印度洋多金屬結(jié)核地質(zhì)特征與資源潛力*

黃 威，廖 晶，龔建明，路晶芳，崔汝勇

（1中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島266071；2青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室，海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，山東青島266237）

賦存在全球廣闊深海底的多金屬結(jié)核是一種資源量巨大的金屬礦產(chǎn)。據(jù)保守估算，僅在太平洋克拉里昂-克利伯頓斷裂帶（Clarion-Clipperton Frac‐ture Zone，下稱CCZ）內(nèi)，就分布著高達約211億t的多金屬結(jié)核(Hein et al.,2020)，而全球海底多金屬結(jié)核的規(guī)模則可能超過2萬億t(Hein et al.,2014)。CCZ內(nèi)多金屬結(jié)核中蘊藏的Mn、Ni、Co、Y等金屬的規(guī)模超過目前陸上已知所有礦床探明和控制資源儲量之和，而Cu、REE和Mo等金屬的規(guī)模也十分可觀(Hein et al.,2013；2014；2020；國土資源部信息中心，2016)。這些海底多金屬結(jié)核展示出了極高的資源潛力和潛在經(jīng)濟價值，是人類即將開發(fā)利用的重要海底礦產(chǎn)資源(Miller et al.,2018;于淼等，2018;Wat‐zel et al.,2020)。

印度洋是全球第三大洋，面積約7.5×107km2，占全球海洋總面積的20.5%(馮士筰等，1999;張榮華等，2017)。印度洋內(nèi)發(fā)育深海盆地、活動的洋脊和擴張中心、海溝、增生楔、走滑斷裂帶、彌散型變形帶、洋底高原、無震海嶺、海底扇、微陸塊和陸緣盆地等多種大型構(gòu)造地貌單元(李江海等，2020)。其中，印度洋內(nèi)占地面積最廣的十多個大小不一的深海盆地是發(fā)育多金屬結(jié)核的理想場所。但到目前為止，包括牙買加藍礦礦業(yè)有限公司在CCZ剛申請到的約7.5×104km2的勘探合同區(qū)在內(nèi)(ISA,2020)，國際海底管理局（ISA）共批準了19處多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)，除印度在2002年于中印度洋海盆申請到1處區(qū)塊外，其余18處區(qū)塊均位于太平洋。此外，除印度在其合同區(qū)內(nèi)所從事的調(diào)查研究外，印度洋內(nèi)多金屬結(jié)核的大規(guī)模調(diào)查工作在20世紀六七十年代后幾乎陷于停滯，這既與印度洋遼闊的深海底區(qū)域不相匹配，也反映出印度洋周邊國家海洋調(diào)查研究力量薄弱的現(xiàn)狀。印度洋內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)的多金屬結(jié)核具體分布在哪些構(gòu)造地貌單元中，這些不同單元內(nèi)結(jié)核彼此間的物質(zhì)組成、賦存環(huán)境等有什么異同，除了中印度洋海盆內(nèi)著名的印度洋結(jié)核區(qū)（Indian Ocean Nodule Field，簡稱IONF）及周邊的ISA印度洋多金屬結(jié)核保留區(qū)（Indian Ocean Polymetallic Nodule Reserved Areas，簡稱IOPNRA）外，廣袤的印度洋內(nèi)是否還存在結(jié)核大面積密集分布且主要有用組分含量較高、具備資源潛力的區(qū)域，這些問題都需要我們進行深入探索。

本文通過對印度洋海域內(nèi)多金屬結(jié)核的分布、物質(zhì)成分、規(guī)模和賦存環(huán)境等信息進行細致梳理和歸納總結(jié)，結(jié)合各海域的地質(zhì)、生物和環(huán)境等屬性特征，劃分出區(qū)域內(nèi)結(jié)核分布密度和主要有用組分含量的高低等級類型，并與太平洋CCZ等全球結(jié)核重要成礦區(qū)進行對比研究，為印度洋多金屬結(jié)核勘探進一步鎖定資源潛力區(qū)和目標區(qū)，服務于提升全球海底多金屬結(jié)核成礦規(guī)律、控礦因素和找礦方向的認知。

1 數(shù)據(jù)說明

在除IONF和IOPNRA外的印度洋內(nèi)，本文共收集到298處證實存在多金屬結(jié)核分布的站位。這些數(shù)據(jù)來自學術(shù)論文、書籍、航次調(diào)查報告以及德國阿爾弗雷德魏格納研究所亥姆霍茲極地海洋研究中心的PANGAEA數(shù)據(jù)庫、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的地質(zhì)樣品數(shù)據(jù)庫、ISA全球多金屬結(jié)核數(shù)據(jù)庫等，并剔除了重復統(tǒng)計的站位信息。本文使用的印度洋海底地形數(shù)據(jù)分辨率為15弧秒，來自中國國家科技資源共享服務平臺—國家海洋科學數(shù)據(jù)中心，圖中的基準緯線均為中央緯線，比例尺代表中央緯線的圖上長度及其所對應的地面實際距離?；趯ξ磥黹_發(fā)利用多金屬結(jié)核的便利性以及盡量降低對賦存環(huán)境影響的考慮，本文所指的多金屬結(jié)核是分布在海底沉積物表面或海底之下不超過10 cm深度的結(jié)核，不包括深部埋藏型結(jié)核，也不包括在海洋沉積物內(nèi)普遍存在的亞毫米大小的微結(jié)核(Uramoto et al.,2019)。此外，僅包裹薄層鐵錳結(jié)膜，形態(tài)似多金屬結(jié)核而主要成分為遠洋黏土、碳酸鹽、磷酸鹽或巖石等樣品，以及類型上與富鈷結(jié)殼更相似的樣品也不統(tǒng)計在內(nèi)。

