海底矿产

 矿产分子式       目前，在渤海盆地中已经发现了十多个含油气构造或油田，有的油田单井日产原油达1600吨，天然气19万立方米，在黄海“北黄海盆地”有一般的油气远景，而在“南黄海盆地”有四十多个储油气构造，经钻探证实油气前景十分美好。东海有二个大的含油气沉积盆地，总面积有40．2万平方公里，从已经发现和圈定的8个构造带上看，规模巨大，或排成带，都具有位置好、面积广、幅度大和油源近等特点，开发东海盆地油气资源的前景广阔。近几年的海上石油开采也进一步得到了证实。在南海四周广阔的大陆架上，分布着珠江口盆地、莺歌海盆地、北部湾盆地、湄公盆地、文莱～沙巴盆地和巴拉望盆地等。据估计，在南海海区有半数以上的盆地的油气储量达100～300亿吨，构成了环太平洋区大含油气带西带的主体部分。经专家计算，整个南中国海我国传统海疆线以内的油气资源约合15000亿美元，开采前景甚致要超过英国的北海油田。

　　我国海滨砂矿资源主要有钛铁矿、锆英石、独居石、金红石、磷钇矿、铌袒铁矿、玻璃砂矿等共十几种，此外还发现了金钢石和砷铂矿颗粒。海滨砂矿主要可分为8个成矿带，如海南岛东部海滨带、粤西南海滨带、雷州半岛东部海滨带、粤闽海滨带、山东半岛海滨带、辽东半岛海滨带、广西海滨带和台湾北部及西部海滨带等。特别是广东海滨砂矿资源非常丰富，其储量在全国居首位。

　　1873年，英国海洋学家在北大西洋采集洋底沉积物时发现一种类似卵石般的团块，经过化验，他们发现这种团块几乎全由纯净的氧化锰和氧化铁组成。此后，他们相继在太平洋、印度洋的各深海区都获取了这样的团块。这就是锰结核。锰结核是一种深海海底自生的锰矿产。主要成分为锰和铁的氧化物和氢氧化物，含铜、镍、钴等多种金属元素，广泛分布于太平洋、大西洋和印度洋水深 4至6千米的海底，一般呈球状或椭圆球状或块状，直径1至20厘米。世界洋底的锰结核总量约3万多亿吨，其中太平洋底最多，约1.7万亿吨，含锰4000亿吨、镍164亿吨、铜88亿吨、钴58亿吨。这些储量相当于目前陆地锰储量的400多倍，镍储量的1000多倍，铜储量的88倍，钴储量的5000多倍。按现在世界年消耗量计，这些矿产够人类消费数千甚至数万年。更重要的是这种卵状矿物还在不断生长。太平洋底的锰结核以每年1000万吨左右的速度生长，一年的产量就可供全世界用上几年。上个世纪70年代，国际上出现锰结核开发热。随着勘探技术和开发技术的发展，对锰结核的开采将形成新兴的海洋矿产业。1978年，美国根据多年的考察、探测结果，综合了大量的研究资料，正式出版了《海底沉积物和锰结核公布图》，使世界各国对各大洋特别是太平洋海域的锰结核情况有了一个较全面、正确的了解。我国自上个世纪70年代也开展了大洋海底资源勘查活动，并制定了大洋锰结核资源调查开发研究计划，在太平洋CC区选出可供采矿作业的结核矿区30万平方公里。1991年联合国国际海底管理局和国际海洋法法庭批准中国获得15万平方公里的国际海底矿区优先开采权。

　　海底热液矿床是与海底热泉有关的一种多金属硫化物矿床。系海水侵入水深2000至3000米海底裂缝中，被地壳深处热源加热后，溶解了地壳内的多种金属化合物，再从洋底喷出，遇冷海水而凝结生成的沉淀物。又称“多金属软泥”或“热液性金属泥”。含有铜、铅、锌、锰、铁、金、银等多种金属。其中金、银等贵金属的含量高于锰结核矿，被称为“海底金库”。分布水深一般为800至2400米。海底热液矿床的发现，引起世界各国的高度重视。专家们普遍认为，海底热液矿是极有开发价值的海底矿床。一些深海探查开采技术发达的国家纷纷投入巨资研制各种实用型采矿设备。我国也将海洋技术列为未来重点发展的高新技术之一。

