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海底资源

人类社会的发展,离不开对各种资源的开发和利用。在陆地资源逐渐枯竭的今天,人们把目光投向了深海大洋。海底世界除了大家耳熟能详的锰结核、深海油气,还有热液矿床,以及当前最炙手可热的天然气水合物。天然气水合合物的储量极为巨大。据估计,把人类已经用掉的和还没有开发石油、煤、天然气加在一起,还赶不上天然气水合物中有机碳总含量的一半。如果这个估计不错,那无疑是人类的福音,因为它很可能将成为新世纪的新能源。

海洋中几乎到处都有生物,但不同的环境,生物群落的种类组成和结构,以及各种群数量、个体大小、形态、生理生化特性等都很不同。海洋生物分布的格局是与海洋环境相互作用、协调进化的。一般常按生活方式将海洋生物分为浮游生物、游泳动物和底栖生物3类。

无游泳能力或游泳能力弱,悬浮于水中随水流移动,包括细菌、浮游植物(如硅藻、甲藻等)和浮游动物(如水母、腹足纲软件动物的翼足类、异足类,许多海洋动物的幼虫等)。多数终生营浮游生活,称为永久性浮游生物;少数种类仅于生活史的某个阶段营浮游生活,称为阶段性浮游生物,如许多海洋动物的幼虫;也有些原非浮游生物,被水流冲荡而出现在浮游生物中,如某些低等甲壳类的介形类、涟虫类等,称为暂时性浮游生物。浮游植物只能生活在有光的水层;浮游动物则不然,有的可以生活在千米以下的深水中,而且多数能在水中作垂直移动。浮游生物一般体重轻(外壳重量轻、体内脂肪含量高,富有黏液)、沉降阻力大(身体相对面积大,体表多刺毛、突起,群体连成片)或者具有纤毛、鞭毛而有一定的运动能力。

指那些具有发达的运动器官而游泳能力强的动物。包括鱼类、哺乳动物(如鲸、海豚、海豹)、爬行动物(如海蛇、海龟)、软件动物(如乌贼、章鱼)和一些大型虾类(如对虾、龙虾)等,它们的游泳能力、速度和方式也有很大差异。有些种类能横跨大洋作长距离的洄游,如金枪鱼等;有的游泳很快,如剑鱼每小时速度达70公里以上。海鳗以整个身体弯曲摆动向前游动,乌贼和章鱼则从漏斗口向外喷射水流以推动身体反向运动。它们有时生活在上层水域(如太平洋鲱鱼),有的生活在中层或底层水域(如小黄鱼、真鲷、牙鲑)。游泳动物除了有发达的游泳器官外,身体大多呈流线型,以减小阻力,提高游泳速度。

生活在海洋水域底部和不能长时间在水中游动的各种生物,包括底栖植物(几乎全部大型藻类和红树等种子植物),底栖动物(海绵、腔肠、环节、线形、软件、甲壳、棘皮、脊椎等门类均有底栖种)。底栖生物按其与底质的关系,又可区分为底上、底内和底游3大生活类型;在岸边还存在潮间带生物。

生活于硬质海底。包括在各种底质上营固着生活(如海葵、水螅、藤壶、牡蛎、柄海鞘)、附着生活(如紫贻贝、附着硅藻、大型藻类)以及匍匐海底(如马粪海胆、刺参和红螺等)的动物。固着生活的动物运动器官退化,但触觉器官发达,被动取食,幼体营浮游生活,靠海流扩大其分布区域。固着或附着在船底、浮标、工厂排污管道、海上石油平台和海上其它设施的生物被称为污损生物(包括微生物、藻类和动物)。它们对交通、军事和生产均有危害。

生活于软质海底。有的分泌黏性物质形成管子或用分泌物黏结沉积颗粒成管子而栖身其中(如巢沙蚕、磷沙蚕等);有的具有发达的挖掘器官,将身体埋于泥沙中(如黄岛长吻柱头虫、中国蛤蜊、文昌鱼等);有的钻木(如船蛆)、凿石(如波纹沟海笋)。

有一定的运动能力,能在水底缓慢地行动(如梭子蟹)。

一类特殊类型的底栖生物。经过长期的进化,底栖生物对潮汐的涨落、海浪的冲击、阳光的暴晒、温度的变化等有很好的适应能力。由于潮间带生态位的差异,生物在潮间带的分布很有规则,群落结构比较清楚。

每当夜幕降临在大海时,人们常常可以看到海面上闪闪烁烁的光芒像一条条火舌。海洋发光主要是由发光细菌引起的。在这些发光细菌的生物体内,有一种荧光素和氧结合、生成氧化荧光素,其化学反应所产生的能量以光的形式释放出来,因此就发出了光。海洋发光细菌多生活在热带和温带海洋中。它们大多是以寄生、共生或腐生的方式生长在鱼、虾、贝、藻等生物体上,为这些鱼、虾、贝等提供了新的光源,使它们更有利于觅食和驱敌。一个瓜水母发出的光可让人在黑暗中看清人的面孔;长腹缥水蚤发的光能力也很强,可以利用它的光在轮船甲板上读报。

