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当前位置:首页 > 行业资料 > 冶金工业 > 第十一章 海洋矿产资源精讲
第一节深海底固体矿产第二节滨海及陆架海洋固体矿产第三节海洋石油天然气资源第十一章海洋矿产资源第一节深海底固体矿产一、海洋矿产的类型与分布二、大洋矿产的特征与成因三、深海底矿产资源的开发前景与研究意义一、海洋矿产的类型与分布•(一)海洋矿产资源的概念•所谓海洋矿产资源,通常是指目前处于海洋环境下的除海水资源以外的矿物资源;而对那些过去是在海洋环境下形成的现在已是陆地组成部分的矿物资源,原则上应归属于陆地矿产资源。•海洋是人类的巨大宝库,是未来社会物质生产的重要原料基地。在地球上已发现的百余种元素中,有80种在海洋中存在,其中能够直接提取利用的有60余种。从海岸到大洋,从海面到海底分布有丰富的海洋矿产资源。•众所周知,随着社会经济的迅速发展,陆地矿产资源日趋紧缺,人们自然而然地把目光投向海洋。自上世纪70年来以来,各发达国家已对海洋矿产资源给予极大关注;•目前世界各国竞相发展海洋高新技术,实施“科技兴海”战略,其目的,就是为了开发利用海洋矿产资源。海洋矿产资源的巨大潜力始终吸引着人们,导致了近30年来海底矿产资源的重大发现。然而迄今为止除开发海洋石油天然气资源已成为全世界海洋第一大产业和滨海砂矿在某些国家形成了一定的产业规模之外,其他矿产资源的开发却难以进展。它一方面受到经济合理性的制约,另一方面目前尚难以预测开采海底矿产对环境造成的巨大影响和全球生态系统的破坏。因此,各国对于海底矿产资源的调查和研究大多出于为维护国家海底权益的战略性考虑。由于政治的、经济的、技术的和市场的原因,尽管许多海洋矿产资源目前还只具有潜在地远景地位,但是对海洋矿产资源的勘探开采,必将势不可挡。海洋矿产资源正以其自身的潜力和价值备受青睐,并日益成为各国激烈争夺的对象。需要指出的是,在对海洋矿产资源进行开发和利用时,应当而且必须遵循可持续发展的原则,既要满足当代人的需求,又要以不损害后人的生存和发展为前提。(二)海洋矿产资源的分类作者梅罗(1963)米契尔加森(1981)克罗南(1984)周福根(1982)朱而勤(1978)郭步英沈锡昌(1989)分类原则海洋分区海洋构造环境矿种海洋分区海洋地质环境环境与矿种矿产分类1海水矿产2海滩矿产3大陆架矿产4洋底表层沉积矿产5海底硬岩矿产1被动大陆边缘矿床2大洋环境形成矿床3俯冲带有关矿1海滩砂矿和集合粒2海洋自生矿物3磷块岩4锰结核和锰结壳5含金属软泥6海底次表生矿床1海滨砂矿2磷钙石3海绿石4海底石油5海底锰结核6重金属软泥海水矿产1滨海砂矿2海底磷矿3洋底锰结核和锰结壳4海底多金属软泥5海底块状硫化物矿床6海底油气藏海底矿产表层矿产1砂矿2自生沉积矿3复成因矿4远洋沉积矿底岩矿产1表下矿产2基岩矿产•从上表可知,多数学者都是根据海洋矿产资源的矿物种类及其产出的海洋地质环境进行分类,虽有微小的差别,但总体来说比较接近。本章将遵循上述原则,在描述各类海洋矿产资源的形态、分布、矿物组成和化学成分的同时,尽量考虑其形成环境并探讨其形成机制,力求全面地反映最新研究成果。机械沉积分异矿产砂矿(Au、Pt、Sn、Ti、REEs、金刚石等)海岸带建筑与工业砂海岸带、陆架区化学或生物化学沉积成因矿产磷钙土(P)上升流发育的陆坡、岛屿、海山斜坡铁锰结壳(Co、Pt、REEs、Mn)800~3500m水深的大洋岛屿与海山斜坡带成岩成因矿产铁锰结核(Cu、Co、Ni、Mn等)深海平原区海洋成因矿产甲烷气体水合物(CH4)500m水深以下海底沉积物表层热液成因矿产多金属软泥(Au、Ag、Pb、Zn、Mn等)新生海底裂谷带、大洋中脊、海底热点活动区、弧后扩张区块状硫化物(Cu、Pb、Zn、Au、Ag等)大洋中脊、弧后扩张区等铁锰氧化物(Fe、Mn)新生海底裂谷带、大洋中脊、海底热点活动区、弧后扩张区非海洋成因矿产石油、天然气、煤以及基底岩石中的其他矿产(陆地有的矿产在海底,特别是陆架基底均可出现)陆架区海洋矿产类型与分布二、大洋矿产的特征与成因海底磷矿铁锰结核铁锰结壳多金属热液沉积物甲烷气体水合物海底磷矿海底磷矿是指P205含量18%的磷块岩(由于其中富含Ca0,又称磷钙石),其主要矿物成分是胶磷矿,为隐晶质或呈胶状构造的磷灰右。