[科普中國(guó)]-富鈷結(jié)殼

又稱鈷結(jié)殼、鐵錳結(jié)殼。生長(zhǎng)在海底巖石或巖屑表面的皮殼狀鐵錳氧化物和氫氧化物。因富含鈷，名富鈷結(jié)殼。表面呈腎狀或鮞狀或瘤狀，黑色、黑褐色，斷面構(gòu)造呈層紋狀、有時(shí)也呈樹(shù)枝狀，結(jié)殼厚05～6厘米，平均2厘米左右，厚者可達(dá)10～15厘米。構(gòu)成結(jié)殼的鐵錳礦物主要為二氧化錳和針鐵礦。其中，含錳2.47%、鈷0.90%、鎳0.5%、銅0.06%（平均值）、稀土元素總量很高，很可能成為戰(zhàn)略金屬鈷、稀土元素和貴金屬鉑的重要資源。

簡(jiǎn)介產(chǎn)地主要產(chǎn)在水深800～3000米的海山和海臺(tái)頂部和斜面上，其賴以生長(zhǎng)的基質(zhì)有玄武巖、玻質(zhì)碎屑玄武巖及蒙脫石巖。主要生長(zhǎng)期可能是10百萬(wàn)年前和16～19百萬(wàn)年前的兩個(gè)世代，生長(zhǎng)速率為27～48毫米/百萬(wàn)年。在太平洋天皇海嶺、中太平洋海山群、馬紹爾群島海嶺、夏威夷海嶺、麥哲倫海山、吉爾伯特海嶺、萊恩群島海嶺、馬克薩斯海臺(tái)等地都有發(fā)現(xiàn)，其資源遠(yuǎn)景巨大。

形成分布富鈷鐵錳結(jié)殼氧化礦床遍布全球海洋，集中在海山、海脊和海臺(tái)的斜坡和頂部。數(shù)百萬(wàn)年以來(lái)，海底洋流掃清了這些洋底的沉積物。這些海山有一些和陸地上的山脈一樣大。太平洋約有50000座海山，其富鈷結(jié)殼貯存量最豐，但經(jīng)過(guò)詳細(xì)勘測(cè)及取樣的海山卻寥寥無(wú)幾。大西洋和印度洋的海山要少得多。

結(jié)殼中的礦物很可能是借細(xì)菌活動(dòng)之助，從周?chē)涞暮Ｋ形龀龀恋淼綆r石表面。結(jié)殼形成厚度可達(dá)25厘米，面積寬達(dá)許多平方公里的鋪砌層。據(jù)估計(jì)，大約635萬(wàn)平方公里的海底(占海底面積1.7%)為富鈷結(jié)殼所覆蓋。據(jù)此推算，鈷總量約為10億噸。

結(jié)殼無(wú)法在巖石表面為沉積物覆蓋之處形成。結(jié)殼分布于約400-4000米水深的海底，多金屬結(jié)核則分布在4000-5000米水深的海底。最厚的結(jié)殼鈷含量最為豐富，形成于800-2500米水深的海山外緣階地及頂部的寬闊鞍狀地帶上。

結(jié)殼一般以每1至3個(gè)月一個(gè)分子層(即每100萬(wàn)年1至6毫米)的速率增長(zhǎng)，是地球上最緩慢的自然過(guò)程之一。因此，形成一個(gè)厚厚的結(jié)殼層可需要多達(dá)6000萬(wàn)年時(shí)間。一些結(jié)殼有跡象顯示，結(jié)殼在過(guò)去2000萬(wàn)年經(jīng)歷兩個(gè)形成期，鐵錳增生過(guò)程為一層生成于800萬(wàn)-900萬(wàn)年前的中新世的磷鈣土所中斷。這一層在新、老物質(zhì)之間的間隔可以為尋找更老、更豐富的礦床提供線索。最低含氧層的礦床較豐的現(xiàn)象，使調(diào)查人員將鈷的富集部分歸因于海水中的低含氧量。

根據(jù)品位、儲(chǔ)量和海洋學(xué)等條件，最具開(kāi)采潛力的結(jié)殼礦址位于赤道附近的中太平洋地區(qū)，尤其是約翰斯頓島和美國(guó)夏威夷群島、馬紹爾群島、密克羅尼西亞聯(lián)邦周?chē)膶俳?jīng)濟(jì)區(qū)，以及中太平洋國(guó)際海底區(qū)域。此外，水深較淺地區(qū)的結(jié)殼的礦物含量比例最高，是開(kāi)采的一個(gè)重要因素。