　　可以毫不夸张地说，海洋中几乎有陆地上有的各种资源，而且还有陆地上没有的一些资源。目前人们已经发现的有以下六大类：

       据估计，世界石油极限储量1万亿吨，可采储量3000亿吨，其中海底石油1350亿吨；世界天然气储量255～280亿立方米，海洋储量占140亿立方米。上世纪末，海洋石油年产量达30亿吨，占世界石油总产量的50%。我国在临近各海域油气储藏量约40～50亿吨。由于发现丰富的海洋油气资源，我国有可能成为世界五大石油生产国之一。

       世界许多近岸海底已开采煤铁矿藏。日本海底煤矿开采量占其总产量的30%；智利、英国、加拿大、土耳其也有开采。日本九州附近海底发现了世界上最大的铁矿之一。亚洲一些国家还发现许多海底锡矿。已发现的海底固体矿产有20多种。我国大陆架浅海区广泛分布有铜、煤、硫、磷、石灰石等矿。

       海滨沉积物中有许多贵重矿物，如：含有发射火箭用的固体燃料钛的金红石；含有火箭、飞机外壳用的铌和反应堆及微电路用的钽的独居石；含有核潜艇和核反应堆用的耐高温和耐腐蚀的锆铁矿、锆英石；某些海区还有黄金、白金和银等。我国近海海域也分布有金、锆英石、钛铁矿、独居石、铬尖晶石等经济价值极高的砂矿。

 勘察队       多金属结核含有锰、铁、镍、钴、铜等几十种元素。世界海洋3500～6000米深的洋底储藏的多金属结核约有3万亿吨。其中锰的产量可供世界用18000年，镍可用25000年。我国已在太平洋调查200多万平方公里的面积，其中有30多万平方公里为有开采价值的远景矿区，联合国已批准其中15万平方公里的区域分配给我国作为开辟区。富钴锰结壳储藏在300～4000米深的海底，容易开采。美日等国已设计了一些开采系统。

       是一种含有大量金属的硫化物，海底裂谷喷出的高温岩浆冷却沉积形成，已发现30多处矿床。仅美国在加拉帕戈斯裂谷储量就达2500万吨，开采价值39亿美元。

       是一种被称为天然气水合物的新型矿物，在低温、高压条件下，由碳氢化合物与水分子组成的冰态固体物质。其能量密度高，杂质少，燃烧后几乎无污染，矿层厚，规模大，分布广，资源丰富。据估计，全球可燃冰的储量是现有石油天然气储量的两倍。在上世纪日本、前苏联、美国均已发现大面积的可燃冰分布区。我国也在南海和东海发现了可燃冰。据测算，仅我国南海的可燃冰资源量就达700亿吨油当量，约相当于我国目前陆上油气资源量总数的1/2。在世界油气资源逐渐枯竭的情况下，可燃冰的发现又为人类带来新的希望。

　　由于人类对两极海域和广大的深海区还调查得很不够，大洋中还有多少海底矿产人们还难以知晓。

　　海底矿产资源是指赋存于大洋海底表层的沉积物中的多金属结核（又称锰结核）矿产。大洋锰结核这一巨大的潜在矿 产，广泛分布于世界的洋底。由于其形态和成分上的特征各异，人们通常又把它称为锰结核、锰团块、锰矿球，或锰瘤等。它人多产于海底表层，赋存的海域主要为 水深3000～5000米的深海平原、海沟、海谷、海底火山和群岛附近。

　　锰结核矿的最大特点是蕴藏量巨大，所含的稀贵金属铜、 钴、镍又多。仅就太平洋海域而言，据梅洛和梅纳德估计；其蕴藏量达16000多亿吨，约含锰2000多亿吨，铜50多亿吨，镍90多亿吨，钴30亿吨，相 当于陆地矿山中储有铜的50倍，锰的200倍，镍的600倍，钴的3000倍。如果考虑到大洋锰结核矿如此大的储量，而且还在继续增长，可以毫不夸张地 说，深海大洋锰结核矿是人类“用之不竭的资源”。

