海洋多金属结核的研究成果

多金属结核也称锰结核。多金属结核主要呈黑色和黑褐色，其中含铁量高者常呈淡红褐色，而富锰者则为金属墨色。结核中的矿物质呈非晶质或隐晶质。

1.多金属结核的成分特征

结核由核心和壳层两大部分物质组成。壳层是主体，它把核心层层包裹起来。结核的核心是很复杂的，可以说，在海洋中几乎所有的质点都可作为核心。

按结核的成因和性质，大致可分为四类：

(1)生物核心

包括鱼类牙齿、生物骨刺、各种浮游生物和底栖生物的化石等。

(2)岩石核心

包括火山岩和沉积岩的岩屑、火山玻璃、黏土、砂粒等。

(3)矿物核心

包括铁锰氧化物(老结核)、钙锰矿、硅铝酸盐矿物(如蒙脱石、沸石、伊利石、石英、长石等)等。

(4)陨石核心

由宇宙空间降落到海洋中的玻璃陨石、铁质陨石和宇宙尘等。

结核是由核心和壳层两大部分物质组成的。壳层是主体，它把核心层包裹起来。

结核的壳层物质是隐晶质，甚至是非晶质，因此用肉眼无法鉴别。通过用上述各种高、精、尖仪器的综合分析，才最终弄清结核壳层的物质构成。结核的壳层主要由锰的氧化物和氢氧化物(简称锰矿物)、铁的氧化物和氢氧化物(简称铁矿物)及硅酸岩矿物(统称脉石矿物)组成。其中锰矿物的种属非常复杂，有20余种，至今还未完全研究清楚，中国大多数文献上只确认了其中3个种属，即钡镁锰矿(todorokite)、水钠锰矿(birnessite)和水羟锰矿(vernadite)。

钡镁锰矿又称为钙锰矿。俄罗斯学者普遍认为，该矿物主要包括布赛尔矿Ⅰ型、布赛尔矿Ⅱ型、铝土矿、混层矿物(包括黏土矿、布赛尔矿混层、布赛尔矿Ⅰ型与Ⅱ型混层等)和钙锰矿。

2.多金属结核的形成

结核的形成时期与沉积物的沉积期是相对应的，那么两者在空间上应该是相对应的。有学者认为，结核之所以始终位于沉积物之上，免受沉积物掩埋之“灾”，可能与生物活动、底层流的作用和沉积物的静压作用有关。

(1)生物活动

洋底鱼类在其活动过程中，免不了与结核接触，特别是结核表面往往附着的一些微生物，是鱼类觅食的对象。当浮游生物推撞结核时，结核就会移动或翻动，其结果是周围的沉积物充填了结核原位的孔穴，使结核置于沉积物表面。当一些底栖爬行动物在结核下部觅食微生物或小型生物时，使结核向上翻动或侧向移动。

爬行动物的动作实际上起了一种楔子作用，当它们向沉积物表面觅食时，有可能碰到结核的底部而将结核向上推动。通过上述生物活动的作用可以推想，结核被扰动后被托置于沉积物之上。事实上，按东太平洋海盆沉积物沉积速率约3mm/ka推算，如果一个直径为3cm的结核被埋，需要一万年时间；假定生物的一次扰动，可使结核上推3mm，那么只要一千年结核被扰动一次，就完全可以使它始终停留在沉积物表面。

(2)底层流的作用

结核形成过程，始终受着南极底层流的作用。底层流具有周期性的变化，当其径流强或受到湍流作用时，可使结核移动，甚至翻动。通过水动力的筛选，促使结核始终保存在沉积物表面。

(3)沉积物的静压作用

沉积物成岩固结过程，受到静压作用，从而产生一股上顶的力量。同时，由于沉积物间隙逐渐缩小，孔隙水被向上挤压，这种挤压力可能促使结核上浮而保存于沉积物表面。

3.多金属结核的分布规律

在世界各个大洋洋底都有结核分布，但是主要集中在20°N～60°N之间。通常，结核在洋底呈三种状态产出，即埋藏型、半埋藏型和露出型。其中，以半埋藏型占主导，其次为露出型，埋藏型相对较少。所谓埋藏型，是指结核全部被表层沉积物掩埋，埋深一般不超过20cm；半埋藏型是指一半埋在沉积物之下，一半与水接触；露出型是指结核置于表层沉积物表面，除底面外全部同海水接触。