本文中多金屬結(jié)核樣品的采集工具包括拖網(wǎng)、自返式抓斗、箱式和重力柱取樣器等，此外，部分站位結(jié)核樣品的分布特征是通過海底攝像資料確認的。在有詳細數(shù)據(jù)資料的情況下，拖網(wǎng)采集樣品的水深和位置是指拖網(wǎng)到底和離底數(shù)據(jù)的平均值。依據(jù)中國現(xiàn)行國家標準對多金屬結(jié)核的大小進行劃分(中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會，1998)，其中長軸長度＜3 cm的為小型結(jié)核，3～6 cm的為中型結(jié)核，＞6 cm的為大型結(jié)核。本文定義的多金屬結(jié)核密集分布站位是指利用拖網(wǎng)在一處站位獲取到10 kg以上樣品、或箱式取樣器計算出的結(jié)核分布密度大于5 kg/m2、或海底攝像發(fā)現(xiàn)結(jié)核存在大規(guī)模聚集現(xiàn)象的站位。因為一般重力柱取樣器的采樣面積很小，在海底面采集多金屬結(jié)核數(shù)量多寡的不確定性過于顯著，采用與箱式取樣器一樣的分布密度計算方法可能造成極大的誤差，所以本文不對柱狀樣取樣器采集的結(jié)核樣品進行密集分布的劃分。

在多金屬結(jié)核樣品全樣成分數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方面，剔除僅對結(jié)核鐵錳紋層或內(nèi)核等部分層位進行測試的數(shù)據(jù)，同時用同一處站位不同引文、不同樣品的全樣成分數(shù)據(jù)平均值來代表該站位多金屬結(jié)核的化學成分。本文收集到的印度洋多金屬結(jié)核的全樣成分數(shù)據(jù)主要包含Mn、Fe、Cu、Ni、Co等金屬元素，僅有少量樣品可查詢到稀土元素等微量金屬以及Si、P等非金屬元素的含量。

2 多金屬結(jié)核地質(zhì)特征

印度洋內(nèi)分布著眾多深海盆地和深海平原，這些遠洋黏土、硅質(zhì)和鈣質(zhì)生物組分等類型沉積物大面積緩慢沉降堆積的海底通常地形平坦開闊、構(gòu)造穩(wěn)定、深水區(qū)域范圍廣闊，是多金屬結(jié)核形成和生長的理想場所(Hein et al.,2014;Petersen et al.,2016)。本文依據(jù)傳統(tǒng)稱謂和關(guān)鍵構(gòu)造地貌特征將印度洋分為中北印度洋、東北印度洋、西北印度洋、東南印度洋、西南印度洋五大海域，以系統(tǒng)性展示各不同海域內(nèi)多金屬結(jié)核的調(diào)查程度、分布、成分、規(guī)模和賦存環(huán)境等地質(zhì)特征。

