國際海底礦產資源勘查與研究進展

劉永剛，姚會強，于 淼，任江波，楊 永

（廣州海洋地質調查局 廣州市 510075）

國際海底區(qū)域蘊藏著豐富的戰(zhàn)略礦產資源，其中多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物和深海稀土幾種深海固體礦產越來越受到國內外的廣泛關注。從上世紀50年代開始至今，世界各國對幾種深海固體礦產開展了不同規(guī)模的勘查和研究。隨著研究的深入，幾種深海固體礦產潛在的經濟價值越來越受到人們的重視，許多國家為占有國際海底資源，發(fā)展國家后備戰(zhàn)略礦產資源，加快了國際海底資源勘查和評價的步伐。國際海底區(qū)域資源競爭的形勢愈加緊迫，“藍色圈地”運動愈演愈烈。對國際海底區(qū)域內幾種深海固體礦產資源的分布和勘查現(xiàn)狀進行綜合評述，以期對國際海底礦產的當前形勢有所了解和把握。

1 國際海底礦產的分布

1.1 多金屬結核

多金屬結核是大洋中最早被發(fā)現(xiàn)而且研究時間最長的深海固體礦產。研究結果表明，多金屬結核分布于水深4 000—6 000 m 的洋盆中，產出在松軟沉積物表層。它含有70 多種元素，其中Mn、Cu、Co、Ni 的平均含量分別為25.00%、1.00%、0.22%和1.30%，其資源量高出陸地相應資源量的幾十倍到幾千倍。據(jù)估算，全球大洋底多金屬結核資源總量為3 萬億t，僅太平洋就約有1.7 萬億t[1]，具有很高的經濟價值，被認為可能是海底分布最廣、儲量最大的金屬資源。

多金屬結核在太平洋、印度洋和大西洋都有分布，但很不均勻（圖1）。從經濟價值角度考慮，太平洋的多金屬結核經濟價值最高且分布最廣泛，其次是印度洋。多金屬結核在太平洋呈帶狀分布，主要有東太平洋海盆、中太平洋海盆、南太平洋海盆和東南太平洋海盆（秘魯海盆）4 個分區(qū)，其中東太平洋海盆內克拉里昂、克利帕頓斷裂帶之間的區(qū)域（CC 區(qū)）是公認的結核最為富集和潛在經濟價值最高的海區(qū)，除印度外的所有先驅投資者申請的礦區(qū)都在該區(qū)域內。中印度洋海盆是印度洋中結核豐度和品位均較高的分布區(qū)，印度申請的礦區(qū)就位于該海盆內。大西洋的結核分布十分有限，其分布水深雖淺但金屬品位較低。

圖1 多金屬結核礦點在國際海底的分布

1.2 富鈷結殼

富鈷結殼是繼多金屬結核資源之后被發(fā)現(xiàn)的又一深海固體礦產資源。它分布的主要水深范圍為1 000-3 500 m，產出于海山、海脊、臺地和海丘的頂部和側翼，或在巖石露頭上形成厚結殼，或在碎石堆上形成結皮。富鈷結殼富含Co、Ni、Cu、Pb、Zn 等金屬元素以及稀土元素（REE）和鉑族元素（PGE），其中Co 含量尤為顯著，最高可達2%，是陸地原生礦鈷含量的20 倍以上[2]，是多金屬結核礦中鈷含量的2.5 倍以上[3]。而最近的研究結果[4]表明，僅太平洋海山的富鈷結殼中錳、鈷、鎳、銅的金屬量與全球陸地資源量和多金屬結核量[5]相比都是非?？捎^的，分別是陸地資源量的11.11 倍、71.58 倍、8.26 倍、0.29 倍。

圖2 富鈷結殼礦點在國際海底的分布

根據(jù)研究[6]，結殼在太平洋、大西洋和印度洋的海底均有分布（圖2），其中以太平洋居多，而在太平洋的廣大海域中，西、中太平洋海山區(qū)是富鈷結殼的主要產出區(qū)，主要包括麥哲倫海山區(qū)、馬爾庫斯-威克海山區(qū)、馬紹爾海山區(qū)、中太平洋海山區(qū)、夏威夷海嶺、萊恩海山區(qū)等幾座大型海山鏈，這些區(qū)域是各國進行結殼資源勘查的重點海區(qū)，俄羅斯、韓國、日本、中國等國家都在這些海區(qū)及周邊海域開展了大量的調查研究工作。相比較而言，無論在結殼厚度還是金屬Co含量方面，這些海山區(qū)的結殼質量都明顯優(yōu)于其他海山區(qū)。

1.3 多金屬硫化物

多金屬硫化物是繼大洋多金屬結核、富鈷結殼外的又一種新型海底金屬礦物資源。它普遍發(fā)育在大洋中脊、板內火山和弧后盆地，賦存水深一般在數(shù)十米至3 700 m，大量出現(xiàn)在2 500 m 水深附近[7]。多金屬硫化物富含Cu、Fe、Mn、Pb、Co、Mo 等金屬和稀有金屬，單個硫化物礦床礦體的資源量高達1×108t[7]，資源潛力十分可觀。

