南海海底稀土元素研究進(jìn)展

吳紹淵

(中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境學(xué)院, 山東 青島 266100)

南海海底稀土元素研究進(jìn)展

Research progress of rare earth elements of the seafloor in the South China Sea

吳紹淵

(中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境學(xué)院, 山東 青島 266100)

稀土作為以新工藝、新技術(shù)研發(fā)為代表的高新科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展所必需的基礎(chǔ)性材料具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和戰(zhàn)略意義。鑒于陸上稀土資源的特殊分布的特點, 海洋勢必將成為未來該資源探索和開發(fā)的新區(qū)域。南海作為我國所轄最大面積的海域, 其稀土資源豐富。因此, 對于該海域稀土元素的研究具有重要的科研意義和現(xiàn)實價值。本文主要對近幾十年來相關(guān)研究所取得研究成果和進(jìn)展情況進(jìn)行綜述, 并給出了未來研究的展望。

1 海底稀土研究的經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略價值

稀土廣泛分布于地殼之中, 然而由于其豐度不均, 地域分布較為分散, 使得全球范圍內(nèi)真正具備可開采價值的稀土礦并不多[1]。

美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey, USGS) 2013年最新公布的數(shù)據(jù)顯示, 目前世界稀土保有量為1.1億t, 我國稀土保有量為5 500萬t,約占其中的48.34%[1]。然而, 經(jīng)過半個多世紀(jì)的超強(qiáng)度開采, 我國稀土資源保有儲量及保障年限不斷下降, 主要礦區(qū)資源加速衰減, 原有礦山資源大多枯竭[2]。另一方面, 目前我國許多礦產(chǎn)企業(yè)依然綜合利用意識淡薄, 缺乏回收或進(jìn)行充分回收的相關(guān)工藝,在稀土資源的開發(fā)與利用過程中造成了大量的浪費。如: 江西宜春414鉭鈮鋰銣礦, 鉭鈮回收率甚至始終沒有超過 45.5%, 而尾礦中的品位仍然超過邊界品位[3]。近年來, 出于環(huán)境保護(hù)和資源合理開發(fā)的考慮, 我國政府加強(qiáng)了稀土資源保護(hù)措施的執(zhí)行力度, 對稀土的無序生產(chǎn)和出口進(jìn)行了限制, 使得2011年國際稀土市場曾一度出現(xiàn)價格飆升、供不應(yīng)求的局面[4]。

有鑒于稀土元素在當(dāng)前材料化學(xué)、生物醫(yī)藥、納米技術(shù)、電子信息、航空航天、環(huán)境保護(hù)、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等高新領(lǐng)域的重要應(yīng)用價值與廣泛前景[5-10], 為保障這一戰(zhàn)略資源的安全供應(yīng), 西方的礦業(yè)公司正在加大稀土資源的勘查和開發(fā)力度,并取得了顯著的成果。這也導(dǎo)致了國際稀土市場格局的變化, 構(gòu)成了對我國稀土產(chǎn)業(yè)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5]。據(jù)2013年美國地質(zhì)調(diào)查局的統(tǒng)計, 我國稀土年產(chǎn)量占當(dāng)年世界稀土總產(chǎn)量份額的比例從2011年的95.0%下降到了2012年的86.8%[1]。而其中, 海底稀土的開發(fā)正逐漸得到世界各國的關(guān)注和重視。為擺脫對我國稀土的依賴, 2009年, 日本政府制定了《海洋能源礦物質(zhì)開發(fā)和計劃》, 并預(yù)期2018年展開實驗性探采[11]。2011年, 日本加藤泰浩[12-13]在英國《自然·地學(xué)》雜志刊登報告稱, 發(fā)現(xiàn)包括夏威夷島在內(nèi)的太平洋中部約 880萬 km2海域及東南部塔西提島附近約240萬 km2海域淤泥中, 含有高濃度稀土, 整個可開采量約是陸地的1 000倍。科學(xué)家預(yù)計, 太平洋海底淤泥中的稀土儲量可達(dá)到1 000億t。2013年, 日本研究人員宣布其在印度洋東部的海底發(fā)現(xiàn)了含有高濃度稀土的海底泥。這也是在太平洋之外的海域首次發(fā)現(xiàn)含有稀土的海底泥, 證明稀土有可能在全球的海洋廣泛分布[14]。