上述各类型结核，可经常“三代同堂”，共居一地，但是往往有主次之分，即丘陵区是以菜花状结核为主(以东太平洋海盆的丘陵区最为典型)，其他类型的结核相对较少；海山区以碎屑状结核占优势，次为连生体结核；而杨梅状结核(埋藏型)几乎仅出现于深水盆地区。此外，盆地区还有球状、椭球状和盘状结核等。

4.探测多金属结核的方法

科学家所采用的探测手段大致为下述几种。

(1)地质采样法

地质采样法是指通过各种采样器，把结核直接采上来。地质采样的方法可分为有缆采样和无缆采样两类。其中，有缆采样是通过万米深海绞车和供采样器安全收放的倒L架或A型吊架进行的。钢缆挂着采样器，沉放到海底，插入表层沉积物捕获结核。而后，将结核样品提到船甲板上。

(2)综合地球物理测量法

综合地球物理测量法，包括重力测量、磁力测量、地震测量、测深和多频探测等。前四者是作为间接手段，其所获资料可对结核有关问题进行研究。这里我们仅介绍多频探测。

多频探测是一种快速探测结核丰度和粒度的重要手段。该系统包括MFES-100B多频探测处理系统和声信号调查系统，后者包括3.5kHz浅地层剖面仪和12kHz的精密回声探测仪。这两种测深装置将检测的海底反射信号送到多频探测处理系统中，经过计算机处理后自动打印出结核的丰度数值。多频探测也是一种走航式调查方法，能很好地了解结核大面积分布状况。

(3)直观调查法

直观调查是指使用海底照相、海底电视和载人深潜器等调查手段。这里仅介绍海底照相。海底照相有两种方式：一种是单次照相；另一种是连续照相。单次照相是把照相机挂在具有两个浮球的自返抓斗上，每一次触底只能照一张。由于海况和海洋生物的干扰，单次照相的成功率一般为80%左右。连续海底照相多频探测是一种快速探测结核丰度和粒度的重要手段，也是一种走航式调查方法，能很好地了解结核大面积分布状况。照相设备主要由照相系统、闪光系统、电源系统和控制系统四部分组成，装在一个框架内。作业方式有两种：一种是用声脉冲发生器来判断设备状态，通过万米绞车的操纵台进行操作；另一种是随船漂泊，给定时间，自动拍照。中国“海洋四号”调查船通常是采用前一种方式。每次作业，原理上可拍照数十张，但由于多种因素的影响，不可能百分之百成功，成功率达到50%就算不错。单一式照相的清晰度比连续照相的好。(www.xing528.com)

5.多金属结核的资源量评价和计算

调查和研究结核的目的是圈定出富矿区，为此，必须对矿区结核的赋存情况进行评价。

(1)评价的要素

评价的要素主要有：结核的丰度、品位、含水率和海底地形障碍物。

①结核的丰度。

结核丰度，是指在大洋底1m2内结核的赋存量，它是评价矿床的重要指标之一。资源评价所采用的丰度是每个测站地质采样求得的丰度，而每个测站结核的丰度又是依据该站各种采样求得的丰度平均值。资源量计算中所采用的矿区平均丰度为：

式中，F为结核平均丰度；Fi为矿区内参与矿区平均丰度计算的各测站地质采样丰度；n为参与矿区平均丰度计算的测站数。

②结核的品位。

结核的品位是指结核中铜、钴、镍三种元素含量之和(%)。此外，在资源评价中还要涉及锰元素。为了确保评价的可靠性，对有丰度没有品位的测站，其品位采用矿区平均值代替。采不到结核的测站，不参与平均值计算。资源量计算中结核的平均品位为：

