| 小科普: 随我看地球 – XV (下集) 取之不尽的深海宝藏 - 铁锰结核 铁锰结核/结壳是怎么形成的？ 铁锰结核的成因早期一度被认为是天外物质坠落大洋聚集而成。后来研究表明，由铁或锰的氢氧化合物是环绕一细小的核心凝固增生而成。其核心可以是任何細小的微体化石，如放射虫，有孔虫外壳，硅藻，魚齿，玄武岩碎片等。 结核的大小范围变化较大，可以从几毫米到二十厘米左右，但大部分直径为5至10厘米。结核的表面可以平滑，也可以比较粗糙，其形状多呈椭圆形或不规则形态。铁锰结核的生長比较缓慢，每百万年生长1厘米到3厘米左右。
铁锰结核。图片来源/Credit: 东方日报。 锰结核物质来源一般认为主要有以下方面：1，来自陆上的岩石风化后释放出来铁锰金属等元素，2，来自水下火山喷发产生的金属物质，3，来自大洋断裂破碎带的地幔热液中的金属物质，4，来自天外的物质。根据成矿物质的来源, 铁锰结核的成因被划分为上覆海水来源的水成型、沉积物间隙水来源的成岩型、海底热液喷发物质来源的热液型等；有的学者将其成因进一步细分为热液-水成作用、水成-成岩作用混合成因类型。根据近期的研究，水体中的锰含量极低，地幔喷出来的物质中锰含量也非常低，所以简单的物理化学沉淀凝结作用不太可能形成高含量的铁锰结核。我的同事，著名矿物学家陈建林(陈建林等，太平洋中国开辟区锰结核生物成因研究，地质学报，2001，第二期)发现营养菌丝矿化程度比生殖菌丝强，超微生物的生化作用与沉积粘附作用直接造成了结核中Fe、Mn元素的富集。铁锰结核中的成层性是任何胶体化学作用与沉积作用难以形成的，只有微生物群体的世代繁衍，才能构筑成几乎固定不变的叠层石柱体形态。他的研究成果进一步确立了大洋锰结核的生物成因观点。换句话说，铁锰等金属元素的富集在成因上和微生物对金属元素喜好习性和定向选择有关。总之，大洋中铁锰结核的成因可能有水成、热液等多元成因，然而，生物成矿作用应该起着主导的作用。 铁锰结核/结壳是什么时候形成的？ 铁锰结核/结壳的时代测定问题。铁锰结核/结壳通常都由许多的薄层加叠而成，每一层都代表着一个时代，一段地质历史，一段古气候变化，一段古海洋信息。所以精确分析每一层的时间显得十分重要。目前主要使用的测年方法有：Be同位素测年、U系同位素测年、Os同位素测年、古地磁地层学方法和古生物地层学方法等。结核/结壳各层之间的叠合面上常含有较丰富的微体古生物化石，如有孔虫，颗石藻，放射虫等。使用这些化石，我们可以轻松地测出各层的年龄，然后根据各层的厚度可以计算出结核/结壳的生长速率，并可结合其他因素进而推测出地质历史，古气候，古海洋及古环境的变迁。到目前为止，科学家们发现结核/结壳内层的最大年龄为晩白垩纪，最外层为第四纪，说明直至今天结核/结壳仍在不断生长。同时也说明大洋地壳非常年轻，几乎不会超过二亿年，这完全与地球板块漂移、海底扩张时代相一致。在太平洋，最老的地壳是侏罗纪，而且仅限于太平洋西北角一小块的地方。所以在太平洋，或任何一个大洋如果能找到侏罗纪以老的沉积物和岩石那一定是个惊天奇迹。 铁锰结核/结壳什么时候可以造福人类？ 上世纪60年代，人们便密切关注着深海海底矿物。马耳他大使帕尔多在联大第一委员会上呼吁将深海海底的资源视为“全人类共同的遗产”，并且敦促创建国际监管体系，防止科技发达的国家殖民海底，垄断海底资源，损害发展中国家的利益。帕尔多的建议为联合国所采纳，后成为了制订海洋综合治理制度的主要动力。1970年，联合国大会第2749号决议通过了”国家管辖范围以外海床洋底及其底土原则的宣言”，大会宣布海底矿产资源是“全人类的共同遗产”，应以全人类福利为前提，建立国际机构加以开发。 1994年，联合国成立了国际海底管理局(ISA)，作为联合国共同制度内的自治组织，总部设在牙买加首都金斯敦。根据《海洋法公约》，“区域”内海底矿物的勘探和开采，只有与海管局签署合同后才能进行，须遵守海管局的规则、规章和程序。1996年中国正式加入了ISA，而且是最大的资助者之一。 2016年，根据国际海底管理局估计(参见联合国纪事，https://www.isa.org.jm/)，克拉里昂-克利珀顿区的结核总量超过210亿吨，其中含锰约5.95亿吨、镍0.27 亿吨、铜0.23亿吨、和钴0.05亿吨。ISA为该区颁发了19个深海勘探采矿的许可证。探索性全面提取作业曾计划于2021年底开始。ISA的计划是在2023年7月发布深海采矿代码。