自20世紀(jì)80年代起, 我國科學(xué)家即已展開了對南海海底沉積物中稀士元素的地球化學(xué)研究, 在陸地和海洋古氣候、古環(huán)境變化研究領(lǐng)域取得了一定的成果[15-16]。近年來, 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 相關(guān)國家項目與國際合作項目, 如: 大洋鉆探計劃(Ocean Drilling Program, ODP)的陸續(xù)開展, 對于南海海底沉積物中稀土元素的調(diào)查無論是在范圍還是在規(guī)模上都在不斷擴(kuò)大, 研究內(nèi)容也逐漸深入, 并獲得了一系列的新發(fā)現(xiàn)。

2 南海沉積物稀土的研究現(xiàn)狀

隨著近年來深?？碧郊夹g(shù)的發(fā)展、國家投入的加大, 國際合作力度的增強(qiáng), 南海沉積物稀土元素的研究區(qū)域不斷得到擴(kuò)大, 使得相關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù)資料得到了豐富與完善。研究表明南海沉積物中稀土元素的來源與分布均隨著地理單元的不同而有所差異。

2.1 南海沉積物稀土元素的研究區(qū)域

我國對于南海表層沉積物稀土元素地球化學(xué)的研究可追溯至20世紀(jì)60年代; 期間, 中國科學(xué)院南海海洋研究所對南海北部大陸架、中西沙及海盆南部海區(qū)進(jìn)行了調(diào)查研究[17]。進(jìn)入80年代, 相關(guān)研究海域逐漸擴(kuò)大至 12°N, 區(qū)域覆蓋了中央海盆、中沙和西沙附近[18-21]。至 90年代, 研究區(qū)域進(jìn)一步拓展到了南沙群島海區(qū)[22]。目前, 累積的歷史研究資料顯示, 對于南海海底沉積物中稀土元素的研究區(qū)域已幾乎覆蓋了整個南海。

隨著深海鉆探技術(shù)日臻成熟, 越來越多的國家項目與國際間合作正逐步得到開展, 不斷有新的南海海底沉積物樣品資料被獲得、數(shù)據(jù)與資料也不斷得到更新和完善, 如, 1994年中德合作的 Sonne 95航次(S017940)、1999年ODPl84航次(1144站)以及2005年中法合作 Marco-Polo航次(MD05-2905/6)對南海北部陸坡發(fā)育的堆積體進(jìn)行了研究[23]; 付淑清等[24]對于 HY126-2001-02航次在南海西南部永署礁島北部區(qū)所采集的86GC柱樣的稀土元素(REE)含量進(jìn)行了測量, 并對其地球化學(xué)特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析;吳夢霜等[25]通過對南海北部白云深水區(qū)沉積物稀土元素的研究, 發(fā)現(xiàn)漸新世至中新世的物源發(fā)生較大變化; 鄭凱清等[26]對南海西沙海槽HX132柱狀沉積物開展了稀土元素化學(xué)分析, 并對其基本分布特征及沉積環(huán)境意義進(jìn)行了探討, 填補(bǔ)了該海域稀土元素資料的空白。

然而, 當(dāng)前南海沉積物稀土元素的研究區(qū)域依然主要集中在南海北部, 尤其是珠江口盆地、伶仃洋、鶯歌海、北部灣等海域[27-32], 仍需要更大規(guī)模、更具系統(tǒng)性和連續(xù)性的海洋地質(zhì)調(diào)查與研究。

2.2 南海沉積物中稀土元素的分布與來源

表1 南海不同區(qū)域表層沉積物稀土元素平均質(zhì)量比

南海是西太平洋最大的邊緣海, 位于歐亞板塊、菲律賓板塊及印度洋板塊三大板塊的交匯處, 主要有北部陸架、北部陸坡、西部陸架、西部陸坡、東部島架、巽他陸架、西北次海盆、西南次海盆及中央海盆等地理單元[27]。