式中，C为矿区结核的平均品位；Ci为矿区内参与结核平均品位计算的各测站结核品位值；n为参与结核平均品位计算的测站数。

③结核的含水率。

结核的含水率愈高，品质愈低；相反，则较好。含水率的测定，通常是在现场进行。当样品采上甲板后，即用海水将其冲洗干净称重，然后将其置于烘箱内，当温度达到105～110℃时再恒温6～8h，后将其置于干燥器内冷却后重新称重，并按下列公式求出各测站的结核含水率：

式中，W为结核含水率(%)；Wt为烘前湿结核量；Wp为烘后干结核量。

结核资源量计算中矿区结核平均含水量为：

式中，W为矿区结核平均含水率；Wi为参与矿区结核平均含水率计算的各测站含水率；n为参与矿区结核平均含水率计算的各测站数。

④海底地形障碍物。

由于结核是分布在海底表层沉积物的表面上，所以海底地形的起伏对采矿有很大的影响。凡是海底地形坡度大于或等于5°的高地、洼地和土力学性质不佳的地区，均不利于结核的开采和回收。计算矿区面积时，都需将它们作为障碍物加以剔除。障碍物的面积是依据海底地形图上圈出的障碍物的长、短边所围成的多边形面积求得。

(2)矿区的技术指标

上述矿区评价要素的具体确定，也是矿区的技术指标。由于各国所圈定矿区的特征，矿产的采、冶技术水平和劳动力状况有别，所以对矿区的技术指标没有统一的标准。

(3)圈定矿区的原则

中国在东太平洋海盆国际海底结核开辟区，圈定结核矿区的原则有：①矿区内结核的平均丰度大于5kg/m2；②矿区内结核的平均品位大于或等于1.8%；③结核矿区内地形的坡度小于5°；④结核矿区内水文气象条件适合开采；⑤结核区内底质的工程地质力学性质适合开采。

(4)资源量的计算方法

在上述的基础上，就可进行结核矿区资源量的计算了。资源量的计算方法有算术平均法、标准差法和克立克法。在不同勘探阶段可适当选择不同的计算方法。在概查和普查阶段，通常用算术平均法即可满足要求。在此仅介绍算术平均法。计算资源的指标包括湿结核量、干结核量、金属(锰、铜、钴、镍)资源量。

湿结核量可利用下式计算：

式中，MM为矿区湿结核量；F为矿区结核平均丰度；S为矿区面积；Fi为矿区内测站结核丰度；n为矿区内测站数。

干结核计算按下式进行：

DM=MM×(1-W)

式中，DM为矿区干结核量；MM为矿区湿结核量；W为矿区结核平均含水率。

金属资源量计算公式：

式中，ME为矿区某金属资源量；DM为矿区干结核量；C为矿区某金属平均含量；Ci为矿区某测站金属含量；n为矿区内测站数。

6.多金属结核资源的利用

哈格里夫斯(Hargreaves)和弗罗姆森(Fromson)在对矿产供应的保证程度的分析中，估算了部分金属的战略重要性。结果表明，在25种战略意义最大的矿产中，锰列第二、钴列第三、铜列第四、镍列第十一。由此可见，结核中上述四种主要金属元素的战略地位是十分重要的。

在世界三大洋中都有结核分布，据统计，海底面积约有15%为结核所覆盖。太平洋、印度洋和大西洋结核覆盖的面积分别为2.3×107km2、1.5×107km2、8.5×106km2。其中以太平洋分布面积最大；太平洋中又以东太平洋海盆CC区(7°N～15°N，西经114°W～158°W)最富集，分布面积达6×106km2，总的结核资源量约1.5×1010t。若按可采率20%计，则能生产出2.1×109t干结核，可供27家公司开采25年。这笔资源量是十分惊人的。在2.1×109t干结核中可获得铜(品位1%)2.1×107t、镍(品位1.3%)2.7×107t、钴(品位0.22%)4.6×106t、锰(品位25%)5.28×108t。

目前，大洋结核资源量巨大，现在每年结核还以1×107t的速度在继续生长着。

开发大洋结核资源，取决于多种因素，诸如国际市场对金属的需求程度、世界经济发展的态势、世界各国(和财团)之间的争夺程度、陆地相应矿床的储量和市场金属价格、有关国际海底环境条例的制定和完善等。