除了发光细菌外,许多真菌、甲壳类动物、昆虫以及海鸟等都会发出生物光。在非洲的沼泽上,就有一种会发光的荧乌,其头部长着一层会闪闪发光的硬壳,其亮度相当于两瓦灯泡的亮度,当地居民把这种乌捉来养在鸟笼里,夜行时当手电筒用。

海上水生物发出的光都是“冷光”,在发光的同时,没有辐射热能的消耗,因而生物发光的效率是很高的。普通电灯泡(白炽灯)通电时,灼热的钨丝约把7%-13%的电能变成了可见的光,其余电能成了不可见的光和热。而生物光几乎能将化学能百分之百地转变为可见光,为普通电光源效率的几倍到几十倍。长期以来,人们就巧妙地利用这种生物光为自己造福,比如:渔民们利用海光寻找鱼群,识别暗礁、浅滩、沙洲和冰山等。由于生物光源没有电流不会生磁场,因而人们可以在这种光流的照明下做着消除磁性水雷等工作。随着科学技术的发展,奇妙的生物冷光将进一步为人们所认识。有朝一日大规模应用冷光,各种各样不辐射热的发光墙或冷光发光体会相继诞生,必将引起人们生活领域的一场伟大变革。

海底包括了国际海底区域和部分国家管辖的陆架区(包括法律大陆架)。深海的战略地位根植于其广阔的空间和丰富的资源。深海底资源包括:(1)分布于水深4,000~6,000米海底,富含铜、镍、钴、锰等金属的多金属结核。(2)分布于海底山表面的富钴结壳和分布于大洋中脊和断裂活动带的热液多金属硫化物。(3)生活于深海热液喷口区和海山区的生物群落,因其生存的特殊环境,其保护和利用已引起国际社会的高度重视。(4)现今主要发现于大陆边缘的天然气水合物,其总量换算成甲烷气体约为1.8-2.1X1016m3,大约相当于全世界煤、石油和天然气等总储量的两倍,被认为是一种潜力很大、可供21世纪开发的新型能源。深海将成为21世纪多种自然资源的战略性开发基地,可能形成包括深海采矿业、深海生物技术业、深海技术装备制造业等产业门类的深海产业群。过去几十年来,有关深海底资源的知识迅速发展,不但将显著地增加世界的资源基础,而且有可能为世界未来带来可观的经济收益。新发现的资源大多是在国家管辖范围之外的国际海底,其中一些比任何陆地矿床都更丰富。为此,组织和管理国际海底区域勘探与开发活动的国际海底管理局正致力于有关规章的制订工作。管理局已于2000年通过了国际海底区域内多金属结核探矿和勘探规章,目前正在为多金属硫化物和富钴结壳制定一套类似的探矿和勘探规章。

传统矿产资源是指在深海中发现较早、已经进行工业开采或具备工业开采能力的矿产资源,如深海油气、多金属结核矿物等等。埋藏在海底的石油和天然气,不论其生成环境是否属于海洋环境,都将列入海底石油资源。近四十多年来海上石油勘探工作查明,海底蕴藏着丰富的石油和天然气资源。据1979年统计,世界近海海底已探明的石油可采储量为220亿吨,天然气储量为17万亿立方米,占当年世界石油和天然气探明总可采储量的24%和23%。

海底有石油,这在过去是不大好理解的。自从19世纪末海底发现石油以后,科学家研究了石油生成的理论。在中、新生代,海底板块和大陆板块相挤压,形成许多沉积盆地,在这些盆地形成几千米厚的沉积物。这些沉积物是海洋中的浮游生物的遗体(它们在特定的有利环境中大量繁殖),以及河流从陆地带来的有机质。这些沉积物被沉积的泥沙埋藏在海底,构造运动使盆地岩石变形,形成断块和背斜。伴随着构造运动而发生岩浆活动,产生大量热能,加速有机质转化为石油,并在圈闭中聚集和保存,成为现今的陆架油田。

中国沿海和各岛屿附近海域的海底,蕴藏有丰富的石油和天然气资源。国外有人估计中国近海石油储量约100~250万吨,无疑中国是世界海洋油气资源丰富的国家之一。渤海是中国第一个开发的海底油田。渤海大陆架是华北沉降堆积的中心,大部分发现的新生代沉积物厚达4000米,最厚达7000米。这是很厚的海陆交互层,周围陆上的大量有机质和泥沙沉积其中,渤海的沉积又是在新生代第三纪适于海洋生物繁殖的高温气候下进行的,这对油气的生成极为有利。由于断陷伴随褶皱,产生一系列的背斜带和构造带,形成各种类型的油气藏。东海大陆架宽广,沉积厚度大于200米。外国人认为:东海是世界石油远景最好的地区之一;东海天然气储量潜力可能比石油还要大。