       浩瀚的海洋对人类意味着什么？人类为了了解它，对它已研究多年，经过70年代国际十年海洋勘探阶段，使人类进一步加深了对海洋矿物资源的种类、分布与储量的认识。我国海洋研究的科学家正大声疾呼：忽视海洋就意味着无知和灾难。

　　海洋中所储各种矿物约500亿吨，若铺于地面，则厚达200米；若装火车，其长度可从地球到太阳。只要每平方米有5公斤的矿物，就有开采的价值。而在太平洋东南部海域，每平方米竟有50公斤至70公斤之多，而且至今仍在不断的生成和堆积，海洋每年可生成1600万吨有价值的工业原料。

 海底矿产　　金属镁在工业上，国防上占有重要地位，制造飞机和快艇的主要材料是铝镁合金。镁比铝还轻，世界上金属镁和化合物的来源，很大一部分直接和间接来自海水。从海水中制取金属镁，第二次世界大战中年产量超过20万吨。海水中镁是占第3位的元素，含有2100万亿吨，镁是金属中的后起之秀。

　　锰结核是70年代才大量发现的著名的深海矿产。褐色的锰结核，外观象土豆，切片来看，一层层的又象葱头。这种结核体往往是以贝壳、珊瑚、鱼牙、鱼骨为核心，把其它物质聚集在周围。生长速度很缓慢，大约1000年生长1毫米，有的100万年才生长4毫米。锰结核含有锰、铁、镍、钴等20多种元素。其经济价值很高，估计在太平洋的分布面积约为1800万平方公里。这样就含有炼锰钢用的锰有4000亿吨，炼不锈钢的镍有164亿吨，炼超硬度钢的钻有58亿吨，用途广泛的铜有88亿吨……。如果每年从太平洋取上100万吨锰结核，便可提供世界需要的10%—12%的锰矿以及12%—15%的钴矿。

　　1980年前后，世界各大洋底部又发现了具有经济远景的锰结核矿区500多处，其总储量在1.5万亿吨至3万亿吨，以太平洋的品味最高。锰结核中有些稀有分散元素和放射件元素的含量也很高，如铍、铈、锗、铌、铀、镭和钍的浓度，要比海水中的浓度高出几千、几万乃至百万倍。

　　红海“阿特兰蒂斯Ⅱ”的重金属泥是80年代世界上已发现的最有经济价值的热液沉积矿床。在它的上部10米厚的含重金属沉积物，总量在5000万吨以上，其中含有锌290万吨，铜106万吨，银4500吨，金45吨。是一个大型的铜锌矿床，在20多处其他海域的深海底，也发现了重金属泥和热卤水。分布于深海底的热液沉积矿床，指的是富含铁、锰、锌、铜、铅、银、金、白银、锡和铝等金属成分的深海泥质沉积物而言。此类沉积物五彩缤纷，向黑、白、黄、蓝、红等多种颜色。而且金属含量异常富集，有些硫化物沉积层内的锌含量超过10%，铜的含量达4%.

　　世界各大洋底的铁矿总储量，对能达到3000亿吨左右，所含纯铁不少于600亿吨。钾在海水中西第6位，共有600万亿吨。溴99%以上都在海里，是海洋元素，总储量100万亿吨。海洋中的碘总储量为930亿吨左右，比陆地储量多得多。碘在尖端科学和军事工业生产上有重要用途。

　　海水中有几十种稀有元素，而且很多是陆地储量少，分布分散但价值很大的元素。例如氨和铯是制造光电管的原料，光电管又是现代自动化设备的重要元件。铷和铯在陆地上储量都非常少，但海水中储量却比较多。铷在海水中藏量达1900亿吨。硼或锂的氢化物可作火箭的高能燃料，硼在海水中的储量有7万亿吨以上。

　　1872年科学家首次发现海水中含有金子。最初的分析表明其含量相当高，估计为20多亿吨。第一次世界大战后，德国从海水中提取金子的尝试失败（因代价太高）。90年代美国几位著名的地质学家，利用当时最先进的质谱检测法，得知海水中金子总储量不超过1.5万吨。

　　漫步海滩时，在那沙沙作响的沙石中，就可能蕴藏着丰富多采的矿床。它们有金刚石、金、铂、锡石、金红石、钛铁矿、铬铁矿、磁铁矿、红金石、蓝宝石、琥珀、锆石等。沙矿或在浅滩或在水深150米以内的地方。海滨沙矿具有分布广泛，矿种多，储量大，工业品位要求低，开采方便，选矿简易，投资小等优点，在海底矿产资源的开发中、产值仅次于海底石油。