特點(diǎn)除鈷之外，結(jié)殼還是其他許多金屬和稀土元素的重要潛在來(lái)源，如鈦、鈰、鎳、鉑、錳、磷、鉈、碲、鋯、鎢、鉍和鉬。結(jié)殼由水羥錳礦(氧化錳)和水纖鐵礦(氧化鐵)組成。較厚結(jié)殼有一定數(shù)量的碳磷灰石，大部分結(jié)殼含少量石英和長(zhǎng)石。結(jié)殼鈷含量很高，可高達(dá)1.7%；在某些海山的大片面積上，結(jié)殼的鈷平均含量可高達(dá)1%。這些鈷的含量比陸基鈷礦0.1%至0.2%的含量高得多。在鈷之后，結(jié)殼中最有價(jià)值的礦物依次為鈦、鈰、鎳和鋯。

另外一個(gè)重要考慮因素是結(jié)殼與其附著生長(zhǎng)的基巖在物理性質(zhì)方面的反差。結(jié)殼在各類巖石之上生成，因此使用普通的遙感技術(shù)難以區(qū)分結(jié)殼及其基巖。然而，結(jié)殼與基巖的不同之處在于結(jié)殼發(fā)出高得多的伽馬射線。因此在勘查上覆沉積物較薄的結(jié)殼以及測(cè)量海山上的結(jié)殼厚度時(shí)，以伽馬射線進(jìn)行遙感可能是有用的工具。

未來(lái)采礦者在尋找可以開(kāi)采的結(jié)殼時(shí)，很可能注意以下一些特點(diǎn)。包括：水深不超過(guò)1000-1500米，年齡在2000萬(wàn)年以上的大海山，其頂部沒(méi)有大環(huán)礁或暗礁，所處位置有持續(xù)的強(qiáng)烈底流，上覆水體較淺并且為成熟的低氧帶，遠(yuǎn)離大量注入海洋的河流和風(fēng)生碎屑物。此外，他們要尋找的海底應(yīng)起伏不大，位于山頂階地、鞍狀地帶或隘口，坡度平緩并且當(dāng)?shù)貨](méi)有火山活動(dòng)。鈷平均含量至少應(yīng)為0.8%，結(jié)殼平均厚度不低于4厘米。

工業(yè)用途富鈷結(jié)殼所含金屬(主要是鈷、錳和鎳)用于鋼材可增加硬度、強(qiáng)度和抗蝕性等特殊性能。在工業(yè)化國(guó)家，約四分之一至二分之一的鈷消耗量用于航天工業(yè)，生產(chǎn)超合金。這些金屬也在化工和技術(shù)產(chǎn)業(yè)中用于生產(chǎn)光電電池和太陽(yáng)電池、超導(dǎo)體、高級(jí)激光系統(tǒng)、催化劑、燃料電池和強(qiáng)力磁以及切削工具等產(chǎn)品。

勘探開(kāi)采為了確定可能比較高產(chǎn)的地區(qū)的位置，未來(lái)的采礦者首先需要繪制結(jié)殼礦床詳圖和小比例尺海山地貌綜合圖，包括地震剖面圖。一旦確定了取樣站，就可以部署拖網(wǎng)、巖芯取樣機(jī)以及聲納攝像機(jī)和視頻攝像機(jī)，以查明結(jié)殼、巖石和沉積物的類別和分布情況。為此需要裝備齊全的大型研究船來(lái)操作海底聲波信標(biāo)和拖拽設(shè)備，并處理大量樣品。在較后階段需要載人潛器或遙控作業(yè)系統(tǒng)（ROV）。為進(jìn)行環(huán)境評(píng)估，需部署測(cè)流計(jì)錨定設(shè)備和生物取樣設(shè)備。