南海大陆架,是一个很大的沉积盆地,新生代地层约2000~3000米,有的达6000~7000米,具有良好的生油和储油岩系。生油岩层厚达1000~4000米,已探明的石油储量为6.4亿吨,天然气储量9800亿立方米,是世界海底石油的富集区。因此,某些外国石油专家认为,南海可能成为另一个波斯湾或北海油田。

海上石油资源开发利用,有着广阔的前景。但是,由于在海上寻找和开采石油的条件与在陆地上不同,技术手段要比陆地上的复杂一些,建设投资比陆地上的高,风险要比陆地上的大,因此,当今世界海洋石油开发活动,绝大多数国家采取了国际合作的方式。中国为了加快海上石油资源开发,明确规定中国拥有石油资源的所有权和管辖权;合作区的海域和资源、产品属中国所有;合作区的海域和面积大小以及选择合作对象,都由中国决定等一系列维护中国主权和利益的条款。合理利用外资和技术,已成为加速海上石油资源开发的重要途径。众所周知,随着世界上工业和经济的高速发展,矿产资源消耗量急剧增加,陆地矿产资源在全球范围内日趋短缺、衰竭。人们唯有把占地球表面积71%以上的海洋,作为未来的矿产来源。

海底矿产海底除了我们前面提到的石油、天然气外,还蕴藏着丰富的金属和非金属矿。至今已发现海底蕴藏的多金属结核矿、磷矿、贵金属和稀有元素砂矿、硫化矿等矿产资源达6000亿吨。若把太平洋底蕴藏的一百六十多亿吨多金属结核矿开采出来,其镍可供全世界使用两万年;钴使用34万年;锰使用18万年;铜使用1000年。更为有趣的是,人们发现海底锰结核矿石(含锰、铁、铜、钴、镍、钛、钒、锆、钼等多种金属)还在不断生长,它决不会因为人类的开采而在将来消失。据美国科学家梅鲁估计:太平洋底的锰结核,以每年1000万吨左右的速度不断生长。假如我们每年仅从太平洋底新生长出来的锰结核中提取金属的话,其中铜可供全世界用三年;钴可用四年;镍可以用一年。锰结核这一大洋深处的“宝石”,是世界上一种取之不尽、用之不竭的宝贵资源,是人类共同的财富。

然而要从四、五千米深的大洋底部采取锰结核,也是一件很不容易的事,一定要有先进的技术才行。目前只有少数几个发达国家能够办到。中国也已基本上具备了开发大洋锰结核的条件,到21世纪,可望实现生产性开采。海洋为人类的生存提供了极为丰富的宝贵资源,只要我们能合理的开发、利用,它将循环不息地为人类所用,取之不尽,用之不竭,是下个世纪人类的重要资源供应地。海洋盆地是各种矿物沉积的来源。除原先已知的矿藏外,新发现的海洋矿物资源包括多金属硫化物,其中铜、锌、银和金含量各不相同。多金属硫化物矿床是数千年来在海底热泉附近积聚而成,海底热泉位于海底活火山山脉各处,而这些火山山脉蔓延全球所有海洋盆地。多金属硫化物矿床还在与火山列岛毗连的地点形成,例如太平洋西部边界沿线的列岛。另一类新发现的海洋矿物资源是富钴结壳。这种矿壳沉积于水下死火山侧面,历时数百万年形成,其矿物来自海水中溶化的金属,而这些金属则是河水和海底热泉提供的。热泉使多金属硫化物沉积集中,同时又使各种金属散布海洋,促进了富钴结壳积聚。不仅如此,热泉还提供了来自地球内部的化学能量,微生物利用这些能量生长。这些微生物处于温泉生命形式生态系统食物链底层,基本无需光能,而陆地食物链的底层植物则需要光能产生光合作用。这些微生物十分重要,是具有工业和医药用途的新的化合物来源。这些微生物也包括原始的生命形式,可能有助于揭开生命起源的奥秘。

可以毫不夸张地说,海洋中几乎有陆地上有的各种资源,而且还有陆地上没有的一些资源。目前人们已经发现的有以下六大类。

1.石油、天然气。据估计,世界石油极限储量1万亿吨,可采储量3000亿吨,其中海底石油1350亿吨;世界天然气储量255~280亿立方米,海洋储量占140亿立方米。上世纪末,海洋石油年产量达30亿吨,占世界石油总产量的50%。我国在临近各海域油气储藏量约40~50亿吨。由于发现丰富的海洋油气资源,我国有可能成为世界五大石油生产国之一。