由于南海地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜, 南海表層沉積物稀土元素的分布與元素也存在較大差異(見表1)。劉建國等[33]研究表明, 南海表層沉積物中稀土元素分布主要與陸源物質(zhì)輸入、生物活動和火山物質(zhì)補(bǔ)給密切相關(guān); 南海細(xì)粒組分的配分模式與中國黃土的接近,與周邊的珠江、湄公河等河流輸入物質(zhì)也有相似性,而與南海堿性玄武巖存在顯著差異, 表明南海沉積物主要來自于周邊大陸; 從分布上來看, 珠江口往外至海南島南部海域中沉積物朝東南方向向陸坡輸送; 臺西南至珠江口往外海域沉積物大多向南輸運;呂宋島西部海域包括黃巖島附近海域的火山物質(zhì)主要向西北方向輸送, 向西可達(dá)113°E、向北可至20°N附近; 南海南部沉積物整體上向南沙海槽西北部附近海域輸送。

南海沉積物稀土元素在大陸架區(qū)具有沿陸分帶分布的特點, 元素含量自陸向海遞減; 北部陸架區(qū)、中南半島中東部和加里曼丹島西北部沿大陸區(qū)域稀土元素富集, 西南部巽他陸架和東南部島礁區(qū)以及中、西沙附近區(qū)域m(∑REE)較低[34]。

在南海陸架區(qū), 河流所帶來的大量碎屑物質(zhì)與黏土礦物的直接沉積與該區(qū)域稀土元素富集、形成高值分布區(qū)有關(guān)[34]。趙一陽和鄢明才[35]認(rèn)為: 南海陸架區(qū)沉積物是大陸物質(zhì)向海搬運的直接產(chǎn)物, 陸架區(qū)出現(xiàn)稀土高含量和次高含量帶, 與該區(qū)海流的分選作用, 造成某些富古稀土的重砂礦如獨居石、磷釔礦、鈦鐵礦、鋯石、榍石等礦物的富集有關(guān)。

在南海東南部島礁區(qū)和中央海盆東部海域, 發(fā)現(xiàn)了較大量的稀土含量較低的幔源火山物質(zhì), 海底火山的噴發(fā)造成的黏土礦物相對減少使得該區(qū)域沉積物中稀土元素處于中低含量[28,36-38]。

在中、西沙附近海域和東南部生物島礁區(qū), 沉積物中有大量生物碳酸鹽介殼發(fā)現(xiàn)成為了該區(qū)域沉積物中稀土元素處于中低含量的原因[34,39-40]。

在南海北部深水區(qū)白云凹陷及周邊區(qū)域, 深水區(qū)北部沉積物主要來自古珠江物源區(qū), 深水區(qū)東、西部沉積物中含有較多中基性火山物質(zhì), 南部則主要包含基性火山物質(zhì)[31]。

南海北部西沙海槽南部斜坡海區(qū), 稀土元素總量不高, 變化范圍較大, 含量與分布特征與中國大陸架沉積物、南海細(xì)粒沉積物較為接近, 主要以陸源沉積為主, 有部分生源物質(zhì)成分的加入, 而火山源物質(zhì)成分較少[26]。

在珠江口伶仃洋海區(qū), 稀土分布模式與我國陸架海具有相似性, 但高于我國陸架海, 與南海沉積物的稀土分布具有相似性又有差別, 反映兩者具有同源性, 說明珠江口入海沉積物是南海陸架區(qū)主要物質(zhì)來源之一[28]。

在南海西南部永暑礁島北部海區(qū), 86GC柱樣顯示了中稀土相對虧損, 沉積物與平均上陸殼以及南海北部陸坡沉積物的稀土元素分布模式基本一致,而與大洋玄武巖完全不同, 指示了研究區(qū)域沉積物的陸殼來源屬性[24]。

在南海北部西沙海槽區(qū)域, 由于南沙群島海域地處極為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境, 因此其物質(zhì)來源也極其復(fù)雜, 而沉積物中稀土元素的物質(zhì)來源包括:自生沉積、生源沉積和下陸殼幔源物質(zhì)的輸入[41]。