2.1 中北印度洋

查戈斯-拉克代夫海嶺以東，東經(jīng)九十度海嶺以西，中印度洋脊和東南印度洋脊以北的中北印度洋內(nèi)分布著目前印度洋已知的多金屬結(jié)核聚集程度最高，資源潛力最大的區(qū)域。該區(qū)域主要位于中印度洋海盆內(nèi)，由IONF及周邊的IOPNRA所組成（圖1）。這片水深約為3000～6000 m的海域內(nèi)多金屬結(jié)核的調(diào)查研究程度極高，僅1981～1987年就有超過50個航次在此區(qū)域內(nèi)開展海上調(diào)查研究工作(Mukhopad‐hyay et al.,2010)?；诖罅康暮酱握{(diào)查工作，印度在1987年底向聯(lián)合國注冊成為先驅(qū)投資者，并在IONF及周邊海域內(nèi)圈定了15萬km2的多金屬結(jié)核開辟區(qū)(Mukhopadhyay et al.,2018)。2002年印度完成50%面積的區(qū)域放棄工作后，正式與ISA簽約，得到了7.5萬km2的多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)，放棄的另一半7.5萬km2區(qū)域隨即成為ISA多金屬結(jié)核保留區(qū)(Mukhopadhyay et al.,2018)。中國科學家也曾搭載“大洋一號”科考船在IONF內(nèi)進行過多金屬結(jié)核調(diào)查工作，以開展全球不同海域的結(jié)核分布和成礦對比研究(何高文等，2011;宋成兵等，2011)。IONF內(nèi)結(jié)核大小通常為2～6 cm，中小型結(jié)核普遍為球狀和類球狀，少量的大型結(jié)核多呈現(xiàn)長條狀、盤狀、板狀和不規(guī)則狀形態(tài)(Mukhopadhyay et al.,2008;2018)。IONF內(nèi)結(jié)核的礦物類型并不一致，北部區(qū)域鈣錳礦含量高，相對富集Mn、Ni和Cu，表面粗糙，南部區(qū)域則水羥錳礦含量高，相對富集Fe和Co，表面光滑(Mukhopadhyay et al.,2018)。通過對IONF海底約1000處站位結(jié)核的取樣研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)結(jié)核的分布極不均一，北部區(qū)域結(jié)核分布稀疏，平均分布密度低于2 kg/m2，中南部區(qū)域結(jié)核分布密集，平均分布密度接近6 kg/m2(Jauhari et al.,2000;Mukhopadhyay et al.,2010)。IONF結(jié)核的平均分布密度略高于4.5 kg/m2，其潛在資源量在全球各海域中僅次于CCZ，估算賦存有超過14億t的多金屬結(jié)核可供人類未來開發(fā)利用，結(jié)核的w(Cu)、w(Co)、w(Ni)和w(Mn)平均分別為1.04%、0.11%、1.1%和24.4%，Cu、Co、Ni資源量之和估算為2184萬t(Mukhopadhyay et al.,2010;Kuhn et al.,2017;Hein et al.,2020)。IONF內(nèi)多金屬結(jié)核的形成年代介于晚中新世到早上新世之間，距今約8～3 Ma，生長速率約為1.2～3.2 mm/Ma，水生成因和成巖成因組分供給的比例相當(Mukhopadhyay et al.,2018)。

圖1 中北印度洋多金屬結(jié)核分布特征Fig.1 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the north-central Indian Ocean

在不包括IONF和IOPNRA的中北印度洋其他海域內(nèi)，目前已發(fā)現(xiàn)的多金屬結(jié)核站位僅有19處(Ericson et al.,1960;Kalinenko et al.,1962;Ship‐board Scientific Party,1964;Cronan et al.,1969;Wil‐lis,1970;Bezrukov et al.,1973；1974;Glockhoff,1978;Leclaire et al.,1979;NOAA,2020)，這些站位分布零散，采集到的結(jié)核樣品數(shù)量也較少，僅有1處站位用海底攝像發(fā)現(xiàn)了結(jié)核密集分布現(xiàn)象，但該站位水深較淺，約為2819 m(Glockhoff,1978)，也缺乏全樣成分數(shù)據(jù)，是否具有資源潛力還需要后續(xù)調(diào)查工作加以確認。

2.2 東北印度洋

東經(jīng)九十度海嶺以東、破裂海嶺和迪亞曼蒂納斷裂帶以北的東北印度洋海域內(nèi)分布著沃頓海盆、加斯科因平原、阿爾戈平原、居維葉平原和珀斯平原等大型深水地貌單元，可能大規(guī)模賦存多金屬結(jié)核。其中，沃頓海盆是東北印度洋內(nèi)面積最大的深水地貌單元，主要位于印度-澳大利亞板塊交接處的大范圍彌散型復雜變形帶內(nèi)(Gordon,1998;Stevens et al.,2020)?，F(xiàn)今東北印度洋的開裂形成起始于約155 Ma前(Heine et al.,2005)，隨后在約100 Ma前，開裂方向由北西-南東向變?yōu)闁|西向，從而在沃頓海盆內(nèi)形成了眾多南北向的大型斷裂帶(Hananto et al.,2018)。在距今38～36.5 Ma前，沃頓海盆內(nèi)的擴張中心停止活動，之后印度板塊與澳大利亞板塊平行運動，但由于印度板塊與歐亞板塊碰撞產(chǎn)生的阻力，印度板塊比澳大利亞板塊向北運動的速度慢約11 mm/a，導致印度-澳大利亞板塊之間出現(xiàn)相對低烈度的變形作用持續(xù)至今(Jacob et al.,2014;Hananto et al.,2018;Diament et al.,2020)。

到目前為止，在東北印度洋內(nèi)共發(fā)現(xiàn)58處賦存多金屬結(jié)核的站位（圖2），這些結(jié)核在東北印度洋多個地形地貌單元內(nèi)均有出露，但主要分布在沃頓海盆和加斯科因平原等深水區(qū)域內(nèi)，結(jié)核分布水深范圍為1457～6143 m，平均值為4662 m(Shipboard Sci‐entific Party,1961；1963；1964;Pachadzhanov et al.,1963;Isaeva,1967;Cronan et al.,1969;Willis,1970;Bezrukov et al.,1973；1974;Glockhoff,1978;von Stackelberg,1979;Skornyakova et al.,1979;Seibertz et al.,1979;Baturin et al.,1988;MNHN,1998;NO‐AA,2020;ISA,2010)。區(qū)域內(nèi)僅有2處站位通過拖網(wǎng)采樣確認了結(jié)核的密集分布，它們均位于加斯科因平原內(nèi)，多見大中型結(jié)核，水深約為5870 m和6140 m(NOAA,2020)。區(qū)域內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的結(jié)核中有30處站位的樣品進行過全樣成分測試，它們分布在水深2100～5893 m的范圍內(nèi)，平均水深4771 m，w(Mn)、w(Fe)分別為9.72%～24.96%、5.88%～19.40%，平均值分別為17.59%和11.61%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)分 別 為0.01%～1.06%、0.04%～0.35%和0.25%～1.49%，平均值分別為0.34%、0.18%和0.58%(Isaeva,1967;Cronan et al.,1969;Bezrukov et al.,1974;Seib‐ertz et al.,1979;Skornyakova et al.,1979;Shipboard Scientific Party,1979;Baturin et al.,1988;ISA,2020)。