2.煤、铁等固体矿产。世界许多近岸海底已开采煤铁矿藏。日本海底煤矿开采量占其总产量的30%;智利、英国、加拿大、土耳其也有开采。日本九州附近海底发现了世界上最大的铁矿之一。亚洲一些国家还发现许多海底锡矿。已发现的海底固体矿产有20多种。我国大陆架浅海区广泛分布有铜、煤、硫、磷、石灰石等矿。

3.海滨砂矿。海滨沉积物中有许多贵重矿物,如:含有发射火箭用的固体燃料钛的金红石;含有火箭、飞机外壳用的铌和反应堆及微电路用的钽的独居石;含有核潜艇和核反应堆用的耐高温和耐腐蚀的锆铁矿、锆英石;某些海区还有黄金、白金和银等。我国近海海域也分布有金、锆英石、钛铁矿、独居石、铬尖晶石等经济价值极高的砂矿。

4.多金属结核和富钴锰结壳。多金属结核含有锰、铁、镍、钴、铜等几十种元素。世界海洋3500~6000米深的洋底储藏的多金属结核约有3万亿吨。其中锰的产量可供世界用18000年,镍可用25000年。我国已在太平洋调查200多万平方公里的面积,其中有30多万平方公里为有开采价值的远景矿区,联合国已批准其中15万平方公里的区域分配给我国作为开辟区。富钴锰结壳储藏在300~4000米深的海底,容易开采。美日等国已设计了一些开采系统。5.热液矿藏。是一种含有大量金属的硫化物,海底裂谷喷出的高温岩浆冷却沉积形成,已发现30多处矿床。仅美国在加拉帕戈斯裂谷储量就达2500万吨,开采价值39亿美元。

6.可燃冰。是一种被称为天然气水合物的新型矿物,在低温、高压条件下,由碳氢化合物与水分子组成的冰态固体物质。其能量密度高,杂质少,燃烧后几乎无污染,矿层厚,规模大,分布广,资源丰富。据估计,全球可燃冰的储量是现有石油天然气储量的两倍。在上世纪日本、前苏联、美国均已发现大面积的可燃冰分布区。我国也在南海和东海发现了可燃冰。据测算,仅我国南海的可燃冰资源量就达700亿吨油当量,约相当于我国目前陆上油气资源量总数的1/2。在世界油气资源逐渐枯竭的情况下,可燃冰的发现又为人类带来新的希望。

由于人类对两极海域和广大的深海区还调查得很不够,大洋中还有多少海底矿产人们还难以知晓。

是最重要的传统海洋矿产资源,被人们称为“工业的血液”。随着需求量的急剧增长,能源危机越演越烈。有人甚至提出“石油时代的狼来了!”,但实际上“狼”并没来,因为海底油气资源具有很大的开发潜力。目前海底石油储量占全球总量的45%,天然气占50%。海上总产量占全球总产量约1/3。而且现在海底石油开发的水深和井深越来越大。海底油气的分布新西兰在北岛东岸近海水深1-3Km,发现面积大于4×104km2的BSR分布区。澳大利亚近年在其东部豪勋爵海底高原发现BSR分布面积达8×104km2。巴基斯坦在阿曼湾开展了水会物调查,也取得了进展。加拿大西侧胡安一德赛卡洋中脊斜坡区发现约1800亿油当量的天然气水合物资源量。总之,目前已调查发现并圈定有天然气水合物的地区主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、南海海槽、苏拉威西海、新西兰北岛;东太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亚一俄勒冈滨外、秘鲁海槽;大西洋海域的美国东海岸外布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美东海岸外陆缘、非洲西西海岸海域;印度洋的阿曼海湾;北极的巴伦支海和波弗特海;南极的罗斯海和威德尔海,以及黑海与里海等。目前世界这些海域内有88处直接或间接发现了天然气水合物,其中26处岩心见到天然气水会物,62处见到有天然气水合物地震标志的似海底反射(BSR),许多地方见有生物及碳酸盐结壳标志。据专家估算:在全世界的边缘海、深海槽区及大洋盆地中,目前已发现的水深3000m以内沉积物中天然气水会物中甲烷资源量为2.1×1016m3(2.l万万亿m3)。水合物中甲烷的碳总量相当于全世界已知煤、石油和天然气总量的二倍。可满足人类1000年的需求,其储量之大,分布面积之广,是人类未来不可多得的能源。以上储量的估算尚不包括天然气水合物层之下的游离气体。中国有关海底油气的研究、调查现状,近年来,中国国家领导和中国国土资源部、中国科技部、中国财政部、中国国家计委等部委领导非常重视天然气水合物的调查与研究。首先是对中国管辖海域历年来做过大量的地震勘查资料分析,在冲绳海槽的边坡、南海的北部陆坡、西沙海槽和西沙群岛南坡等处发现了海底天然气水合物存在的似海底地震反射层(BSR)标志。并在对海底天然气水合物的成因、地球化学、地球物理特征、外北采集、资料处理解释、钻孔取样、测井分析、资源评价、海底地质灾害等方面进行了系统的研究,并取得了丰富的资料和大量的数据。