　　海洋也蕴藏着丰富的能源矿产煤、石油、天然气。世界上已发现的海底煤田约200个，主要分布在澳大利亚、英国、保加利亚、希腊、爱尔兰、冰岛、加拿大、土耳其、芬兰、法国、智利、日本和我国的近海水域。早在17世纪就有人从海底采掘煤炭，先期在近海处，日本在离海岸50公里以外的海下开发。80年代世界年均采掘海底煤炭量约7000万至8000万吨、占世界煤炭总量的2%左右。

　　海洋地质专家估计，海底储存石油2500亿吨，比陆地储油量大3倍，90年代约产油6亿多吨。

　　1公斤铀所产生的能量约等于2500万吨优质煤燃烧时所释放的能量。海水里的铀储量约为40亿吨，是陆地储量的4000多倍。1克氚聚变成氦时，可以产生10度电能。据估计，海洋中氚的总含量约为25亿吨，这是一个巨大的潜在能源。^[1]

       随着陆地上矿产资源的日益减少，人们自然把注意力移向海洋。海洋占地球面积的2/3，蕴藏着丰富的矿产资源。世界上海底石油的产量已达到全部石油产量的30%左右。我国海上石油工业有了长足的发展，海底石油的产量可占到石油总产量的11%。分布十分广阔的大洋金属结核，因其含有丰富的Cu、Co、Ni等有用金属，早已引起人们的重视，我国也已在东太平洋的C-C区圈定15万平方公里的开辟区，已获联合国的批准。海底矿产资源十分丰富多样。本文着重介绍海底热液硫化物和天然气水合物这两种十分重要的资源。

       海底热液硫化物矿

　　1.1发现

 勘测中　　1948年瑞典的信天翁号科学考察船在红海中部考察时发现了水温和盐度异常，随后在该处的进一步调查中发现了多金属软泥。研究认为，这种多金属软泥的形成和海底扩张有关。六十年代末七十年代初，在人们使用海底照相技术用于海底扩张洋脊区的调查时，在大洋中脊发现了一系列的热液喷口，并证明多金属的软泥正在那里沉积形成。1972年、1976年在哥拉帕哥斯扩张脊和1984年在冲绳海槽进行的海底热流调查研究时都发现了很高的热流异常。如冲绳海槽的某些测站的热流值达到200多MW/M2，这比正常的海底热流值高三倍多。随后在这些区域进行的深潜调查都发现了海底热液硫化物矿的存在。此外，海底热液硫化物矿的发现在很大程度上还依赖于人类深潜技术的成熟。美国ALVIN号深潜器、法国的NAUTILE号深潜器、前苏联的MIR号深潜器及日本的深海2000号和深海6500号深潜器都在海底热液活动及其热液硫化物矿产的调查研究中起到了非常重要的作用。从1963年美国发现者号在红海发现热液成因的多金属软泥，到1979年Alvin号深潜器在东太平洋海隆发现正在生长的热液黑烟囱，直到现在，现代海底热液硫化物矿产的调查研究已经历了半个多世纪的历程。半个多世纪以来，科学家们通过不懈的努力取得了令人注目的调查发现和研究成果。

　　1.2分布

　　随着调查活动的不断进行，海底热液硫化物矿区的发现已从特定的区域拓展到大洋中脊，从弧后盆地拓展到板内火山。很快，人们认识到海底热液硫化物矿在全球的海底是一种十分普遍的地质现象。已经知道，大洋中的三大构造背景（大洋中脊，板内火山和弧后盆地）普遍发育热液硫化物矿。虽然对大洋中除大洋中脊、板内火山和弧后盆地以外的其它地区没有更多的调查资料，但可以肯定，大洋中构造活动的地区应是海底热液硫化物发育的主要场所。到目前为止我们已在世界海底发现了一百多个热液硫化物矿化点。根据我们的研究结果，现代海底热液硫化物主要分布在中低纬度的洋中脊的中轴谷和火山口附近，水深一般在2600米，处于洋中脊扩张段地形较高的部位，并且扩张速率和热液活动区的分布密切相关。