圖2 東北印度洋多金屬結(jié)核分布特征Fig.2 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the Northeastern Indian Ocean

2.3 西北印度洋

查戈斯-拉克代夫海嶺以西，馬達加斯加、留尼旺以及毛里求斯島以北的西北印度洋，分布著阿拉伯海盆、索馬里海盆和馬斯克林海盆等大型深海地貌單元。以歐文斷裂帶為西邊界、西北印度洋脊為南邊界的阿拉伯海盆受到印度河沖積扇的影響，沉積速率較高，地形傾斜，北高南低，是全球生物生產(chǎn)力水平最高的深海盆之一(Singh et al.,2008;余星等，2019;Kumar et al.,2020)。阿拉伯海盆與位于索馬里板塊內(nèi)的索馬里海盆是古近紀早期卡爾斯伯格脊向兩側(cè)海底擴張而形成的共軛深海盆，并廣泛受到德干大火成巖省噴發(fā)以及印度大陸和歐亞大陸碰撞的影響(Ajay et al.,2008)。而位于最南部的馬斯克林海盆的形成開始于白堊紀晚期岡瓦納大陸內(nèi)馬達加斯加和印度的分離，在距今約61 Ma前大規(guī)模海底擴張活動停止(Seton et al.,2012)。

目前在西北印度洋中已發(fā)現(xiàn)的多金屬結(jié)核數(shù)量較少，僅34站位，它們零星地散布在阿拉伯海盆、索馬里海盆、馬斯克林海盆以及西北印度洋脊等地形地貌單位內(nèi)（圖3）(Wiseman et al.,1937;Kalinenko et al.,1962;Shipboard Scientific Party,1964;NIO,1964;1967;Cronan et al.,1969;Willis,1970;Bezru‐kov et al.,1973;1974;Glockhoff,1978;Shnyukov et al.,1984;NOAA,2020;ISA,2010)。在阿拉伯海盆南部海域內(nèi)用拖網(wǎng)在4790 m水深處獲得了超過125 kg的結(jié)核樣品，這些結(jié)核主要為中小型，w(Mn)、w(Fe)為17.25%和13.27%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)分別為0.26%、0.06%和0.81%(Cronan et al.,1969)。在索馬里海盆北部靠近西北印度洋脊，水深3460～4092 m的海域內(nèi)，用海底攝像資料和拖網(wǎng)取樣同樣證實了存在結(jié)核密集分布現(xiàn)象，這幾處相鄰站位的結(jié)核大小差異明顯，大者可達10 cm，小者僅約1 cm(NIO,1964;1967)。此區(qū)域內(nèi)僅有的2處具有全樣成分數(shù)據(jù)的站位顯示結(jié)核的w(Mn)、w(Fe)平均為18.03%和16.66%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)平均較低，分別僅為0.15%、0.08%和0.46%(Shnyukov et al.,1984;ISA,2020)。除以上站位外，其他站位內(nèi)分布的結(jié)核采樣量較少或根據(jù)海底攝像資料推算出的分布密度較低，而可收集到全樣成分數(shù)據(jù)的樣品更是稀少。

圖3 西北印度洋多金屬結(jié)核分布特征Fig.3 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the Northwestern Indian Ocean

