨大，所含的稀貴金屬銅、鈷、鎳又多。僅就太平洋海域而言，據(jù)梅洛和梅納德估計(jì)；其蘊(yùn)藏量達(dá)16000多億噸，約含錳2000多億噸，銅50多億噸，鎳90多億噸，鈷30億噸，相當(dāng)于陸地礦山中儲(chǔ)有銅的50倍，錳的200倍，鎳的600倍，鈷的3000倍。如果考慮到大洋錳結(jié)核礦如此大的儲(chǔ)量，而且還在繼續(xù)增長(zhǎng)，可以毫不夸張地說(shuō)，深海大洋錳結(jié)核礦是人類“用之不竭的資源”。