從地理環(huán)境來看，多金屬硫化物礦床主要分布于太平洋、大西洋和印度洋（圖3）。太平洋是多金屬硫化物的主分布區(qū)，主要集中于東太平洋洋?。ㄈ鏓xplorer、Middle Valley、Endeavour、Axial Seamount、Juan de FUCA、Galapagos 等）、西太平洋火山弧（如Okinawa Trough、Mariana Trough 等）和西南太平洋火山弧（如Lau Basin、Manus Basin、North Fiji Basin 等）；大西洋的多金屬硫化物主要分布于赤道以北的大西洋中脊（如TAG、Snake Pit、Logatchev 等）；印度洋的多金屬硫化物主要分布于印度洋洋脊，集中于三聯(lián)點附近[7-9]。此外，北冰洋洋脊、紅海、地中海也有少量多金屬硫化物礦化點分布。

1.4 深海稀土

稀土（REE）資源不僅存在于陸地上，也存在于深海中。研究表明[10]，海盆內的多金屬結核和海山上的富鈷結殼都含有稀土元素。太平洋多金屬結核的∑REE 范圍為229.7~2 076.7 ppm，平均1 195.7 ppm[11]。太平洋富鈷結殼中的∑REE 隨海山分布而有所不同，其中麥哲倫海山區(qū)∑REE范圍1 093.0~3 286.4 ppm，平均為2 087.2 ppm；馬爾庫斯-威克海山區(qū)∑REE 范圍1 047.0~3 897.0 ppm，平均為1 890.4 ppm；馬紹爾海山區(qū)∑REE 范圍1 249.1~1 753.8 ppm，平均為1 506.4 ppm；中太平洋海山區(qū)∑REE 范圍1 278.5~2 654.9 ppm，平均為1 933.1 ppm[12-16]。

圖3 多金屬硫化物礦點在國際海底的分布

除了鐵錳礦石外，稀土元素也賦存于深海沉積物中。研究表明[17-20]，太平洋、印度洋的深海沉積物中都含有稀土元素。日本科學家在對太平洋78 個站位的沉積物樣品分析后發(fā)表了初步的研究成果[20]，稱東南太平洋和中北太平洋深海粘土中含有高品位的富釔稀土（REY），其中東南太平洋深海粘土中∑REY 范圍880~1 628 ppm，平均1 054 ppm；中北太平洋深海粘土中∑REY范圍451~1 002 ppm，平均625 ppm，這兩個區(qū)域都可看作高潛力稀土資源分布區(qū)（圖4）。根據(jù)日本科學家的估算，東南太平洋和中北太平洋每平方千米深海粘土中稀土資源量分別達2010年世界年消費量的1/15 和1/5，整個太平洋深海稀土資源總量與陸地探明資源量相當，按照目前陸地開采量，可供全世界使用1 000年左右，引起了世界科學界和礦業(yè)界的極大關注。

2 國際海底礦產資源勘查現(xiàn)狀

2.1 多金屬結核勘查

圖4 深海沉積物稀土礦點在國際海底的分布

圖5 東太平洋CC 區(qū)多金屬結核勘探區(qū)承包者

從上世紀60年代起，美國、前蘇聯(lián)、日本、法國等國相繼在中、東太平洋開展了大規(guī)模的調查研究，獲取了大量的資料，并取得了豐富的研究成果。從1983年開始，海金聯(lián)、前蘇聯(lián)、日本、法國、中國、韓國、德國先后向國際海底管理局申請成為先驅投資者，在CC 區(qū)獲得多金屬結核開辟區(qū)，并與國際海底管理局簽訂了勘探合同。從“十二五”開始，國際海底競爭局勢發(fā)生了變化。2011年起，瑙魯、湯加、英國、基里巴斯、比利時等國家先后向國際海底管理局提交了多金屬結核礦區(qū)申請并獲得核準。截至2013年底，多金屬結核礦區(qū)承包者數(shù)量急劇增加至12個（見圖1），新加坡、庫克群島也提交了礦區(qū)申請并等待審議，原先的多金屬結核保留區(qū)逐漸被瓜分，表明國際海域“藍色圈地”運動迎來了新一輪熱潮。

