海底富钴结壳-海洋资源与生态环境理论及其问题研究

富钴结壳是一种极为有用的矿产资源。从某种意义上说，富钴结壳甚至比金还有价值。富钴结壳的分布地点与多金属结核不同，后者主要形成于四五千米深的深海盆，前者主要生成在水体较浅的海山区，而且这种海山往往是由黑色玄武岩组成的，富钴结壳本身也呈黑色，因此把富钴结壳比喻为“黑金山”。

1.富钴结壳的分布特点

富钴结壳和多金属结核分布的海域有明显的不同。多金属结核主要分布在水深达5 000m左右的、属国际海域的深海丘陵和深海平原区，而富钴结壳主要生长于水体较浅的、属专属经济区的海山区，其深度一般为800～2 800m。

2.富钴结壳的形态类型

按铁锰壳层与基岩的关系、结壳的基岩性质、结壳的厚薄以及产出形态等不同角度，将富钴结壳分为不同的类型。

(1)按铁锰壳层与基岩之间的关系分类

按铁锰壳层与基岩之间的关系，可将结壳分为三类，即结壳、结核状结壳和钴结核。

①结壳。

结壳是富钴结壳资源的主体类型。洋海盆深水盆地的海山区也偶有分布，但深水区的结壳含钴量较低。富钴结壳的铁锰壳层生长在基岩表面上，主要呈二维方向生长。生长于年龄在2 500万年以上海山区的结壳，通常具有两个生长世代，新老壳层间常为磷钙土充填。富钴结壳的壳层厚度变化较大，可从几厘米到25cm。而生长于100万年以下的海山区的结壳，其赋存量较少，且厚度较薄，结壳仅有一个生长期。年代较老的富钴结壳，钴金属含量较高，如夏威夷和中途岛(轴心线上)、豪兰—贝克群岛、马绍尔群岛等，那里结壳中的钴含量高达0.9%以上。中太平洋海山的结壳中钴含量平均为0.81%，麦哲伦海山区和小笠原群岛的约为0.55%，其他海域含量相对较低，如中国南海和深海盆结壳中钴的含量仅有0.13%左右。

②结核状结壳。

结核状结壳既像结核(有核心)也像结壳(有结壳层)，形态上是结壳和结核之间的过渡产物。深海中的多金属结核，核心很细，壳层较厚；而结核状结壳的核心很大，壳层较薄。还有一个明显的特点是，结核状结壳的核心不像结核那样全被壳层包裹，而是常有部分露出来。结核状结壳的壳层除在顶部生长外，底部、边部都可生长，但壳层发育不完整。结核状结壳主要分布于海山区，与结壳伴生，其金属元素的含量与结壳相似。但在超过4 800m的深水区(如中太平洋海盆CP区和东太平洋海盆CC区)，亦曾采到直径约50cm的结核状结壳。深水区结核状结壳中钴的含量与深水区结壳相似；而在水体较浅海山区的结核状结壳中，钴金属含量较高，与结壳的含量接近。

③钴结核。

金庆焕院士根据麦哲伦海山区的样品，曾将某一类结壳命名为钴结核。钴结核有两种形态：一种为球状；另一种为椭球/橄榄球状。不管其形态如何，它们与深海赋存的多金属结核有明显区别。

a.呈球状的钴结核为黑色或灰黑色，圆度较好，表面粒状，质硬而致密，密度较大。钴结核直径最大为4cm，最小为1cm，平均2cm。钴结核的核心较小且较新鲜，几乎未见到铁锰质交代作用。壳层极为致密，围绕核心生长，具同心层状构造。

b.椭球状/橄榄球状结核的特征与球状者相仿，从垂直钴结核的长轴切面看，岩石核心呈扁平状，肉眼可见壳层分为三层：外层较疏松，厚约1.5cm；中层致密，厚约2cm；内层也较致密，厚1～2cm。绕核心呈同心层状构造。椭球状/橄榄球状结核平均直径约6cm。其钴和铁的含量高于深海盆的结核，而铜和镍的含量较低。

