海底矿产资源与成矿作用作业

海底多金属硫化物资源研究现状和未来战略规划姓名：李梦星专业：2013级海洋地质学号：21130411008摘要：随着调查和研究的深入，世界各国对国际海底区域分布的多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物和深海稀土几种深海固体矿产资源的关注程度日益增高，越来越多的国家为占有国际海底资源，加快了资源调查和评价的步伐，国际海底区域矿产资源的竞争形势愈加紧迫。本文结合专业，对我国多金属硫化物资源的开发现状进行论述；并从深海矿产资源商业规模的经济开采受限，对深海采矿的相关技术亟须开展深入研究，制定相应目标及对策。关键词：海底矿产资源多金属硫化物研究现状开发技术1引言国际海底区域蕴藏着丰富的战略矿产资源，其中多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物和深海稀土几种深海固体矿产越来越受到国内外的广泛关注。随着现代社会和工业对各种矿产资源需求的增大以及陆上矿产资源的逐渐枯竭,研究和开发大洋海底矿产资源的问题就变得越来越迫切了。从上世纪50年代开始至今，世界各国对几种深海固体矿产开展了不同规模的勘查和研究。随着研究的深入，几种深海固体矿产潜在的经济价值越来越受到人们的重视，许多国家为占有国际海底资源，发展国家后备战略矿产资源，加快了国际海底资源勘查和评价的步伐。国际海底区域资源竞争的形势愈加紧迫，“蓝色圈地”运动愈演愈烈。对国际海底区域内几种深海固体矿产资源的分布和勘查现状进行综合评述，以期对国际海底矿产的当前形势有所了解和把握。海底块状多金属硫化物是继多金属结核、富钴结壳等深海矿产资源人类认识到的又一种新的海底矿产资源，由于其赋存水深较浅、距离陆地较近，经济价值也相对较高，被认为具有较好的开采价值和优势。近年来，国际市场铜等金属价格的一路飙升以及海洋油气资源开发技术的不断发展，刺激了国际上对多金属硫化物研究及开发活动的不断加强，开采多金属硫化物的可行性和必要性都在加大。本文介绍了国际上对多金属硫化物的研究开发现状，特别是在西南太平洋区域对多金属硫化物的商业勘探活动和开采计划等情况，并对多金属硫化物的开采前景进行分析，希望所提供的信息能引起国内相关部门和企业对该方面情况的关注。2海底多金属硫化物海底热液多金属矿床是以多金属硫化物为主，伴生有Fe、Cu和Zn的氧化物、Fe的硅酸盐以及Mn的氧化物的海底矿床类型，它们是由热液过程及其伴生的海底火山活动所形成的。某些情况下，可有重晶石、二氧化硅和硬石膏等矿物。迄今所发现的热液多金属矿藏多数位于大洋中脊扩张中心（包括红海在内），少数见于弧后盆地、火山弧区和板内热点火山。海底热液多金属矿床大多是海水通过裂隙进入海底岩石并淋滤其中的金属元素，从而变成成矿溶液，并最终回到海底沉淀其中淋滤的金属元素而形成的。这种反应的驱动力是侵入地壳的岩浆所提供的热。如果热液在上行的过程中遇到相当数量的冷的下行海水，其中大部分的金属物就会沉积下来，在洋壳的上部形成网状矿脉；如果上行通道中没有海水注入，则会在海底形成喷溢未经稀释的热液的烟囱，分选良好的热液沉积悬浮物发生沉淀而形成热液矿床。并不是所有海底热液矿床都是通过简单的海水─玄武岩反应所形成的热液沉淀而成的产物。如果热液在到达海底前要通过沉积物通道，热液和沉积物之间的反应所导致的热液的组份和只通过大洋玄武岩基底的热液组份不同。例如，在Galapagos断裂带的热液丘，热液和深海沉积物之间的反应形成了富铁蒙脱石，而非热液硫化物沉积，其上为与海水接触的氧化锰沉积(Moorby和Cronan1983)。在加利福尼亚湾的Guaymas海盆，高温的热水溶液和沉积物发生反应，导致碳酸钙和硅质生物的溶解，并沉积形成各种新的热液矿物相。海底热液多金属矿体的形成与喷溢热液流体的烟囱有着密切的成因联系。大多烟囱的生长可以非常迅速。深潜观测发现烟囱的生长速率在烟囱生长初期阶段可达30cm/天(Goldfarb等1983)，老烟囱达8cm/天(Hekinian等1983)。