我國從20 世紀80年代開始，在國際海底區(qū)域開展系統(tǒng)的多金屬結核資源調查，并于1991年成為繼前蘇聯(lián)、日本、法國、印度之后的第5個先驅投資者。2001年5月，中國大洋協(xié)會與國際海底管理局簽訂了為期15年的多金屬結核《勘探合同》，自此我國在東北太平洋CC 區(qū)獲得了7.5 萬平方公里、擁有專屬勘探權和優(yōu)先開采權的多金屬結核合同區(qū)，拓展了我國的戰(zhàn)略資源儲備。目前，正是合同中規(guī)定的第3 工作階段（2011-2015年），國家海洋局和廣州海洋地質調查局根據(jù)合同要求，結合海上詳細勘探工作獲取的數(shù)據(jù)資料，對可能的開采礦段進行圈定和評價，從而為履行我國與國際海底管理局簽訂的《勘探合同》提供有力的支持，為我國將來多金屬結核商業(yè)開采提供基礎數(shù)據(jù)和參數(shù)。

2.2 富鈷結殼勘查

自20 世紀80年代初以來，繼大洋多金屬結核資源調查之后，德國、美國、日本、俄羅斯、法國等國家都投入了大量的人力、物力、財力，積極開展富鈷結殼資源的調查研究，對富鈷結殼的分布、類型、成礦特征、成礦環(huán)境和形成模式等問題進行了深入調查和研究。國際上為爭奪深海礦產資源展開了新一輪的競爭和角逐。2012年7月，國際海底管理局第18 屆會議上通過了《“區(qū)域”內富鈷結殼探礦和勘探規(guī)章》，中國和日本先后提交了礦區(qū)申請，并于2013年7月在國際海底管理局第19 屆會議上審議獲得核準。俄羅斯、巴西也于2013年分別向國際海底管理局提交了礦區(qū)申請，目前尚在等待審議。

我國從1997年開始進行富鈷結殼資源調查，截至2013年統(tǒng)計，已經在中、西太平洋海山區(qū)進行了19 個航次（40 個航段）的調查工作，開展了拖網、抓斗、淺鉆地質采樣和海底照相、多波束測深、重力、磁力、淺地層剖面等海洋物探工作，在收集數(shù)據(jù)資料的同時積極開展資源評價工作，為向國際海底管理局提交礦區(qū)申請做準備。2013年7月，我國向國際海底管理局提交的富鈷結殼礦區(qū)申請獲得核準通過，從而在國際海底區(qū)域獲得了3 000 平方公里具有專屬勘探權的富鈷結殼礦區(qū)。

圖6 西太平洋富鈷結殼礦區(qū)位置圖（a 為中國，b 為日本）

2.3 多金屬硫化物

20 世紀60年代，紅海發(fā)現(xiàn)高熱海水和多金屬軟泥，標志著現(xiàn)代海底熱液活動和多金屬硫化物成礦研究的開始。繼多金屬結核和富鈷結殼調查之后，美國、俄羅斯、法國、日本、中國等國家相繼開展了大規(guī)模的多金屬硫化物資源調查。2010年5月，國際海底管理局大會通過了《“區(qū)域”內多金屬硫化物探礦和勘探規(guī)章》，中國、俄羅斯、韓國、法國、德國先后提交了礦區(qū)申請，目前除德國的礦區(qū)申請尚等待審議外，其他4 份礦區(qū)申請都已獲得核準通過（圖7）。

我國多金屬硫化物資源調查起步雖晚，但成果顯著。2003年之前，我國多金屬硫化物調查主要以國際合作為主。從2003年以來，我國正式進入多金屬硫化物調查研究階段，通過環(huán)球航次，先后在太平洋、大西洋和印度洋等熱液活動區(qū)進行調查取樣，積累了豐富的資料。在《“區(qū)域”內多金屬硫化物探礦和勘探規(guī)章》通過后，我國第一時間向國際海底管理局提交了礦區(qū)申請并獲得核準通過，從而在國際海底區(qū)域獲得了1 萬平方公里具有專屬勘探權的多金屬硫化物礦區(qū)。

圖7 多金屬硫化物礦區(qū)位置圖（a 為中國，b 為法國，c 為韓國，d 為俄羅斯）

2.4 深海稀土

深海粘土稀土資源的發(fā)現(xiàn)（Kato et al，2011），無疑受到全世界各國的普遍關注，它很有可能成為繼多金屬結核、富鈷結殼、熱液硫化物之后又一種極為重要的戰(zhàn)略礦產資源。根據(jù)已有的研究，深海粘土稀土資源在太平洋國際海底區(qū)域具有廣泛的分布且潛力巨大，印度洋海盆的深海沉積物稀土資源潛力還尚未可知。圍繞著深海沉積物稀土資源，國際海底區(qū)域將會迎來更加激烈的資源競爭。

對于深海沉積物稀土資源的發(fā)現(xiàn)，我國給予高度重視。中國地質調查局2013年首次開展大洋稀土資源專項調查，由廣州海洋地質調查局組織實施，采用多種手段對太平洋稀土資源進行系統(tǒng)探查。調查結果證實了深海沉積物賦存稀土礦的可能性。我國將繼續(xù)展開調查，積累資料，進一步查清深海沉積物稀土資源的空間分布情況，為制定我國新形勢下的稀土資源戰(zhàn)略提供依據(jù)。

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