2.4 東南印度洋

沿著印度洋擴張速率最快的東南印度洋脊兩側(cè)分布的南澳大利亞海盆和澳大利亞-南極洲海盆面積極為廣闊，前者位于澳大利亞板塊內(nèi)，后者位于南極洲板塊內(nèi)。東南印度洋海底目前已發(fā)現(xiàn)了69處站位存在多金屬結(jié)核(Ericson et al.,1960;Shipboard Scientific Party,1961;Cronan et al.,1969;Bezrukov et al.,1974;Baturin,1975;Frakes et al.,1977;Frakes,1982;Jones,1978;MNHN,1986;NOAA,2020;ISA,2010)，它們主要分布在南澳大利亞海盆遠離東南印度洋脊的深海區(qū)域內(nèi)（圖4）。其中，破裂海嶺和迪亞曼蒂納斷裂帶以南海域分布著被稱為“東南印度洋錳鋪路面（Southeast Indian Ocean Manganese Pave‐ment，簡稱SIOMP）”的結(jié)核密集分布區(qū)，這片沉積速率極低、面積超過90×104km2的區(qū)域首先是于1970年通過海底攝像發(fā)現(xiàn)的(Kennett et al.,1975;Frakes et al.,1977)。1976～1979年間共有4個航次在此區(qū)域內(nèi)進行了詳細的調(diào)查研究，連同其他航次的地質(zhì)取樣工作，共發(fā)現(xiàn)43處站位賦存有多金屬結(jié)核，這些結(jié)核形態(tài)各異，大部分為中小型，部分站位內(nèi)大型結(jié)核較多，其中直徑最大者可達10 cm，分布水深為4050～5967 m，平均值為4669 m(Ericson et al.,1960;Shipboard Scientific Party,1961;Bezrukov et al.,1974;Baturin,1975;Frakes et al.,1977;Frakes,1982;Jones,1978;NOAA,2020;ISA,2010)。整個東南印度洋中發(fā)現(xiàn)的4處利用拖網(wǎng)取樣證實存在多金屬結(jié)核密集分布的站位均位于SIOMP內(nèi)，這些站位水深4050～4650 m，平均值為4380 m(Jones,1978;NOAA,2020)。對37處具有全樣成分數(shù)據(jù)站位內(nèi)數(shù)百個結(jié)核樣品進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，SIOMP中多金屬結(jié)核的成分差異明顯，w(Mn)、w(Fe)分別為3.70%～25.40%和5.20%～16.45%，平 均 值 為16.63%和11.18%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)分別為0.08%～0.60%、0.04%～0.44%和0.07%～1.15%，平均值分別為0.30%、0.15%和0.58%(Bezrukov et al.,1974;Baturin,1975;Frakes et al.,1977;Frakes,1982;ISA,2010)。

圖4 東南印度洋多金屬結(jié)核分布特征Fig.4 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the Southeastern Indian Ocean

除SIOMP外，東南印度洋其他海域內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了26處站位存在多金屬結(jié)核，它們散布在南澳大利亞海盆、東南印度洋脊、澳大利亞-南極洲海盆以及凱爾蓋朗洋底高原側(cè)翼等廣袤的區(qū)域內(nèi)，這些站位內(nèi)未發(fā)現(xiàn)結(jié)核密集分布現(xiàn)象(Ericson et al.,1960;Cro‐nan et al.,1969;Bezrukov et al.,1974;Baturin,1975;MNHN,1986;NOAA,2020;ISA,2010)。

2.5 西南印度洋

西南印度洋構(gòu)造地貌單元眾多，地形復雜。沿著超慢速擴張的西南印度洋脊兩側(cè)分布著馬達加斯加海盆、莫桑比克海盆、厄加勒斯海盆、克洛澤海盆和恩德比海盆等利于多金屬結(jié)核大規(guī)模密集分布的大型深水地貌單元。與西北印度洋內(nèi)結(jié)核站位分布極少不同，西南印度洋內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)的結(jié)核站位多達118處（圖5），也是印度洋內(nèi)結(jié)核密集分布站位發(fā)現(xiàn)數(shù)量最多的海域，共有17處站位利用拖網(wǎng)取樣或海底攝像觀測確認了結(jié)核存在密集分布現(xiàn)象，西南印度洋內(nèi)這些結(jié)核的分布水深差異極大，最淺處僅564 m，最深可達5865 m，平均水深4112 m(Ship‐board Scientific Party,1958；1961；1963；1964；1979;Ericson et al.,1960;Kalinenko et al.,1962;Kaneps et al.,1964;Cronan et al.,1969;Willis,1970;Bezrukov et al.,1973,1974;MNHN,1973；1975；1979;Baturin,1975;Glockhoff,1978;Leclaire et al.,1979;Leclaire,2003;NOAA,2020;ISA,2010)。

圖5 西南印度洋多金屬結(jié)核分布特征Fig.5 Distribution characteristics of the polymetallic nodules in the Southwestern Indian Ocean

西南印度洋最東側(cè)的馬達加斯加海盆和克洛澤海盆都是白堊紀晚期岡瓦納大陸裂解后開始形成的，這2個海盆與臨近的中印度洋海盆西部區(qū)域是共軛體(Yatheesh et al.,2019)。馬達加斯加海盆和克洛澤海盆不僅是目前西南印度洋內(nèi)發(fā)現(xiàn)多金屬結(jié)核分布站位最多的地形地貌單元，也是結(jié)核密集分布最多的海域。其中，馬達加斯加海盆內(nèi)的結(jié)核密集分布現(xiàn)象主要是由海底攝像資料確認的，缺乏全樣成分數(shù)據(jù)。但在馬達加斯加海盆西側(cè)邊緣，靠近馬達加斯加洋底高原的1處站位內(nèi)，利用拖網(wǎng)獲取到目前西南印度洋單站位總質(zhì)量最大的結(jié)核樣品。該站位水深4250 m，采集到的結(jié)核樣品超過300 kg，主要為球狀和類球狀，平均直徑約3.5 cm(MNHN,1979)。該站位多金屬結(jié)核樣品的w(Mn)和w(Fe)平均為15.88%和14.64%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)平均較低，僅分別為0.12%、0.23%和0.21%(Leclaire et al.,1979)?？肆_澤海盆內(nèi)存在著具有全樣成分數(shù)據(jù)的6處結(jié)核密集分布站位，它們的分布水深為3900～4840 m，平均水深為4278 m，w(Mn)、w(Fe)分別為6.12%～18.15%、7.58%～20.20%，平均值為14.56%和14.70%，w(Cu)、w(Co)和w(Ni)普 遍較低，分別為0.05%～0.18%、0.06%～0.24%和0.16%～0.69%，平均值分別為0.12%、0.18%和0.36%(Leclaire et al.,1979)。