(2)按结壳的基岩性质分类

按结壳的基岩性质分，富钴结壳可分为两大类：即火山基岩型结壳和沉积基岩型结壳。其中以火山岩为生长基岩的富钴结壳质量较优。

①火山基岩型。

富钴结壳的壳层直接生长在火山基岩表面。基岩包括拉斑玄武岩、碱性玄武岩、火山碎屑岩等。

②沉积基岩型。

富钴结壳的壳层生长在泥灰岩、有孔虫砂、砂岩、硅质岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、角砾岩、砂砾岩和磷酸盐岩等的表面。

(3)按铁锰壳层的厚薄分类

按铁锰壳层的厚薄，富钴结壳可分为结膜、结皮和结壳三个类型。

①结膜。

此类型在几乎所有的海山区都有分布。铁锰壳层的厚度为0.1～0.5cm，其基岩可以是火山岩，也可以是沉积岩。由于壳层太薄，它仅具有成矿意义，无经济价值。

②结皮。

铁锰壳层厚0.5～1cm，分布区与结膜同，经济价值不大。

③结壳。

铁锰壳层厚度大于1cm。

3.富钴结壳的矿物组成、有益成分及内部构造

(1)矿物组成

富钴结壳主要由铁锰矿物组成。通常见到的是水羟锰矿(δ-MO2)和针铁矿(FeOOH)，有时见少量钙锰矿。这些矿物极其微小，一般为非晶质或隐晶质。它们往往是钴、镍、铜等金属元素的主要载体。此外，富钴结壳中含有黏土矿物和一些自生矿物，如石英、方解石、蒙脱石和磷灰石等。这些矿物主要分布在壳层之间，有的充填于裂隙内。在两个世代形成的结壳的壳层之间，还常见到碳酸盐和磷酸盐矿物。

(2)有益成分

前已述及富钴结壳的化学组分，在此仅介绍其有益元素品位及其特征。

富钴结壳的品位是评价资源的重要指标，但对其品位标准的确定还未能统一。有的认为：由于富钴结壳中钴金属含量高，且钴的价值又高，故通常将钴的含量作为富钴结壳的品位。俄罗斯的学者认为：除钴外，还应考虑锰和镍元素，即以钴等量，把锰和镍的价格换算成钴等量(钴=1，锰=0.046，镍=0.21)作为富钴结壳的品位；美国学者主张：由于富钴结壳中铂和磷的含量都较高，两个元素的价格变动和其品位的高低，对采矿的内部回收率都有影响，所以进行富钴结壳技术经济评价时，也不能忽视它们。

大洋富钴结壳中的主要金属是指钴、铝、铁、锰、镍、铜、铅和锌等。富钴结壳内钴的平均含量比多金属结核中钴的含量高。各大洋的富钴结壳比较，又以太平洋的含钴最高(0.73%)，大西洋的次之，印度洋的最低。比之其他大洋，太平洋的富钴结壳中铜、镍含量最高。

钴含量的高低对采矿的经济技术评价至关重要，因此人们对钴富集的环境控制因素比较感兴趣，而且至今仍是悬而未决的问题。例如，生长于玄武岩之上的富钴结壳，其含钴量较高，因此有科学家认为：火山活动为钴的富集提供了有利条件。但是当人们分析热液口排出物(含氯化物和氧化物)时，发现其含钴量并不高。有的科学家认为：玄武岩的冷水蚀变提供了钴的来源，可是这种推测不能解释为什么形成于水体较浅海山区富钴结壳中钴的含量比形成于海底较深的玄武岩的要高。

另有一种假说认为：虽然对压力敏感的矿物(水羟锰矿和钙锰矿)会影响钴的增生，但在所有深度上均有水羟锰矿存在，所以钴的含量不应具有明显的差异。还有一些科学家认为：钴元素的高低可能与浮游植物代谢有关。最后，有一些学者认为水中含氧丰富的水域生成的富钴结壳最好(含钴较高)。

总之，富钴结壳中钴的来源和富集的原因还有待进一步探索。

(3)内部构造

宏观上，通常富钴结壳具有三层构造特征：外层往往为褐煤状，中层为多孔状，内层为黑亮、致密层。中层和外层之间，一般无充填物，大致同属一个世代。中层和内层之间经常充填着磷酸盐矿物，两者分别属于不同的生长世代，内层形成年代较早，与下伏基岩直接接触。