此外,还包括与胶磷矿伴生的细晶磷灰石。海底磷矿的一般特征和地理分布(一)海底磷矿的一般特征海底磷矿(磷块岩或磷钙石)一般呈结核状、块状、板状、颗粒状产出,其内部多呈鲕状或层状构造,通常含杂质较多,常呈暗灰色。如含大量碳或黄铁矿,则呈黑色。磷块岩中的主要杂质为粘土、碎屑物、海绿石、方解石、白云石、碳质、硅质、黄铁矿以及一些生物骨屑等。其结核通常呈不规则状,致密坚固,相对密度为2.6~2.8,硬度:(摩氏硬度)5。结核大小相差悬殊,在加利福尼亚湾沿岸平均直径为5cm,最大结核为60×50×20cm3(Dietz等,l942)(二)海底磷矿的地理分布海底磷矿主要分布在滨外浅滩、浅海陆架、陆坡上部、边缘台地、海山等处,产出水深一般为几十至几百米,但也可以产于上千至几千米深的海底。在出现上升流,特别是在上升流辐散、沉积速率不大的地方,更有利于海底磷矿的富集。通常,大洋东侧较其西侧更富集。海底磷矿的地理分布1、2大陆边缘磷块岩3.海山磷块岩大陆边缘磷块岩1.主要分布在四个地带:(1)东大西洋带主要在非洲西海岸外,如南非的厄尔勒斯难、西南非洲的纳米比亚、中非的安哥拉、西北非的摩洛哥和撒哈拉等地的陆架区;(2)西大西洋带主要是北美洲岸外,如布莱克海台、佐治亚和北卡罗来纳的陆架区;(3)东北太平洋带指加利福尼亚湾和墨西哥湾陆架区和陆坡上部;(4)东南太平洋带主要是指秘鲁一智利岸外的陆架区。2.海山磷块岩主要分布在太平洋地区,包括海底火山、平顶山(截顶山)、海岭等,如印度尼西亚西南部海山、新西兰附近的海山所产磷块岩。海底磷矿的化学成分海底磷矿(主要为胶磷矿)的化学成分为Ca(PO4)2·2H2O,其中PO43-可以被CO32-置换,由置换反应造成的化学不平衡可由F-、OH-、Cl-等介入而得以补偿(Gulbrandsen等,1966,Price和Galvert,1978),形成含F、Cl、OH、CO3等的一系列磷灰石变种。海底磷矿的产出环境及形成机制(一)海底磷矿的产出环境1.富磷的氧化环境由于冷暖海流汇合,引起温度大幅度而迅速的变化,使深海生物大量死亡,导致生物体腐解,创造了海水中溶有大量磷酸盐的环境。一旦富磷酸盐进入氧化的海洋环境,磷酸盐即以胶体形式凝聚于海底。2.CO2含量低的环境海水中磷酸盐的可溶性决定于CO2的含量。当深部富磷酸盐海水涌向表层时,由于压力降低、温度升高、CO2逃逸,导致磷酸盐过饱和而沉淀。3.pH值低的厌氧环境磷灰石形成于pH值低的厌氧海盆环境中。不过,在加利福尼亚湾南部海域某些氧化强烈的海洋环境中,也发现海底磷灰石。看来,厌氧环境是形成磷灰石的有利条件,而非必要条件。(二)海底磷矿的形成机制1.在大洋东侧的上升流区较冷的富含P2O5的海水,从深部上升到陆坡上部、外陆架区,给表层海水中的生物提供了迅速繁殖的条件;2.随后,浅海浮游生物吸收海水中的磷并使其固定;3.当海水中大量生物的粪粒及生物死亡之后的残骸堆积于海底,其中大部分腐解,参与水体的再循环,并改变海水的pH浓度(使pH值升高),有利于海水中磷酸盐沉淀;4.有机质磷分解后溶于沉淀物的孔隙中,其浓度可达8~9mg/l,以此过饱和状态,在沉积物颗粒表面析出磷酸盐凝胶、并不断富集,可使P2O5含量增至20%~30%。在此过程中,由于成岩作用,海底溶液中的Mg2+浓度不断降低,也促使磷酸盐沉淀;5.原始磷酸盐沉淀物呈半液态的粉砂、粘土级质点,经波浪的簸选,把轻组分带出,使较重的磷钙石等在原地富集。大陆架上现代磷块岩形成机制大洋矿产的特征与成因海底磷矿铁锰结核铁锰结壳多金属热液沉积物甲烷气体水合物•一、锰结核•锰结核(亦称铁锰结核、多金属结核、锰结核、锰矿瘤、锰矿球)是一种富含多金属元素,主要由铁锰氧化物和氢氧化物组成的黑色“球状”沉积物团块。