烟囱可高达20m以上，随后塌落形成由烟囱碎石组成的热液沉积丘，相邻烟囱的交互生长同样可以形成热液丘。因此，丘状地貌是海底热液多金属矿体的突出特征。据Rona(1984)的估计，一个典型的热液沉积丘状矿体含有约1000t左右的金属物质。2.1海底热液矿床的分布自从发现第一个黑烟囱以来，大洋中已发现200多个热液活动区。在这些沉积中，大约有15个热液沉积矿床，若位于陆地上，已达到矿藏的规模，它们的大小和品位都与那些陆上现已开采的古硫化物矿床相似。已知的146个硫化物矿床位于四种不同的构造环境中(图1)。1978年首次(Cyamex等1979；Francheteau等1979；Spiess等1980)在东太平洋海隆21°N和Galapagos海脊(Corliss等1979)发现海底硫化物成矿作用，这些发现证实了热液活动是与新洋壳产生密切相关的重要过程。大量的航次调查已确认热液过程导致了大型硫化物矿床的形成（Rona1988；Rona和scott1993；Scott1987）。过去20多年中的探索已经在大洋中发现了多种热液活动和沉积矿床，其多样性首先要归因于多种多样的地球动力环境和源岩性质。现在已在快速扩张洋脊、超快速扩张洋脊、慢速扩张洋脊、有沉积物盖层的洋脊、年轻和成熟的弧后盆地、岛弧以及破裂带发现热液沉积矿床。图1热液硫化物矿床在大洋中的位置，同时给出地球动力环境与源岩类型,带下划线的地名对应大型沉积矿床2.2大型海底热液矿床的地质背景在陆上，火山成因的大型块状硫化物矿床的平均大小为1.3×106t，而且对于每一个“大型矿床”都可能包含100个或者更多的小型沉积矿床。有的现代海底热液沉积矿床的规模和品位与这些古矿床相当。现代海底热液活动区，特别是大型热液成因多金属硫化物矿床区的形成受到多种复杂地质因素的控制。尽管大部分现代海底热液活动区(42％)位于快速扩张的洋中脊上，但在这些热液活动区中大多都不对应形成大型硫化物矿床。表1中列出了一些大型热液矿床，它们主要位于三种火山环境：慢速扩张脊、快速扩张脊和弧后盆地。表1大洋中大型硫化矿床的主要特征位置地质背景地质控制因素水深(m)扩张率cm/yr源岩类型/大小LuckyStrike慢速扩张脊地形高地＋南北向断层＋破火山口16502.2富集型洋中脊玄武岩1km×1kmTAG慢速扩张脊裂谷壁＋交错断层＋火山中心36502.6洋中脊玄武岩250×45m高＋2个丘体SnkaePit慢速扩张脊地形高点＋火山中心＋地堑34652.6洋中脊玄武岩3个丘体250m×55m14°45'N慢速扩张脊裂谷壁＋轴部高地＋转换断层30002.6方辉橄榄岩300m×125m×80m13°N离轴区快速扩张脊海山＋塌陷火山口＋熔岩盖层265012洋中脊玄武岩200m×70m高，800×200mExporer洋脊中速扩张脊新火山洋脊＋交错断层18006富集型洋中脊玄武岩200×25m高＋其它丘体Galapagos中速扩张脊断层＋双裂谷＋中央裂谷断层28506洋中脊玄武岩3个丘体1000×150×35mVaiLili不成熟弧后盆地地形高地，火山脊17106玄武岩-安山岩-流纹岩400×100mPereLachaise成熟弧后盆地三联点＋火山高地19507洋中脊玄武岩1km×1kmPacmauns不成熟弧后盆地地形高点＋拉张脊1675?玄武岩-英安岩-流纹岩3km间隔的丘体Jade不成熟弧后盆地拉张区16107.3玄武岩-流纹岩-沉积物丘体和烟囱体MiddleValley有沉积盖层的洋脊受断层＋岩基＋沉积盖层控制25006玄武岩-沉积物75×35×95m高NESCA有沉积盖层的洋脊火山活动中心＋沉积盖层33002.2沉积物-玄武岩几个丘体(100m长)Atlantis2不成熟大洋轴部盆地＋卤水盖层20002沉积物100Mt3海底多金属硫化物的研究现状1948年瑞典科学家利用“信天翁号”考察船在红海中部AtlantisⅡ深渊附近（２１°２０′Ｎ，３８°０９′Ｅ，水深1937ｍ）发现高温高盐溶液。