内层的铁锰壳层的生长速率较慢，且其含钴量较高；中外层的生长速度较快，其含钴量比内层的低。显然，两者的生成环境是有区别的。

微观上，富钴结壳的内部构造与多金属结核的十分相似。目前有限资料表明：其内部的构造类型有纹层状构造、叠层状构造和柱状构造等。各种类型的构造内的微层，均是由铁锰氧化物微粒呈鳞球状相聚而成。例如，中太平洋海山区的富钴结壳内部的构造微层呈水平状态，微层厚4～10 pm；西太平洋麦哲伦海山区富钴结壳的微层稍厚。(www.xing528.com)

研究富钴结壳内部构造特征，可以洞察结壳形成过程的海洋环境。

4.富钴结壳的勘查设备与勘查方法

(1)勘查设备

勘查设备大致可分为调查船、定位设备、地球物理设备、地质采样设备等。

①调查船。

执行富钴结壳勘查的船只，必须是一艘现代化的、具有先进设备的科学调查船。船上从卫星导航到各种调查设备齐全，适合国际无限航区的综合地质地球物理的科学调查。

②定位设备。

在作业过程中，必须采用能满足调查比例尺所需的综合全球卫星导航系统，以确保满足各个不同勘探阶段精度的要求。

③地球物理调查设备。

包括多波束测量系统、深拖系统、深潜器、地震测量仪、磁力仪和测深仪等。

a.多波束测量系统。这一设备最初是用于军事上的，它能快速、准确地把海底地形测量出来，为潜艇活动提供依据。在富钴结壳的勘查中，多波束测量系统主要用于地形测量，圈出海山范围。目前，中国的“大洋一号”和“海洋四号”科学调查船，均备有新一代多波束测量系统(Seabeam 2112系统)，完全可满足各个勘探阶段地形测量的需要。

b.深拖系统。包括声学拖体和光学拖体。前者通过旁侧声纳扫描和海底剖面仪，可获得精度较高的局部地形图；后者通过电视摄像和照相，获得直观的结壳赋存图像。

c.深潜器。美、日、法等国都拥有此种设备。美国伍兹霍尔海洋研究所的阿尔文号深潜器排水量16t，可潜深度达4 000m，续航72h。美国的Pisces V号深潜器，重18.5t，可深潜至6 000m深度。法国有载人和不载人两种深潜器，均能潜深6 000m。深潜器在各类海洋科学调查中，发挥着越来越重要的作用。在富钴结壳的调查中，也将发挥重要的作用。可惜，中国目前还缺乏这种设备。

d.地震仪。最好采用多道地震仪，用以揭示测区沉积和盖层特征，透声层分布特点及其与地形、构造之间的关系。

e.磁力仪。用海洋磁力仪测量的对象是测区的地壳性质及其特征。

f.测深仪。采用12kHz万米测深仪，可随时获得船位、航迹和测线的水深。

④地质采样设备。

主要包括拖网、多管采样器、电视抓斗、带相机的蚌式抓斗、结壳冲击浅钻和温盐深测量仪(CTD)等。

a.拖网。用于采集富钴结壳和结壳的基岩。

b.多管采样器和箱式采样器。用于采集调查区的表层沉积物，以了解沉积物的特征和沉积环境。

c.柱状采样器。用于采集柱状沉积物，据此研究富钴结壳成矿区的地质历史。

d.电视抓斗。结壳区采样往往比结核区采样困难，风险性较大。采用电视抓斗可以减少采样的盲目性，增加目标的准确性，降低风险，提高采样效率。

e.带相机的蚌式抓斗。用于采集结核、结核状结壳、钴结核和沉积物等。

f.冲击浅钻。用于探测埋藏型结壳和钻采生长于坚硬基岩上的结壳。

g.温盐深测量仪(CTD)。用CTD系统分层采水，了解测区水柱水文要素和金属元素含量变化情况，以便为论述成矿环境提供信息。

(2)勘查方法

富钴结壳勘探方法包括间接的调查方法、直观的调查方法、地质采样法和现场观察/测试等，下面主要介绍现场观察/测试。

现场观察测试的意义在于及时了解富钴结壳特征及其形成的地质环境有关的参数，如富钴结壳的赋存特点、形成世代、基岩特征、是否伴有结核状结壳或钴结核分布、结壳及其伴生的铁锰矿物的物质组成、主要有用金属元素含量、结壳的含水率、密度，每个测站的丰度、伴生沉积物特征、古生物赋存特点、垂直水柱水化学变化规律、水下海山环境的变迁等。