2.3 南海沉積物稀土與我國其他海區(qū)的比較研究

我國的渤海、黃海、東海和南海的沉積物中均有稀土元素分布[33,42]。渤海和南海陸架區(qū)沉積物中稀土元素含量較高, 平均質(zhì)量比為156 μg/g; 具有陸殼稀土元素的典型特征, 即: 中輕稀土均明顯高于重稀土; 在特點和分布方面, 南海海域具有 Ce負(fù)異常, 而無 Eu負(fù)異常[43](見表 2)。馬榮林等[44]在海南島南渡江近岸河口區(qū)發(fā)現(xiàn): 該海區(qū)沉積物稀土元素質(zhì)量比為45. 99～225. 80 μg/g, 均值為124. 94 μg/g。沉積物中稀土元素富集于＜ 2 μm黏土中且輕稀土元素富集。顏彬等[45]研究了廣東沿岸 10個典型海灣,稀土元素質(zhì)量比介于 251.77～133.58 μg/g之間, 其物質(zhì)來源主要來自陸地。在南海北部灣表層沉積物中稀土元素表現(xiàn)出: 粒度細(xì), 其含量高, 而粒度粗,其含量低的特點[30]。

總之, 基于當(dāng)前已獲研究數(shù)據(jù), 南海沉積物稀土元素相較其他海域在豐度、含量和典型特征等方面存在一定差異。

3 南海海底多金屬結(jié)核/結(jié)殼中的稀土元素研究

表2 中國海大陸架沉積物中稀土元素質(zhì)量比[26]

多金屬結(jié)核/結(jié)殼主要有以下3種富集途徑: (1)通過吸附海水和沉積物中稀土元素及陸源風(fēng)化物質(zhì)從而成為稀土元素富集體[46-47]; (2)通過賦存區(qū)海底火山活動富集[48-49]; (3)多金屬結(jié)核/結(jié)殼中有機(jī)質(zhì)對稀土元素的富集[50]。

多金屬結(jié)核主要賦存于水深4 000～6 000 m大洋盆地底部, 但又多存在于水深1 000～3 000 m洋底海山頂部。多金屬結(jié)核/結(jié)殼稀土元素含量豐富, 通常比深海沉積物和海水中稀土元素含量高10～100倍[51]。而由于南海海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 使得其不同區(qū)域內(nèi)多金屬結(jié)核/結(jié)殼無論在富集途徑還是在稀土元素豐度上都存在一定差異。

孟妍等[50]對全球海洋 25個多金屬結(jié)核/結(jié)殼樣品進(jìn)行了分析, 發(fā)現(xiàn)其稀土元素質(zhì)量比為 341.43～2 082.41 μg/g, 平均值為 1265.57 μg/g, 其中結(jié)核質(zhì)量比為1096.96 μg/g, 結(jié)殼平均質(zhì)量比為1623.88 μg/g。

吳長航[52]對南海北部陸緣大型多金屬結(jié)核的生長及元素地球化學(xué)特征進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)該海區(qū)多金屬結(jié)核稀土元素含量較高, 且輕稀土元素富集、中稀土元素虧損, Ce含量占稀土元素總量的70%以上, Ce正異常, 表明結(jié)核中稀土元素主要來自海水。

張振國等[53]對南海北部多金屬結(jié)核/結(jié)殼中稀土元素的富集特點進(jìn)行了研究, 指出在多金屬結(jié)核/結(jié)殼中, 稀土元素分布特征為結(jié)殼高于結(jié)核, 海山結(jié)核高于海盆結(jié)核, 邊緣海高于遠(yuǎn)洋盆地; 南海鐵錳結(jié)核稀土元素質(zhì)量比為1 880.2～2 26.3 μg/g, 結(jié)殼稀土元素質(zhì)量比為1 583.5～2 566.5 μg/g。稀土元素總量比太平洋北部鐵錳結(jié)核高 1倍以上, 比太平洋北部沉積物高 3倍以上, 比南海沉積物則高 10多倍; (見表3)。

表3 多金屬結(jié)核/結(jié)殼稀土元素含量對比[53]

4 展望

資源是國家發(fā)展的基礎(chǔ), 是大國間博弈的籌碼。歷史上, 由資源所引發(fā)的爭端與沖突層見疊出。進(jìn)入21世紀(jì), 國家間由資源所導(dǎo)致的摩擦依然屢見不鮮。盡管我國是稀土資源大國, 目前在國際稀土市場仍保有重要地位, 但是鑒于陸上稀土資源開發(fā)的種種弊端, 以及某些國家對國際市場的操控, 我國同樣需要加大海底稀土資源的勘探與研究的力度, 從而為當(dāng)前“十二五”規(guī)劃和遠(yuǎn)海、大洋海洋戰(zhàn)略的順利實施保駕護(hù)航, 并為我國未來的繁榮進(jìn)步與可持續(xù)發(fā)展提供必要的資源保障。