到目前為止，西南印度洋內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的多金屬結(jié)核大多分布在東部海域，在中西部的莫桑比克海盆、厄加勒斯海盆內(nèi)發(fā)現(xiàn)的結(jié)核站位相對較少，而恩德比海盆僅在靠近西南印度洋脊的海盆北側(cè)邊緣發(fā)現(xiàn)2處站位存在結(jié)核，這與其廣袤的面積、較深的水深以及較低的沉積速率極不相稱，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與該海域內(nèi)常年惡劣的海況導致海洋地質(zhì)調(diào)查難度較大有關(guān)。

3 多金屬結(jié)核資源潛力評估

根據(jù)目前印度洋內(nèi)除IONF和IOPNRA外已發(fā)現(xiàn)的多金屬結(jié)核的分布情況，本文圈定了面積約為25.6×104～81.3×104km2的5處多金屬結(jié)核區(qū)（圖6），它們分別是位于東北印度洋的加斯科因平原結(jié)核區(qū)（GASN），東南印度洋的南澳大利亞海盆東部結(jié)核區(qū)（SAEN）和西部結(jié)核區(qū)（SAWN），以及分布在西南印度洋脊東段兩側(cè)的馬達加斯加海盆結(jié)核區(qū)（MADN）和克洛澤海盆結(jié)核區(qū)（CRON）。中北印度洋除IONF和IOPNRA外的區(qū)域以及西北印度洋內(nèi)，多金屬結(jié)核調(diào)查研究程度較低，已發(fā)現(xiàn)的結(jié)核分布站位稀少，在目前情況下難以圈定不低于《“區(qū)域”內(nèi)多金屬結(jié)核探礦和勘探規(guī)章》規(guī)定面積的海底結(jié)核分布區(qū)(中國大洋協(xié)會辦公室，2015)。對于已圈定的這5處海底多金屬結(jié)核區(qū)而言，決定其資源潛力的兩大因素是結(jié)核的分布密度和主要有用組分的含量。

圖6 印度洋各多金屬結(jié)核區(qū)地質(zhì)、生物和環(huán)境特征Fig.6 Geological,biological and environmental characteristics of the polymetallic nodule fields in the Indian Ocean

3.1 各結(jié)核區(qū)的分布密度

海底多金屬結(jié)核的分布密度是指單位面積內(nèi)結(jié)核的質(zhì)量，是衡量區(qū)域內(nèi)結(jié)核礦石規(guī)模的核心指標(中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會，1998)。目前在印度洋內(nèi)圈定的這5處多金屬結(jié)核區(qū)的調(diào)查研究程度偏低，各區(qū)域內(nèi)已發(fā)現(xiàn)結(jié)核的站位為16～33處，其中證實存在結(jié)核密集分布現(xiàn)象的站位僅有0～8處（表1）。如此稀少的結(jié)核分布信息，難以全面揭示這些區(qū)域內(nèi)多金屬結(jié)核的分布密度狀況。因此，需要借助這些區(qū)域的地質(zhì)、生物和環(huán)境等信息進行結(jié)核分布密度高低的評估。

表1 印度洋各多金屬結(jié)核區(qū)分布密度評估分值及類型劃分Table 1 Assessment scores of the distribution abundance and the classifications of the polymetallic nodule fields in the Indian Ocean

科學界通常認為有利于深海多金屬結(jié)核密集分布的區(qū)域，應具有如下特征(Hein et al.,2013；2014;Petersen et al.,2016)：①水深較深，一般不淺于各海區(qū)的碳酸鹽補償深度，地形較為平坦，沉積物沉積速率較低；②表層水體的初級生物生產(chǎn)力適中，底層水體的含氧量充沛且流速適中；③沉積物中存在一定數(shù)量生物的擾動。最近的研究工作借助貝葉斯線性回歸分析將全球海底多金屬結(jié)核分布特征及其關(guān)鍵地質(zhì)、生物和環(huán)境參數(shù)的大量信息進行網(wǎng)格化融合，以生成機器學習模型，從而進一步量化，揭示出制約海底多金屬結(jié)核大規(guī)模聚集的七大約束條件，這些條件根據(jù)重要程度由高到低排列如下(Dutkie‐wicz et al.,2020)：