富钴结壳是紧紧地附着在基岩之上的。于是，人们设计了一种较为理想的采矿工具——自动推进采矿运载器(图2-3)。从图2-3可看出，该矿机主要由六部分组成：驱动履带、钻头刀具、水力采掘钻头、分离器、扩散器和提升管。采矿机速度为1km/h，钻头刀具能破碎富钴结壳，并可避免底层可能的移动。水力抽汲装置、耙状机具或机械耙矿机能回收松散的富钴结壳，并把富钴结壳送入重力分选机，然后提升到海面。经初步选矿和提升到采矿船后，再将矿石以矿浆形式由船输送到岸上的加工场地。

图2-3　富钴结壳采矿机

根据富钴结壳与多金属结核不同的赋存特征，为了避免盲目性，提高工作效率，降低调查费用，调查程序原则上是：多波束地形测量—综合地球物理测量—直观调查—地质采样—现场观察测试。在工程的布设方面，应采用下列原则。

第一，在搞清靶区海山的面貌这一实施调查计划的前提下，绘制出二维地形图，然后根据地形地貌特征布置测线和测站。

第二，测线的方向既要考虑垂直构造线方向，又要考虑垂直地形等深线方向，特别要优选地形较为复杂的海山，在靶区布设工程前先用多波束测深扫面，以地形、地貌突出部分或具有多个寄生火山地形作为测线穿越的地段，因为这些地段往往对结壳矿的富集最为有利。

第三，沿测线布设的采样测站，站与站之间不宜等距，而是山坡段采样测站之间的距离应小于平顶山上的距离，且在山坡转折地段要有采样测站的控制。

第四，用拖网采集结壳前必须弄清地形地貌的特征，避免施工的盲目性。作业时，船的拖曳方向必须是从下坡往上坡，拖距约200m。

第五，箱式或多管表层采样的测站应布设在沉积物相对发育地段，如山脚下、缓坡地带或平顶山上。

第六，根据地球物理测量结果的综合分析和带相机蚌式抓斗采样的结果来确定拖网采样的位置。

第七，如何准确控制网具着底点和拖曳方向，是现场操作的难题。其困难之处并非是定位问题，而是诸如航向、航速、风浪、海流和船的性能等因素影响所致。这些因素综合作用的结果，往往导致测点和拖曳地段的偏离。实践证明，为了纠正或减少偏向，宜开动多波束测量系统，在该点局部大比例尺地形图上，随作业过程绘制出航行轨迹。

5.富钴结壳的价值

世界的钴资源主要集中在扎伊尔、赞比亚、俄罗斯、加拿大、古巴、澳大利亚、新喀里多尼亚、阿尔巴尼亚八个国家和地区。全世界陆地钴的储量有限，仅有3.31×106t，其可供开采年限也只有30余年。

富钴结壳的评价指标是丰度(kg/m2)、覆盖率(%)和壳层的厚度(cm)等。富钴结壳的丰度和覆盖率的含义与多金属结核同。通常认为：有经济价值的富钴结壳矿床，其丰度要求达到30kg/m2以上，覆盖率大于50%，结壳厚度大于4cm。另外，要求海山的地形坡度小于10°和海洋气象条件良好。美国科学家提出，未来采矿对结壳的基本要求是：富钴结壳的壳层平均连续厚度为5cm，结壳覆盖率大于60%，地形坡度小于10°，满足这些条件才能使用挖掘型采矿机。根据整个中太平洋结壳资料的统计分析，富钴结壳中钴的含量1.25%的结壳品级，出现的概率为15%。若钴的品位以1.25%定为富钴结壳开采位置的指标，并且其他条件保持不变，一个或更多有潜力的矿场可以支持每年开采1×106t这种品位的钴矿，可约有26年盈利。总之，通过综合经济分析，结壳是值得勘探和开采的，是有利可图的。