| 小科普: 随我看地球 – XV (上集) 取之不尽的深海宝藏 - 铁锰结核 章纪君 历史概况 我们的地球有百分之七十一的地区都被海洋所覆盖。众所周知，海洋蕴藏着无穷无尽的化学资源、能源资源，矿产资源和生物资源，这些资源都给人类的生活带来了重要影响。地球上的生命也被认为是起源于海洋，是真正的生命摇篮。然而，还有一种深海宝藏迄今为止可能仍然鲜为人知，那就是隐藏在广袤的海底深处的多金属结核(Polymetallic nodules)，或叫铁锰结核(Ferromanganese nodules), 或叫锰结核(Manganese nodules), 也包括一种分布在水深较浅海域的类似锰结核的物质，叫锰结壳(Manganese crust)。 全球海洋中铁锰结核数量巨大，据估计，世界大洋海底锰结核的总储量高达30,000亿吨，仅太平洋就有17,000亿吨，其中含铁3,900亿吨，锰4,000亿吨，镍164亿吨，铜88亿吨，钴58亿吨，及大量的微量元素，数百倍，乃至数千倍于陆地的储量。其次是大西洋和印度洋水深超过3,000米的深海底部。 早在18世纪末的科学家(Alexander von Humboldt和Jens Jakob Berzelius)和19世纪末的Boussingault(1882)就已经发现氧化铁锰沉淀物在岩石圈中有广泛分布，只要水介质与固体表面长时间接触，氧化锰沉淀就无处不在。在陆地上，氧化物结核和结壳广泛存在于湖泊和冰川地区的沼泽中。在欧洲这类矿物早在公元前800-500年就已经被用于炼铁。 海洋中铁锰结核的发现早在150多年前。1868年，芬兰人A.E.Nordenskiold率领的“Sofia”调查船在欧洲的喀拉海(Kara Sea)偶尔发现锰结核。于1869-1870年期间，法国作家凡尔纳(Jukes Verne)陆续出版了一本科幻小说，叫“海底两万里(Twenty Thousand Leagues Under the Seas)“。书中描写的尼摩船长宣布“在海洋深处，有大量易于开采的锌矿、铁矿、银矿和金矿”，他预计储量丰富的海洋资源可以满足人类的需求。1873年英国“挑战者”号调查船在大西洋加那利(Canary)群岛西南海底也意外采集到锰结核。当时该船上有243人，却没有人认识那是什么东西，于是就一直存放在大英博物馆。直到九年后，有人对其进行了化学分析，才发现那些球团是由铁、锰、镍，钴等元素组成。二次大战后，联合国也出台一系列海洋法案加强了对海洋的利用和控制。1960年代，美国地质学家约翰·梅罗出版了“海底矿产资源”一书，认为海底将成为满足全球矿物质需求的主要供应来源。正是由于锰结核的巨大经济价值和利益，早在上世纪六十年代就为各国所高度重视。发达国家在六、七年代就已拆巨资在各大洋进行了广泛的普查和详查，希望以期在未来获得联合国(现为国际海底矿产管理局 - International Seabed Authority，即ISA管辖)授权的开釆权。
平躺在海底的太平洋铁锰结核。 图片来源/Credit: Ocean for future。
由于那个时代西方国家的全方位封锁和正处于起步阶段的海洋研究，中国对铁锰结核的认识基本上是一片空白。大约于1985年开始，中国国家海洋局在严宏谟局长的领导下，由第二海洋研究所挂帅正式启动了规模较大的太平洋铁锰结核的调查研究。在此项目中，我曾任该项目副组长，主要负责资料收集，翻译，校对，编撰和部分主要设备的外购工作。非常不幸的是，由于任命的首席科学家缺乏海上和海洋地质的工作经验以及人事安排和管理上的问题，错误地把关键设备，如海底照相机，重力釆样器交由非专业人士操作，终因钢缆绞断，把设备丢进了太平洋，导致1986年为期一个月的第一个航次的海洋考察基本上以失败而告终。1993年5月2日5点时分，一艘前往太平洋执行海底多金属结核资源调查任务的非常先进的综合海洋调查船“向阳红16号”因和一货船相撞而葬入东海，还丢了二条年轻的生命。当时可谓铁锰结核项目命运多舛，给国家带来了重大的损失。这是非常沉痛的教训。