自1984年始,中国地质界对国外有关水会物调查状况及其巨大的资源潜力进行了系统的资料汇集。广州海洋地质调查局的科技人员对80年代早、中期在南海北部陆坡区完成的2万多公里地震资料进行复查,在南海北部陆坡区发现有似海底反射(BSR)显示。根据国土资源部中国地质调查局的安排,广州海洋地质调查局于1999年10十月首次在中国海域南海北部西沙海槽区开展海洋天然气水合物前期试验性调查。完成三条高分辩率地震测线共543.3km。2000年9-11月,广州海洋地质调查局"探宝号"和"海洋四号"调查船在西沙海槽继续开展天然气水含物的调查。共完成高分辩率多道地震1593.39km、多波束海底地形测量703.5km、地球化学采样20个、孔隙水样品18个、气态烃传感器现场快速测定样品33个。获得突破性进展。资料表明:地震剖面上具明显似海底反射界面(BSR)和振幅空白带。"BSR"界面一般位于海底以下300-700m,最浅处约180m。振幅空白带或弱振幅带厚度约80-600m,"BSR"分布面积约2400km'。以地震为主的多学科综合调查表明:海域天然气水合物主要赋存于活动大陆边缘和非活动大陆边缘的深水陆坡区,尤以活动陆缘俯冲带增生楔区、非活动陆缘和陆隆台地断褶区水含物十分发育。根据ODP184航次1144钻井资料揭示,在南海海域东沙群岛东南地区,l百万年以来沉积速率在每百万年400-1200m之间,莺歌海盆地中中新世以来沉积速度很大。资料表明:南海北部和西部陆坡的沉积速率和已发现有丰富天然气水合物资源的美国东海岸外布莱克海台地区类似。南海海域水含物可能赋存的有利部位是:北部陆坡区、西部走滑剪切带、东部板块聚合边缘及南部台槽区。本区具有增生楔型双BSR、槽缘斜坡型BSR、台地型BSR及盆缘斜坡型BSR等四种类型的水合物地震标志BSR构型。从地球化学研究发现南海北部陆坡区和南沙海域,经常存在临震前的卫星热红外增温异常,其温度较周围海域升高5-6℃,特别是南海北部陆坡区,从琼东南开始,经东沙群岛,直到台湾西南一带,多次重复出现增温异常,它可能与海底的天然气水合物及油气有关。综合资料表明:南海陆坡和陆隆区应有丰富的天然气水合物矿藏,估算其总资源量达643.5-772.2亿吨油当量,大约相当于中国陆上和近海石油天然气总资源量的1/2。西沙海槽位于南海北部陆坡区的新生代被动大陆边缘型沉积盆地。新生代最大沉积厚度超过7000m,具断裂活跃。水深大于400m。基于应用国家863研究项目"深水多道高分辨率地震技术"而获得了可靠的天然气水合物存在地震标志:1)在西沙海槽盆北部斜坡和南部台地深度200-700m发现强BSR显示,在部分测线可见到明显的BSR与地层斜交现象。2)振幅异常,BSR上方出现弱振幅或振幅空白带,以层状和块状分布,厚度80-450m。3)BSR波形与海底反射波相比,出现明显的反极性。4)BSR之上的振幅空白带具有明显的速度增大的变化趋势。资料表明:南海北部西沙海槽天然气水合物存在面积大,是一个有利的天然气水合物远景区。

2001年,中国地质调查局在中国财政部的支持下,广州海洋地质调查局继续在南海北部海域进行天然气水合物资源的调查与研究,计划在东沙群岛附近海域开展高分辨率多道地震调查3500km,在西沙海槽区进行沉积物取样及配套的地球化学异常探测35个站位及其他多波束海底地形探测、海底电视摄像与浅层剖面测量等。另据中国台大海洋所及台湾中油公司资料,在台西南增生楔,水深500-2000m处广泛存在BSR,其面积2×104km2。并在台东南海底发现大面积分布的白色天然气水合物赋存区。

1873年,英国“挑战者号”进行首次全球海洋调查,在大西洋采集到一种黑色的球状物。由于它的主要成分是锰和铁,故称之为“锰矿球”。后来发现矿球具有核心,有不断向外生长的纹层,因而改称“锰结核”。近来人们又从中分析出铜、钴、镍、铅、锌、铝和稀土元素等60多种金属成分,因而又称其为“多金属结核”。结核形态各异,大小不等,但以棕黑色、浑圆状居多,直径从不足1毫米到几十厘米,少数达1米以上,特大者重数百千克。