開(kāi)采結(jié)殼的技術(shù)難度大大高于開(kāi)采多金屬結(jié)核。采集結(jié)核比較容易，因?yàn)榻Y(jié)核形成于松散沉積物基底之上，而結(jié)殼卻或松或緊地附著在基巖上。要成功開(kāi)采結(jié)殼，就必須在回收結(jié)殼時(shí)避免采集過(guò)多基巖，否則會(huì)大大降低礦石質(zhì)量。一個(gè)可能的結(jié)殼回收辦法是采用海底爬行采礦機(jī)，以水力提升管系統(tǒng)和連接電纜上接水面船只。采礦機(jī)上的鉸接刀具將結(jié)殼碎裂，同時(shí)又盡量減少采集基巖數(shù)量。已經(jīng)提出的一些創(chuàng)新系統(tǒng)包括：以水力噴射將結(jié)殼與基巖分離；對(duì)海山上的結(jié)殼進(jìn)行原地化學(xué)瀝濾，以聲波分離結(jié)殼。除日本外，對(duì)結(jié)殼開(kāi)采技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)有限。盡管提出了各種想法，但這一技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)尚在初期階段。1

相關(guān)資料海山環(huán)境需要對(duì)海山生物群落的性質(zhì)進(jìn)行更多研究，以便積累可靠的依據(jù)，就結(jié)殼勘探和采礦造成的環(huán)境問(wèn)題提出建議。除了知道其復(fù)雜和變化大的特點(diǎn)外，對(duì)這些群落知之甚少；位于同一深度的兩座海山可能有完全不同的生物組成。海山生物群落的組成和特點(diǎn)由流型、地貌、海底沉積物及巖石類型和覆蓋面積、海山大小、水深及海水含氧量等因素確定。

另外還必須了解海山周?chē)暮Ａ?，以便開(kāi)發(fā)適當(dāng)?shù)牟傻V設(shè)備和技術(shù)，并確定被擾動(dòng)沉積物顆粒和廢物的擴(kuò)散途徑。海山阻擋海流流動(dòng)，產(chǎn)生各種更強(qiáng)的渦流和上升流，從而增加生物的初級(jí)生產(chǎn)力。這些海流的影響在海山頂部周?chē)耐饩壸顬閺?qiáng)烈，也正是在這些地方找到最厚的結(jié)殼。

經(jīng)濟(jì)因素結(jié)殼除了鈷含量高于深海錳結(jié)核之外，其開(kāi)采之所以被認(rèn)為有利，是因?yàn)楦哔|(zhì)量的結(jié)殼儲(chǔ)存在島嶼國(guó)家專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)，水深較淺，離海岸設(shè)施較近的水域。1970年代后期，特別是在1978年，當(dāng)時(shí)世界上的第一產(chǎn)鈷國(guó)扎伊爾(剛果民主共和國(guó))境內(nèi)礦區(qū)爆發(fā)內(nèi)戰(zhàn)，鈷價(jià)飆升，人們對(duì)結(jié)殼的經(jīng)濟(jì)潛力有了深刻的認(rèn)識(shí)。由于剛果民主共和國(guó)的生產(chǎn)持續(xù)下降，到2000年，贊比亞、加拿大和俄羅斯聯(lián)邦三國(guó)總產(chǎn)量占了全球總產(chǎn)量(29500噸)的一半以上)。

鈷和其他許多賤金屬一樣，現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格在過(guò)去30個(gè)月里持續(xù)下降，從1999年5月每磅20美元以上跌至每磅10美元以下。在歷史上，鈷價(jià)波動(dòng)較大。在1979年前扎伊爾沙巴省發(fā)生動(dòng)亂期間，鈷價(jià)在數(shù)周之內(nèi)激增三倍。當(dāng)時(shí)扎伊爾約占全球供應(yīng)量的一半。鈷生產(chǎn)在地域上遠(yuǎn)沒(méi)有以前集中。但從中、短期來(lái)看，需求仍趨于缺乏價(jià)格彈性。只要認(rèn)為可能出現(xiàn)供應(yīng)問(wèn)題，價(jià)格仍可能迅速倍增。