此后，除了海洋局，还有其他若干中国海洋地质研究机构也相继加入了大洋铁锰结核的调查研究工作，并获得了大量可喜的研究成果，使我们在这个领域赶上了西方国家的研究水平。 地球第三线 - 碳酸盐补偿深度 铁锰结核在全球大洋中的分布和生长受诸多因素的影响，如构造运动、地热、深海底层流、陆源有机物供应速率和海洋有光带的初级生产力等，然而，最重要的还是深海碳酸盐补偿深度。 地球上有二条线已为我们所熟知，即雪线和海平面(或称水线)，但是海洋中的碳酸盐补偿深度或者叫碳酸盐补偿深度线(Carbonate compensation depth，简称CCD)相信鲜为人知。当海水到达某一深度时，碳酸盐的补给速率和溶解速率趋于相等，在此线以下，碳酸钙物质溶解殆尽。这是一条碳酸盐绝灭线。还有一条虽然称不上”线”, 但却十分重要，那就是一个碳酸盐迅速溶解的界面，简称溶跃层(Lysocline)。顾名思义，碳酸盐物质沉降到这个深度会开始迅速溶解。和雪线和海平面一样，这二条线在海洋地质中非常重要，它们严格控制着碳酸盐，铁锰结核和锰结壳的分布和形成机理。当然，海洋还存在其他一些界面，如温跃层(Thermocline)，盐跃层(Halocline), 密度跃层(Pynocline), 透光带(Photic zone)。 这些并非本文重点，暂且按下不表。 大洋中钙质壳体的微体生物主要有三类，即翼足类(Pteropods)，浮游有孔虫(Planktonic foraminifera),和钙质超微生物或叫颗石藻(Calcareous nannoplankton)(见下图)。
这三类生物的溶解速率各不相同，以文石(Aragonite)为壳的翼足类溶解最快，以方解石(Calcite)为壳体的浮游有孔虫次之，以方解石为外壳的超微颗石藻最为抗溶。必须指出，文石和方解石虽同为碳酸钙，但二者的晶体方式不同，文石为正交晶系，而后者为三方晶系，故导致物理性质的差异和溶解速率的不同。不管怎样，在碳酸盐补偿深度以下此三类生物基本不复存在。 另一方面，碳酸盐补偿深度是指海底碳酸盐沉积和非碳酸盐沉积之间的一个岩相界面，也是海洋中的一个重要物理化学界面。这个深度在不同地方是不一样的，大致在4,000-5,000米间变化。这和雪线和海平面的变化一样。海平面在世界各地也是不一样的，各地海平面由于水体质量，密度和引力诸原因会造成最大可达136米的差异，所以有”凹凸的海平面”之说。雪线在不同纬度也不一样，在二极地区雪线就是海平面。 铁锰结核/结壳的分布 如上所述，在碳酸盐补偿深度(4,000-5,000米)以下，碳酸盐沉积基本上溶解殆尽，取而代之的为褐色-红色软泥和一些不能溶解的魚齿，硅质壳微体生物(如放射虫 - Radiolaria), 硅藻- Diatoms)，硅鞭藻(Silicoflagellates)及胶结型有孔虫(Agglutinated foraminifera)等无机矿物。铁锰结核就分布在该深度以下的地方。
在太平洋，铁锰结核最集中最丰富的地方在夏威夷东南，一个称为克拉里昂-克利珀顿带(Clarion-Clipperton Zone)，也称C-C带。这是太平洋的一个海底地质断裂带，长度约为7,240公里，面积约为4,500,000平方公里。 在太平洋表层红色软泥中，锰结核相当富集，一般都平躺在海床上。我也曾经在红色软泥中发现过罕见的被硅化了的晚白垩纪Maastrichtian期的浮游有孔虫、如Globotruncana imbricata, Globotruncana fornicata等(马水深，章纪君，北太平洋中部声学地层学，第四次太平洋新第三纪全球地层学大会，加州柏克莱大学，7月29-31日，1987, 摘要集，第66页)。这些有孔虫在10%的盐酸中浸泡不会被溶解，说明它们不再是钙质壳体，而是被硅质物质所替换。有趣的是，这种红色软泥非常特别，含有极其十分丰富的有机质，一旦脱水枯干，软泥就会变得坚如盘石，无法用水泡开。若要分析其中的矿物成份和微体生物化石，必须用双氧水和超声波振荡器才能把它震开。
太平洋克拉里昂-克利珀顿带(Clarion-Clipperton Zone)位置图。 图片来源/Credit：Wikipedia。 |