多金属结核多分布在4-6千米水深的海底表层。据估计其储量约有3万亿吨,可采潜力约750亿吨。其中所含锰的总储量是陆地的779倍,铜是36倍,钴5250倍,镍405倍,铁4.3倍,铝75倍,铅33倍。按80年代世界的消耗量计算,可供人类使用数千年至数十万年。由于结核形成于取之不尽的海水胶凝作用,故是一种还在不断增生的资源。每年新增储量1千万吨,其生长速度比人类的消费速度还快!因此,仅此一类矿产就足以使人类产生向大洋进军的强大动力。

富钴结壳产于水深1~3.5千米,顶面平坦、两翼陡峭的海山斜坡上。色黑似煤,质轻性脆,表面呈花蕾似的皮壳状,厚度一般为几毫米至十几厘米。富钴结壳金属钴含量可高达2%,是陆地含钴矿床的20倍;贵金属铂含量也相当于陆上含铂量的80倍。富钴结壳矿床的潜在资源量达10亿吨,总价值超过1千亿美元。因此上世纪80年代以来一直是海洋矿产资源开发的热点。我国于90年代中期也拉开了富钴结壳正式调查的序幕。形成和分布富钴铁锰结壳氧化矿床遍布全球海洋,集中在海山、海脊和海台的斜坡和顶部。数百万年以来,海底洋流扫清了这些洋底的沉积物。这些海山有一些和陆地上的山脉一样大。太平洋约有50000座海山,其富钴结壳贮存量最丰,但经过详细勘测及取样的海山却寥寥无几。大西洋和印度洋的海山要少得多。结壳中的矿物很可能是借细菌活动之助,从周围冰冷的海水中析出沉淀到岩石表面。结壳形成厚度可达25厘米,面积宽达许多平方公里的铺砌层。据估计,大约635万平方公里的海底(占海底面积1.7%)为富钴结壳所覆盖。据此推算,钴总量约为10亿吨。结壳无法在岩石表面为沉积物覆盖之处形成。结壳分布于约400-4,000米水深的海底,多金属结核则分布在4,000-5,000米水深的海底。最厚的结壳钴含量最为丰富,形成于800-2,500米水深的海山外缘阶地及顶部的宽阔鞍状地带上。

结壳一般以每1至3个月一个分子层(即每100万年1至6毫米)的速率增长,是地球上最缓慢的自然过程之一。因此,形成一个厚厚的结壳层可需要多达6,000万年时间。一些结壳有迹象显示,结壳在过去2,000万年经历两个形成期,铁锰增生过程为一层生成于800万-900万年前的中新世的磷钙土所中断。这一层在新、老物质之间的间隔可以为寻找更老、更丰富的矿床提供线索。最低含氧层的矿床较丰的现象,使调查人员将钴的富集部分归因于海水中的低含氧量。根据品位、储量和海洋学等条件,最具开采潜力的结壳矿址位于赤道附近的中太平洋地区,尤其是约翰斯顿岛和美国夏威夷群岛、马绍尔群岛、密克罗尼西亚联邦周围的专属经济区,以及中太平洋国际海底区域。此外,水深较浅地区的结壳的矿物含量比例最高,是开采的一个重要因素。

特点和成分除钴之外,结壳还是其他许多金属和稀土元素的重要潜在来源,如钛、铈、镍、铂、锰、磷、铊、碲、锆、钨、铋和钼。结壳由水羟锰矿(氧化锰)和水纤铁矿(氧化铁)组成。较厚结壳有一定数量的碳磷灰石,大部分结壳含少量石英和长石。结壳钴含量很高,可高达1.7%;在某些海山的大片面积上,结壳的钴平均含量可高达1%。这些钴的含量比陆基钴矿0.1%至0.2%的含量高得多。在钴之后,结壳中最有价值的矿物依次为钛、铈、镍和锆。另外一个重要考虑因素是结壳与其附着生长的基岩在物理性质方面的反差。结壳在各类岩石之上生成,因此使用普通的遥感技术难以区分结壳及其基岩。然而,结壳与基岩的不同之处在于结壳发出高得多的伽马射线。因此在勘查上覆沉积物较薄的结壳以及测量海山上的结壳厚度时,以伽马射线进行遥感可能是有用的工具。未来采矿者在寻找可以开采的结壳时,很可能注意以下一些特点。包括:水深不超过1,000-1,500米,年龄在2,000万年以上的大海山,其顶部没有大环礁或暗礁,所处位置有持续的强烈底流,上覆水体较浅并且为成熟的低氧带,远离大量注入海洋的河流和风生碎屑物。此外,他们要寻找的海底应起伏不大,位于山顶阶地、鞍状地带或隘口,坡度平缓并且当地没有火山活动。钴平均含量至少应为0.8%,结壳平均厚度不低于4厘米。

工业用途富钴结壳所含金属(主要是钴、锰和镍)用于钢材可增加硬度、强度和抗蚀性等特殊性能。在工业化国家,约四分之一至二分之一的钴消耗量用于航天工业,生产超合金。这些金属也在化工和高新技术产业中用于生产光电电池和太阳电池、超导体、高级激光系统、催化剂、燃料电池和强力磁以及切削工具等产品。