鈷供應(yīng)不確定的一個(gè)原因是，在扎伊爾和贊比亞這兩個(gè)主要生產(chǎn)國(guó)，鈷是銅礦業(yè)的副產(chǎn)品。因此，鈷的供應(yīng)量取決于對(duì)銅的需求。碲的供應(yīng)量也是如此。這種不確定性已促使企業(yè)尋找其他代用品，因此市場(chǎng)僅略有增長(zhǎng)。如果可以為這些金屬開(kāi)發(fā)出其他重要來(lái)源，這將提供較有力的誘因，在產(chǎn)品中重新使用這些金屬，從而增加消耗量。對(duì)鈷以外的一種或多種結(jié)殼富含金屬的需求，最終可能成為開(kāi)采結(jié)殼的驅(qū)動(dòng)力。

沉睡洋底千萬(wàn)年大洋富鈷結(jié)殼是一種主要賦存在太平洋，而非大西洋或印度洋，水下頂面平坦、兩翼陡峭、形似“圓臺(tái)”的海山斜坡上，水深1000米～3500米，色黑似煤，質(zhì)輕性脆，結(jié)構(gòu)疏松，表面常布滿花蕾似的瘤狀體，厚度一般為幾毫米至十幾厘米，形狀為板、結(jié)構(gòu)疏松、結(jié)核或礫狀等的海相固結(jié)沉積物。由于沉積時(shí)古海洋環(huán)境的差異，富鈷結(jié)殼常呈現(xiàn)為成分和顏色不斷變化的多層構(gòu)造特征，如褐煤狀、多孔狀或無(wú)煙煤狀結(jié)殼分層。此外，據(jù)實(shí)地勘查及系統(tǒng)科學(xué)研究，它在太平洋不同區(qū)域的儲(chǔ)存特征和富集規(guī)律也是五彩紛呈、千奇百態(tài)。它已靜靜地沉睡在那里數(shù)千萬(wàn)年了。資料顯示，富鈷結(jié)殼金屬鈷含量可高達(dá)2%，是陸地最著名的含鈷礦床中非含銅硫化物礦床含鈷量的20倍；貴金屬鉑含量也相當(dāng)于地球上地殼含鉑量的80倍。若與我國(guó)東太平洋海盆大洋多金屬結(jié)核開(kāi)辟區(qū)相比，其鈷含量高3倍～4倍，鉑含量高10多倍，海底面覆蓋率高3倍～4倍，單位面積重量高4倍～6倍。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，太平洋西部火山構(gòu)造隆起帶上，富鈷結(jié)殼礦床的潛在資源量達(dá)10億噸，鈷金屬量達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸，經(jīng)濟(jì)總價(jià)值已超過(guò)1000億美元。因此，自上世界80年代以來(lái)，它一直是世界海洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

得來(lái)要憑真功夫早在上世紀(jì)50年代，美國(guó)中太平洋考察隊(duì)在開(kāi)展大洋基礎(chǔ)地質(zhì)科學(xué)考察時(shí)，就發(fā)現(xiàn)了太平洋水下海山上存在著鐵錳質(zhì)的殼狀氧化物，但未引起重視。此后，美國(guó)、俄羅斯亦曾分別對(duì)夏威夷群島和中太平洋海山上的鐵錳氧化物開(kāi)展過(guò)調(diào)查。直到1981年德國(guó)“太陽(yáng)號(hào)”科考船率先對(duì)中太平洋富鈷結(jié)殼開(kāi)展專門(mén)調(diào)查后，富鈷結(jié)殼才真正受到世界各國(guó)政府的高度重視和海洋學(xué)家的密切關(guān)注。我國(guó)于上世紀(jì)90年代中期拉開(kāi)了富鈷結(jié)殼正式航次調(diào)查的序幕。

相關(guān)事件2012年9月4日，根據(jù)外交部網(wǎng)站提供的消息，國(guó)際海底管理局公布信息，確認(rèn)中國(guó)率先提交富鈷結(jié)殼礦區(qū)申請(qǐng)。如獲海管局核準(zhǔn)，中國(guó)將在西太平洋獲得面積為3000平方公里的富鈷結(jié)殼資源專屬勘探礦區(qū)。

2013年7月19日電（記者朱慶翔）國(guó)際海底管理局19日核準(zhǔn)了中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱“大洋協(xié)會(huì)”）提出的西太平洋富鈷結(jié)殼礦區(qū)勘探申請(qǐng)。中國(guó)成為世界上首個(gè)就3種主要國(guó)際海底礦產(chǎn)資源均擁有專屬勘探礦區(qū)的國(guó)家。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)