1963-1965年国际印度洋调查期间，在红海轴部及中央盆地中识别高温高盐溶液，发现热液多金属软泥，揭开了海底热液活动研究的序幕。从20世纪80年代起，世界上几个主要工业国家就制定了勘探和开发海底多金属硫化物的国家计划。苏联早在20世纪60年代中期，就在太平洋获得了多金属硫化物样品，并对大洋热液过程的成因进行研究。２０世纪60-10年代，苏联在太平洋洋中脊和印度洋进行了一系列的调查，研究低温金属沉积物和热液矿床的成因。除俄罗斯外，大力进行海底多金属硫化物调查勘探和研究工作的还有美国、法国、德国、英国、日本、加拿大和澳大利亚。目前，葡萄牙和意大利也制订了勘探深海多金属硫化物的计划。我国海底多金属硫化物研究起步较晚，1988年7-8月中德科学家合So-57航次对马里亚纳海槽区热液多金属硫化物的分布情况和形成机理进行调查和研究，获得非活动性的热液多金属硫化物和硅质“烟囱”。这是我国科学家首次参加的热液活动调查。1988年９月至1989年1月期间，中国科学院海洋研究所组队参加了苏联科学院组织，为期5个月的太平洋综合调查，沿太平洋海岭采到热液沉积物样品。1992年6月受国家自然科学基金委员会（NS-FC）资助，中国科学院海洋研究所赵一阳教授组织对冲绳海槽中部热液活动调查，这是我国首次独立组队进行热液活动的调查，取得了一些重要成果。2005年，我国执行首次环球大洋科学考察任务，在大西洋进行海底热液多金属硫化物前期调查，获得了超过200kg热液多金属硫化物和海底沉积物样品。2007年，中国“大洋一号”深海考察船在水深2800ｍ西南印度洋中脊，发现了新的海底热液活动区（“黑烟囱”）。2008年5月22日至2009年3月17日，“大洋一号”船两度横跨太平洋和印度洋，共发现了11个海底热液区和4个热液异常区。2009年7月18日至2010年5月28日中国第二次环球大洋科学考察远涉太平洋、大西洋和印度洋三大洋，在大西洋发现了新的热液活动区。中国大洋航次国大洋22航次（2010年12月８日至2011年12月18日）第二航段在南大西洋洋中脊新发现3个热液区和4个热液异常区。由于多金属硫化物所具备的潜在资源价值，尽管在其开采所面对的环境影响及限制、技术可行性及经济性、相关法律政策等方面还存在诸多的未确定因素，一些国际大型资源开发商和投资商已介入多金属硫化物的商业化开发活动。国际上早在上个世纪末已经开始，而我国也于2010年向联合国国际海底管理局提交了位于西南印度洋的硫化物矿区申请，这是国际上首例对多金属硫化物矿区的申请。我国在世界上按照相关规章第一个提出矿区申请，是建立在长期对海底热液硫化物科考调查的基础上，2011年11月18日，中国大洋矿产资源研究开发协会与国际海底管理局签署《国际海底多金属硫化物矿区勘探合同》。随着陆地金属矿产资源的日渐枯竭和人类对金属需求的不断增长，对多金属硫化物以及多金属结核、富钴结壳等深海矿产资源的商业开采将是必然的选择。但多金属硫化物商业开采的时机是否已经到来却取决于多金属硫化物的自身品质、国际市场金属需求和价格变化、开采技术能力与成本等必要性和可行性的多方面因素。随着陆地金属矿产资源的日渐枯竭和人类对金属需求的不断增长，对多金属硫化物以及多金属结核、富钴结壳等深海矿产资源的商业开采将是必然的选择。但多金属硫化物商业开采的时机是否已经到来却取决于多金属硫化物的自身品质、国际市场金属需求和价格变化、开采技术能力与成本等必要性和可行性的多方面因素。4多金属硫化物的开采可行性分析4.1技术可行性分析根据发现的矿点水深情况，相对其他海底多金属结核及富钴结壳等资源而言，海底多金属硫化物一般分布在相对较浅的水域，从几十米至3500ｍ不等，多出现在2500ｍ左右，开采系统技术问题相对比较容易解决。海底多金属硫化物特殊的地质背景及结构形态，从另一个角度为开采系统设计提供了极大的便利，即对于一般呈丘状的硫化物矿体，采集器无需像采集多金属结核那样在较大的区域来回采集，更无需复杂的路径规划，而更趋向于集中在小块海底区域内的定点作业。因此，采矿系统对采集器