其中除含有多量的铁、锰外,还富含铜、镍、钴、铅等金属元素,含量一般大于1%,成为仅次于海底石油的重要海洋矿产资源。(一)锰结核的基本特征•锰结核一般为黑色、绿黑色至褐色,由多孔的微晶集合体、胶状颗粒和隐晶质物质级成,外形常呈球状、椭球状、菜花状,其表面有三种类型:粗糙表面、光滑表面和葡萄状表面。就单个结核体来说,其外表形态也有极大的变化,尤其是结核的上部和下部可呈现出极大的差异。•据雷布(1972)的研究,“汉堡包”形锰结核,上部与海水接触,其成分中铁、钴占优势,主要由海水中所含元素供给;下部处于海底沉积物埋藏状态下,其成分中锰、镍、铜占优势,主要由沉积物内孔隙水中所含元素供给。•锰结核的硬度变化较大,按摩氏硬度可分1~4;其大小相差悬殊,有直径小于1mm的微结核,也有直径大于10cm的大结核,一般直径为2~6cm。锰结核的平均密度为1.96g/cm3,•结核核心物质有四类:①老的锰结核碎块;②深海沉积物(如深海粘土等)③火山碎屑;④生物骨骼。(二)锰结核的分布特征铁锰结核广泛分布于世界大洋海底(公海区)。其最佳分布海区是水深4500~5500m的海底平原区。其中太平洋最富,其次是印度洋和大西洋。依据大洋底的构造地貌特征和海区所处的地理位置以及锰结核的化学成分、丰度等,可在太平洋划分出八个主要的锰结核富集区;①克拉里昂和克里帕顿区(也称CC区);②中太平洋区;③威克——内克区;④夏威夷区;⑤加利福尼亚区;⑥南太平洋区;⑦米纳德区;⑧德雷克——斯科舍区上述富集区均位于中太平洋和东北太平洋,而且以6°~12°N、120°W~160°E的广大海域内锰结核最丰富。因为赤道附近为高生物生产力的带,限制了锰结核的生长,而太平洋缘,由于陆源碎屑物的大量输入,也不利于氧化锰的生长。北太平洋海底,某些地区深海粘土堆积速率仅为1mm/103a,也有利于锰结核的生长,所以锰结核在该海域含量最高。印度洋洋底锰结核主要分布在赤道以南。因为北印度洋洋底的大部分为巨大的深海扇所占据,大量陆源碎屑物的输入,使锰结核不可能发育。大西洋是三大洋中锰结核最不发育的洋区。这是由于其洋底的大部分在碳酸盐补偿深度以上的缘故。但是在大西洋两侧的深海盆地内,却分布着丰富的锰结核,这可能与大西洋底流的强烈活动有关。我国经过近20年的调查,在C—C区已获得一块75000km2的“可供未来开发的铁锰结核矿区”。世界大洋铁锰结核分布图(三)锰结核的矿物组成及化学成分1、矿物组成铁锰结核中的矿物大致可以分为三类:锰的氧化物和氢氧化物,铁的氧化物和氢氧化物,硅铝酸盐等杂质矿物。主要的锰矿物有钡镁锰矿、钠水锰矿和水羟锰矿。最主要的铁矿物有四方纤铁矿、六方纤铁矿、针铁矿和纤铁矿。铁锰结核中高含量的微量元素主要以类质同象或吸附状态存在于铁锰氧化物和氢氧化物中。•2、化学成分•锰结核的化学成分异常复杂,富含多种金属元素。其中主要有Mn和Fe,其次为Si、Al、Ca、Mg、Na、K、Ti、Ni、Cu、Co等。与地壳中化学元素的丰度相比,锰结核中趋于富集的元素有20余种,其中Mn、Ni、Co、Mo、Cu、Pb等有用金属元素的含量高出其在地壳中平均含量的46~274倍。如果同海水中相应的元素相比,锰结核中的Mn、Fe、Co、Cu、Ni等有用元素的含量更是超过其在海水中含量的百万倍以上。铁锰结核中元素的变化特征亏损型元素相对于地壳丰度,在铁锰结核中亏损的元素主要是造岩元素Si、Al、Ca、Na、K、Mg。其中Si、Al和Ca的亏损程度较高,其地壳丰度约是它们在铁锰结核中的丰度的2~3倍。K、Mg、Na丰度变化较小,其在结核中的丰度分别比地壳减少了45%、33%和16%。和深海沉积物相比,这些元素在结核中的丰度变化亦表现出类似的亏损趋势。轻度富集型元素主要是亲氧元素,有Fe、P、Sr、Ba等。在铁锰结核中除Ti的丰度稍高于地壳外,Fe、P、Sr和Ba的丰度约为地壳的2~4倍。和深海沉积物相比,除Ba外,其他元素都表现出不同程度的富集。高度富集型元素主要
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