日本于1967年就已经发明了一套深海采矿系统，而且还在4,500米的深度进行了测试。2017年9月，一艘日本采矿船在冲绳附近的日本专属经济区水下1,600米处进行了“大规模”开采。尔后，加拿大鹦鹉螺矿业公司(Nautilus Minerals)也进行了长达八年的海底釆矿，终因资金缺乏而告停。
如前所述，上世纪八十年代中期中国有计划地进行了较大规模的海底矿产资源调查研究，迄今为止，在中太平洋和东北太平洋累计调查面积达200多万平方公里，圈定远景矿区约30万平方公里，为申请国际海底矿区打下了坚实的基础。1990年，经国务院批准，中国大洋矿产资源研究开发协会向联合国海底管理局申请了矿区登记。 目前，在采矿技术方面，中国仍落后于日本、韩国和西方国家。法国和美国的研究人员也研制出了一些其他系统。迄今为止，世界领先的深海采矿公司是加拿大的鹦鹉螺矿业公司和澳大利亚的海王星矿业公司(Neptune Minerals)。 目前中国系统的海试深度为304米。采矿船昆龙号的开釆深度尚不足500米，不过这应该还是属于国际中上水平。中国也正在和国外合作，有望在短期内赶上世界水平。据我初步推测，中国下一步很可能首选水深相对较浅，但结壳丰富的麦哲伦海底平顶山或其他富含结壳的海底平顶山上尝试开采锰结壳，积累经验后再逐步向海渊发展。 作者简介： 章纪君博士，1982年12月赴美国纽约哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所(Lamont-Doherty Geological Observatory)研究海洋浮游有孔虫；1984年赴美国田纳西州Vanderbilt 大学学习海洋钙质超微浮游生物; 自1987年至2013年在美国自然历史博物馆微体古生物出版社和拉蒙特地质研究所从事特殊出版物编辑，海洋古生物及生物地层学和天外物质的研究。1991年进入加拿大哈里法克斯的达尔豪斯(Dalhousie)大学深造，1996年取得博士学位。在学期间获奖情况：1996-1999年：美国弗罗里达大学美国国家科学基金会 (NSF) 的博士后资助。1993-1996年连续四年获达尔豪斯大学研究生 Izaak Walton Killam 纪念奖学金。1994年获美国地质学会 (GSA) 学生研究奖。1993年获美国全球一年一度一人的Cushman 基金会学生奖。1991-1993年连续二次获达尔豪斯大学研究生奖学金。1991-1996仼达尔豪斯大学助教。 1997年在法国Anger大学地质系做访问教授。2000年后在利比亚－美国合营公司－”绿州石油公司”任实验室主任，从事古生物，地层和古盆地重建工作， 同时担任石油公司的地质，古生物学的教育培训工作。 出版物二部书，中文版一部由”海洋出版社”出版, 合著1988, 438pp; 另一部英文版由Springer-Verlag 出版社出版, 合著, 1985, 370pp. 1985-1986期间曾参与中国的“辞海”汇编。 在”海洋出版社”1988年专著一书中，命名了16个第四纪底栖有孔虫新物种. 另外在美国 ”Micropaleontology”1995年一文中，命名了一个渐新世(Oligocene)的浮游有孔虫一个新属(Protentelloides) 和二个新种(Protentelloides primitiva 和Protentelloides dalhousiei). 出版文章20余篇，发表于各种科学杂志上,
如Palaios,Deep Sea Research, Marine Micropaleontology,
Micropaleontology, Paleoceanography, Geology, Oceanography Acta
Sinica等.为绿洲石油公司撰写内部专业报告20余篇. |