（1）超低沉積速率（＜0.5 cm/ka）；

（2）底層水中-高含氧量（150～210 mmol/m3）；（3）底質(zhì)類型以遠洋黏土為最佳，其次為鈣質(zhì)軟泥；

（4）夏季海洋低表層生產(chǎn)力（＜300 mgC/m2/天）；

（5）低底棲宏生物量（＜1 log mgC/m2）；

（6）水深＞4500 m；

（7）表層沉積物總有機碳含量低（0.3%～0.5%）。

本文將這5處區(qū)域的海洋長周期沉積速率、底層水含氧量分布、底質(zhì)類型、夏季海面平均生物生產(chǎn)力、底棲宏生物量狀況、海底地形地貌特征和海底表層沉積物有機碳含量等數(shù)據(jù)信息（圖6）(Seiter et al.,2005;Wei et al.,2010;Dutkiewicz et al.,2015;2017;Lee et al.,2019)，與海底多金屬結(jié)核大規(guī)模聚集的約束條件進行對比研究。本文設定這5處區(qū)域的地質(zhì)、生物和環(huán)境屬性特征整體符合約束條件時為2分，部分符合條件時為1分，偏離條件較遠而呈現(xiàn)出于迥異特征時為0分。將這5處區(qū)域?qū)傩蕴卣鞯姆锨闆r與各約束條件的權(quán)重系數(shù)(Dutkiewicz et al.,2020)相乘后加和，得到各區(qū)域多金屬結(jié)核的分布密度高低評估分值，分值越高,指示區(qū)域內(nèi)結(jié)核的整體分布密度越高。從表1中可以看出，這5處區(qū)域的結(jié)核分布密度評估分值差異明顯，GASN和MADN的分值明顯高于其他區(qū)域，而SAWN分值最低，這也與該區(qū)域內(nèi)已發(fā)現(xiàn)16處站位存在結(jié)核，卻沒有1處站位顯示結(jié)核密集分布現(xiàn)象相一致。5處區(qū)域中面積最大的CRON雖然評估分值中等，卻已發(fā)現(xiàn)8處結(jié)核密集分布站位，暗示了該區(qū)域內(nèi)可能存在次級面積的結(jié)核高分布密度區(qū)，但受限于當前區(qū)域內(nèi)多金屬結(jié)核的調(diào)查研究程度和相對低精度的地質(zhì)、生物和環(huán)境數(shù)據(jù)，難以進行更精細的劃分。因此，本文將評估分值高于5分的GASN和MADN劃分為具有結(jié)核高分布密度的一類區(qū)，其他3處低于4分的區(qū)域為相對低分布密度的二類區(qū)。

3.2 各結(jié)核區(qū)的主要有用組分含量

Cu、Co、Ni是深海多金屬結(jié)核礦石資源中最重要的有用金屬，Mn作為結(jié)核中通常含量最高的金屬，也是未來開發(fā)利用的關(guān)鍵有用組分之一(Hein et al.,2014;Petersen et al.,2016)。當前，銅礦、鈷礦、鎳礦屬于中國24種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源的范疇，是滿足中國經(jīng)濟和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要管理部門制定特殊的政策或措施保障供應安全的礦產(chǎn)類型(陳甲斌等，2020a)。中國目前的銅礦、鎳礦和鈷礦探明儲量僅占全球的3.1%、3.1%和1.5%，錳礦的探明儲量也僅占全球的7.1%，家底較為薄弱(陳甲斌等，2020a)。近年來，新一代信息技術(shù)、高端裝備制造等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，導致中國對包括銅礦、鎳礦和鈷礦等在內(nèi)的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源的需求維持在高位態(tài)勢，這給中國相關(guān)金屬資源的持續(xù)性安全供給提出了重大挑戰(zhàn)(陳甲斌等，2020b;郭娟等，2021)。隨著深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)裝備的蓬勃發(fā)展和日益成熟，印度洋各結(jié)核區(qū)內(nèi)的Cu、Co、Ni等礦產(chǎn)也許是實現(xiàn)這些關(guān)鍵金屬資源供應安全穩(wěn)定和多元化的重要手段。

印度洋5處多金屬結(jié)核區(qū)內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)具有全樣成分數(shù)據(jù)的站位8～24處，這些結(jié)核樣品的主要有用組分平均含量差異明顯（表2），w(Cu)、w(Co)和w(Ni)分別為0.22%～0.45%、0.14%～0.28%和0.29%～0.77%，w(Cu+Co+Ni)為0.80%～1.32%，w(Mn)為13.47%～20.77%。其中，SAWN內(nèi)結(jié)核樣品的Cu+Co+Ni以及Ni、Mn的含量均為最高，GASN內(nèi)結(jié)核樣品的Cu+Co+Ni含量次之，但Cu含量最高。其余3處區(qū)域結(jié)核樣品的Cu+Co+Ni含量大幅度降低，Mn含量也遠低于SAWN和GASN。因此，將SAWN和GASN劃分為主要有用組分高含量的一類區(qū)，其余3處區(qū)域為主要有用組分相對低含量的二類區(qū)。