迄今为止进行的调查1981年在中太平洋地区第一次对结壳进行系统调查。早期工作由德国、美国、前苏联(后为俄罗斯联邦)、日本、法国、英国、中国和韩国的科研队伍进行。美国、德国、英国和法国已完成野外调查。经过最详尽调查的是赤道太平洋的矿床,主要是多个岛屿国家专属经济区内的矿床。大约42个研究航次(1981年至2001年)调查了太平洋水域的富钴结壳及其他深海矿床,野外和研究工作共花费7000万至1亿美元。日本从1985年起,按照一个为期15年的项目,为南太平洋应用地球科学委员会(SOPAC)的发展中岛屿国家进行了许多上述的调研工作。

将来的勘探和开采为了确定可能比较高产的地区的位置,未来的采矿者首先需要绘制结壳矿床详图和小比例尺海山地貌综合图,包括地震剖面图。一旦确定了取样站,就可以部署拖网、岩芯取样机以及声纳摄像机和视频摄像机,以查明结壳、岩石和沉积物的类别和分布情况。为此需要装备齐全的大型研究船来操作海底声波信标和拖拽设备,并处理大量样品。在较后阶段需要载人潜器或遥控作业系统(ROV)。为进行环境评估,需部署测流计锚定设备和生物取样设备。开采结壳的技术难度大大高于开采多金属结核。采集结核比较容易,因为结核形成于松散沉积物基底之上,而结壳却或松或紧地附着在基岩上。要成功开采结壳,就必须在回收结壳时避免采集过多基岩,否则会大大降低矿石质量。一个可能的结壳回收办法是采用海底爬行采矿机,以水力提升管系统和连接电缆上接水面船只。采矿机上的铰接刀具将结壳碎裂,同时又尽量减少采集基岩数量。已经提出的一些创新系统包括:以水力喷射将结壳与基岩分离;对海山上的结壳进行原地化学沥滤,以声波分离结壳。除日本外,对结壳开采技术的研究和开发有限。尽管提出了各种想法,但这一技术的研究和开发尚在初期阶段。

海山环境需要对海山生物群落的性质进行更多研究,以便积累可靠的依据,就结壳勘探和采矿造成的环境问题提出建议。除了知道其复杂和变化大的特点外,目前对这些群落知之甚少;位于同一深度的两座海山可能有完全不同的生物组成。海山生物群落的组成和特点由流型、地貌、海底沉积物及岩石类型和覆盖面积、海山大小、水深及海水含氧量等因素确定。另外还必须了解海山周围的海流,以便开发适当的采矿设备和技术,并确定被扰动沉积物颗粒和废物的扩散途径。海山阻挡海流流动,产生各种更强的涡流和上升流,从而增加生物的初级生产力。这些海流的影响在海山顶部周围的外缘最为强烈,也正是在这些地方找到最厚的结壳。

经济因素结壳除了钴含量高于深海锰结核之外,其开采之所以被认为有利,是因为高质量的结壳储存在岛屿国家专属经济区内,水深较浅,离海岸设施较近的水域。1970年代后期,特别是在1978年,当时世界上的第一产钴国扎伊尔(现在的刚果民主共和国)境内矿区爆发内战,钴价飙升,人们对结壳的经济潜力有了深刻的认识。由于刚果民主共和国的生产持续下降,到2000年,赞比亚、加拿大和俄罗斯联邦三国总产量占了全球总产量(29,500吨)的一半以上(见图)。

钴和其他许多贱金属一样,现货市场价格在过去30个月里持续下降,从1999年5月每磅20美元以上跌至每磅10美元以下。在历史上,钴价波动较大。在1979年前扎伊尔沙巴省发生动乱期间,钴价在数周之内激增三倍。当时扎伊尔约占全球供应量的一半。现在,钴生产在地域上远没有以前集中。但从中、短期来看,需求仍趋于缺乏价格弹性。只要认为可能出现供应问题,价格仍可能迅速倍增。

钴供应不确定的一个原因是,在扎伊尔和赞比亚这两个主要生产国,钴是铜矿业的副产品。因此,钴的供应量取决于对铜的需求。碲的供应量也是如此。这种不确定性已促使企业寻找其他代用品,因此市场仅略有增长。如果可以为这些金属开发出其他重要来源,这将提供较有力的诱因,在产品中重新使用这些金属,从而增加消耗量。对钴以外的一种或多种结壳富含金属的需求,最终可能成为开采结壳的驱动力。

尽管存在上述的经济和技术不确定因素,但至少有三家公司已经表示有兴趣开采结壳。一些新情况(例如,土地用途优先问题、淡水问题和陆地矿区的环境关切问题)可能会改变经济环境,推动海洋采矿活动。现在人们日益认识到,富钴结壳是一种重要的潜在资源。因此,必须通过研究、勘探和技术开发,填补结壳开采各个方面的信息空白区。