南海資源豐富、地理位置重要, 是我國未來發(fā)展的重要“資源寶庫”。就南海表層沉積物稀土元素分布和豐度而言, 從珠江口往外至海南島南部海域中沉積物朝東南方向向陸坡輸送; 臺灣西南至珠江口往外海域沉積物大多向南輸運; 呂宋島西部海域包括黃巖島附近海域的火山物質(zhì)主要向西北方向輸送;南海南部沉積物整體上向南沙海槽西北部附近海域輸送。南海陸架區(qū)沉積物中稀土元素含量較高, 平均質(zhì)量比為 177.62 μg/g, 輕稀土均明顯大于重稀土,是陸殼稀土元素的典型特征。就南海結(jié)核/結(jié)殼稀土豐度而言, 南海結(jié)核/結(jié)殼稀土元素含量甚至要高于全球多金屬結(jié)核/結(jié)殼平均值, 并具有賦存深度小的優(yōu)勢, 因此, 有必要對此開展相關(guān)專項資源調(diào)查工作, 并進(jìn)行實驗性開采, 為未來實現(xiàn)深海礦產(chǎn)的開發(fā)利用做必要的經(jīng)驗積累和技術(shù)儲備。

此外, 由于南海地緣政治因素特殊, 目前我國仍與鄰國存有“斷續(xù)國界線”勘界等爭議。而我國此時在該海域積極開展各項海洋勘探、海洋資源調(diào)查等科學(xué)研究, 則正可成為我國宣示主權(quán)的一種有效方式。而所獲得的相關(guān)海洋調(diào)查數(shù)據(jù)、成果也可成為未來我國應(yīng)對鄰國無端發(fā)難的必要事實依據(jù),具有十分重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

綜上所述, 鑒于目前南海海底稀土資源的研究現(xiàn)狀, 相關(guān)領(lǐng)域研究仍需在以下幾個方面得以加強(qiáng): (1)相較南海廣袤的面積而言, 現(xiàn)有的研究結(jié)果與數(shù)據(jù)資料仍顯不足, 依舊無法準(zhǔn)確反映整個南海海底稀土資源的分布與豐度情況。因此有必要開展全海域海底的海洋稀土資源勘探研究。(2)需要加強(qiáng)在不同海洋環(huán)境條件下稀土礦床形成機(jī)制的研究。尤其在多金屬結(jié)核/結(jié)殼研究方面, 加強(qiáng)稀土元素富集位置的預(yù)測和鑒定標(biāo)準(zhǔn)研究。(3)設(shè)法解決當(dāng)前研究手段單一, 依靠走航拖網(wǎng)打鉆的傳統(tǒng)研究方式, 嘗試開發(fā)并應(yīng)用更新的無人深潛技術(shù), 從而使未來全海域?qū)崟r監(jiān)測和現(xiàn)場分析成為可能。(4)需要破除當(dāng)前投融資體制機(jī)制, 強(qiáng)化國家、企業(yè)和個人在海洋高技術(shù)領(lǐng)域特別在海底稀土開發(fā)方面投融資的積極性,加大投入, 以實現(xiàn)技術(shù)上的研發(fā)突破, 為未來實驗性和商業(yè)性開采利用海底稀土資源奠定技術(shù)基礎(chǔ)。(5)加強(qiáng)海底資源開發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的研究,為日后多資源可持續(xù)開發(fā)與保育提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。(6)超前意識的培育與規(guī)劃, 提前籌劃并確立“南海國家戰(zhàn)略”, 從政策和法規(guī)角度確保未來我國經(jīng)濟(jì)社會等領(lǐng)域的繁榮進(jìn)步與可持續(xù)發(fā)展得到切實的保證和國家戰(zhàn)略的實施。

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(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

P618.7

A

1000-3096(2014)03-0116-06

10.11759/hykx20130918004

2013-09-18;

2014-01-24

國家自然科學(xué)基金項目(60578060)

吳紹淵(1984-), 山東青島人, 博士, 主要從事海洋資源、國際海洋法和海洋化學(xué)、生態(tài)學(xué)研究, E-mail: sywuqd@hotmail.com