表2 印度洋各多金屬結(jié)核區(qū)主要有用組分含量及類型劃分Table 2 Grade of the valuable metals and the classifications of the polymetallic nodule fields in the Indian Ocean

與同屬于印度洋的IONF、以及太平洋CCZ、秘魯海盆（PB）、庫克群島海域及彭林海盆（CI）等全球重要多金屬結(jié)核成礦區(qū)內(nèi)的樣品成分(Hein et al.,2020)進行比較研究，發(fā)現(xiàn)印度洋5處區(qū)域內(nèi)結(jié)核樣品的主要有用金屬中，除Co外，Cu、Ni和Mn的含量普遍偏低（圖7）。這5處區(qū)域內(nèi)樣品的Co含量較高，均高于同屬于印度洋的IONF以及太平洋的PB，與CCZ相當，僅低于主要為水成型的CI。與IONF、CCZ和PB等區(qū)域不同，印度洋這5處區(qū)域內(nèi)結(jié)核樣品的Ni、Cu、Mn等過渡金屬的含量低，而Co含量高的特征暗示了這些區(qū)域內(nèi)結(jié)核樣品的成巖成因組分的供給相對較低，水生成因組分的供給較高(Hein et al.,2014;Kuhn et al.,2017;Hein et al.,2020)。

圖7 印度洋多金屬結(jié)核區(qū)與全球結(jié)核重要成礦區(qū)主要有用組分含量對比Fig.7 Grade of the valuable metals in the polymetallic nodules from the research areas and the highest potential areas of the global ocean

3.3 各結(jié)核區(qū)資源潛力分類

通過對直接制約海底多金屬結(jié)核區(qū)資源潛力的兩大因素，即結(jié)核的分布密度和有用組分含量高低的研究，發(fā)現(xiàn)在印度洋內(nèi)圈定的這5處結(jié)核區(qū)中，GASN無論是結(jié)核分布密度還是有用組分含量均為一類高值區(qū)，展示出相對最高的資源潛力，因此將其歸入高資源潛力區(qū)的范疇。GASN和IONF具有相似的地質(zhì)特征，這2處區(qū)域內(nèi)低程度的變形作用和大量的海山、斷層的存在，有利于增高成核物質(zhì)的供給量，提升結(jié)核的分布密度以及主要有用金屬的含量(Kuhn et al.,2017;Mukhopadhyay et al.,2018)。MADN和SAWN分別在結(jié)核分布密度或有用組分含量一項參數(shù)上呈現(xiàn)出一類高值特征，而另一項參數(shù)則呈現(xiàn)二類低值特征，因此將這2處區(qū)域劃分為中等資源潛力區(qū)。CRON和SAEN無論是結(jié)核分布密度還是有用組分含量均較低，因此劃分為低資源潛力區(qū)。

目前，印度洋內(nèi)多金屬結(jié)核的分布和成分特征更多地展示出了調(diào)查研究程度的差異，而非其全面完整的地質(zhì)特征。科學界對各區(qū)域內(nèi)地質(zhì)、生物和環(huán)境屬性特征的掌握也不夠充分，缺乏高分辨率的相關(guān)數(shù)據(jù)，制約了人們對這些多金屬結(jié)核區(qū)資源潛力的認知。印度洋內(nèi)多個海盆形成且接受穩(wěn)定沉積距今已有數(shù)千萬年，有充足的時間供結(jié)核形成和生長。因此，在本文圈定的5處多金屬結(jié)核分布區(qū)中，尤其是GASN內(nèi)進一步精確鎖定不低于ISA規(guī)定面積的海底結(jié)核潛力區(qū)依舊存在不小的可能性，后續(xù)調(diào)查研究工作的深入開展將進一步檢驗和完善資源潛力評估方法，并深入揭示這些區(qū)域的詳細資源潛力狀況。

4 結(jié)論與展望

（1）通過對印度洋內(nèi)除IONF和IOPNRA外圈定的5處海底多金屬結(jié)核區(qū)的地質(zhì)、生物和環(huán)境屬性特征的加權(quán)評估，得出GASN和MADN為結(jié)核的一類高分布密度區(qū)，CRON、SAEN和SAWN為結(jié)核的二類低分布密度區(qū)。

（2）以Cu、Co和Ni等結(jié)核的主要有用組分，輔以Mn等重要金屬組分進行等級劃分，得出SAWN和GASN為一類高有用組分含量區(qū)，SAEN、CRON和MADN為二類低有用組分含量區(qū)。

（3）綜合分析各區(qū)域內(nèi)多金屬結(jié)核分布密度和主要有用組分含量的高低狀況，確定GASN為印度洋內(nèi)結(jié)核高資源潛力區(qū)，MADN和SAWN為中等資源潛力區(qū)，CRON和SAEN為低資源潛力區(qū)。

（4）未來在印度洋的這些區(qū)域內(nèi)，尤其是GASN中有希望通過進一步的調(diào)查研究工作，精確鎖定具有更高資源潛力的次級面積多金屬結(jié)核勘探區(qū)，檢驗和完善資源潛力評估方法，精細量化這些區(qū)域的資源潛力。