可燃冰组成海底天然气水合物是一种在低温(-10~+100C)和高压(1~9Ma)条件下由气体和水合成的类冰固态物质,具有极强的储载气体的能力,一个单位体积的天然气水合物可储载100~200倍于这个体积的气体储载量。天然气水合物中的有用组分主要为甲烷,此外还含有少量的H2S、CO2、N2和其它烃类气体。

可燃冰分布发育天然气水合物的地点主要分布在北半球,以太平洋边缘海域最多,其次是大西洋西岸。从构造环境来看主要分布大陆边缘:一类是分布在被动大陆边缘的大陆斜坡和坡脚,另一类是分布在活动边缘增生楔发育区。目前已通过钻探发现和根据BSR(海底模拟反射层)推测的天然气水合物地点有57处,其中太平洋25处,印度洋1处,北极海6极,南大洋6处,大西洋17处,湖沼区(黑海、贝加尔湖)2处。但是对占大洋大部分面积的深海洋盆中的天然气水合物分布情况目前还知之甚少。造成这种情况的原因在于目前所从事天然气水合物调查的区域还没有涉足洋盆。

可燃冰形成形成天然气水合物的必要条件包括:富含有机质的沉积物中充有间隙水,深水区的水动力处于滞流状态,存在生物成因的气体或者有从下伏地层进入的热解成因气体,同时具备特定的压力与温度条件。天然气水合物的形成可能有两种成因模式:天然气水合物为先存天然气储集层的一部分,后因温度或孔隙压力的有利而在原地固结转变为气水合物;微生物成因气或热解成因气从下部运移至气水合物稳定带而形成气水合物。

资源潜力与环境问题与常规天然气气田储量相比,海底天然气水合物中潜在天然气资源量极其巨大。根据国际天然气潜力委员会的初步统计,世界各大洋天然气水合物的总量换算成甲烷气体约为1.8-2.1x1016m3,大约相当于全世界煤、石油和天然气等总储量的两倍。被认为是一种潜力很大的、可供21世纪开发的新型能源。另一方面,海底天然气水合物作为潜在地质灾害与全球气候变化的不稳定因素也引起了科学界的高度关注。

“热液硫化物”主要出现在2000米水深的大洋中脊和断裂活动带上,是一种含有铜、锌、铅、金、银等多种元素的重要矿产资源。对于它的生成,海洋科学家们经过实地考察后认为:“热液硫化物”是海水侵入海底裂缝,受地壳深处热源加热,溶解地壳内的多种金属化合物,再从洋底喷出的烟雾状的喷发物冷凝而成的,被形象地称为:“黑烟囱”。这些亿万年前生长在海底的“黑烟囱”不仅能喷“金”吐“银”、形成海底矿藏,具有良好的开发远景。而且很可能和生命起源有关,并具有巨大的生物医药价值。

“黑烟囱”是耸立在海底的硫化堆积物,呈上细下粗的圆筒状,因形似烟囱状,所以被科学家形象地称为“黑烟囱”。它们的直径从数厘米到2米,高度从数厘米到50米不等。位于海底的“黑烟囱”堆积群及其堆积物有点像教堂或庙宇建筑的复杂尖顶,规模较大的堆积物可以达到体育馆体积大小的百万吨以上。专家们认为,海底“黑烟囱”的形成过程很复杂,它与矿液和海水成分、温度间存在的差异有关。由于新生大洋地壳或海底裂谷地壳的温度较高,海水沿裂隙向下渗透可达几公里,在地壳深部加热升温后,淋滤并溶解岩石中的多种金属元素,又沿着裂隙对流上升并喷发在海底。它们刚喷出时为澄清的溶液,与周围的海水混合后,很快变成“黑烟”并在海底及其浅部通道内堆积成硫化物。 目前,科学家已经在各大洋的150多处地方发现了“黑烟囱”区,它们主要集中于新生大洋的地壳上,如大洋中脊和弧后盆地扩张中心的位置。2003年“大洋一号”开展了中国首次专门的海底热液硫化物调查,拉开了进军大洋海底多金属硫化物领域的序幕。经过长期不懈的“追踪”,终于发现了完整的古海底“黑烟囱”,它们的地质年龄初步判断为14.3亿“岁”。此前,这不仅进一步了解了大洋深处海底热液多金属硫化物的分布情况和资源状况,也为地球科学从理论上有一个新的质的飞跃做了铺垫

热液分布目前科学家已经在大洋中脊处发现了许多热液喷发地点。与热液活动相关的热液矿床不仅可出现在洋中脊中央,而且在其两侧,甚至像冲绳海槽这样的边缘海也有发现。此外,在热液区,黑烟囱周围还生活着各类特异的热水生物种群,令人目瞪口呆!


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