　　1.3潜在的巨大资源

　　从1978年在东太平洋海隆发现块状硫化物以后，热液成矿的问题在现代海底热液活动的调查研究中得到了足够的重视。到1993年在世界海底已圈定了139处热液矿化点，其中多处资源量超过百万吨。如，东北太平洋海隆勘探者海脊的块状硫化物堆积体，直径达200米，高为10米，储量大于1.5Mt,北胡安得福卡海脊7处热液堆积体，直径400米，高60米，估计每处资源量超过1.0Mt，红海阿特兰提斯II海渊的热液金属储量估计为94.0Mt,大西洋中脊TAG热液活动区的一处硫化物堆直径250米，高50米，估计块状硫化物的储量为5.0Mt。另外，根据对西太平洋劳海盆黑白烟囱体的调查研究，无论从规模大小还是硫化物的含量看，其储量都不低于大西洋中脊TAG热液区。加上绵延在4公里长，200米宽的地带中存在着数百个锰烟囱，按一般厚度4.5厘米计算，资源量估计超过10.0Mt。可见整个世界海底热液矿产资源量十分可观，资源开发前景十分诱人。

　　1.4我国的研究

　　早在1985年我国就有学者提出了热液成矿的多元理论，并注意了洋脊地下热液在Fe、Cu等硫化物沉淀中的作用。但这一时期我国在这方面的研究仅限于理论研究和以国际合作的形式参与国外的调查研究。1988年和1990年中、德、美合作利用德国的太阳号科学考察船两次对马里亚纳海槽的热液硫化物进行调查。1993年，中国科学院海洋研究所首次用科学一号在冲绳海槽进行了一个航次的热液矿床的调查，并在1994年3月再度组队对冲绳海槽的热液硫化物进行实地调查。1998年我国的大洋一号在马里亚纳海槽开展了首次大洋热液矿点实验调查。我国经过短短十几年的大洋热液矿产调查取得了较为注目的成绩。如，我们在冲绳海槽的热液样品中发现金和银的含量都很高。

       天然气水合物

　　现代社会经济增长的基础是对能源的占有和利用。当今世界能源的80%来自化石燃料----煤、石油和天然气。随着经济的发展、人口的增长，人类对资源的需求也在逐年增大。按照我们传统的化石燃料理论和勘探结果，人类行将面临不可再生化石燃料资源的短缺问题。因此，寻找新型替代（或称后续）资源以解决资源短缺问题，维持经济持续发展，是我国也是世界各国共同面临的重要课题。天然气水合物自上个世纪在海底沉积物中广泛发现以来，因其分布广、资源量大、能量高而引起科学界的高度重视，并被认为可望成为“21世纪行将枯竭的常规油气能源的后续能源”。日本科学家的最新研究结果表明，日本的天然气水合物探明储量可供日本在石油和天然气枯竭后使用140年。这一结果足以引起我们对天然气水合物研究的高度重视。可以预计21世纪，天然气水合物单从能源的角度来看将会扮演一个非常重要的角色。

　　2.1稳定赋存和分布

　　天然气水合物是一种水包气（一般是甲烷）的笼形物，外形似冰。水分子形成一个笼形格架，中间为一个气体分子。很多气体分子的大小都适合于填充到笼形格架中形成水合物，如二氧化碳、硫化氢和一些低碳的碳氢化合物。一般地，如果笼形格架中充填了二氧化碳则称为二氧化碳水合物，如果充填了甲烷则称为甲烷水合物。研究表明，天然气水合物是在一定的温度-压力条件下才形成并稳定存在的。气体水合物主要形成于低温高压的环境中。温度范围一般在-10℃—30℃，相应的压力范围为1-100MPa。如果温度升高相应的压力也必须升高。比如在0℃，只要压力条件大于3MPa就可以形成气体水合物，而当温度升高到20℃时，压力必须大于20MPa，气体水合物才能形成并稳定存在。

　　根据天然气水合物稳定存在的稳压范围容易推知，天然气水合物主要存在于两极低温的陆区和深海高压的沉积物中。目前，已在世界各大洋和大陆内海确定了80多处天然气水合物远景区，其中多处经海底钻已探得到证实，如秘鲁近海、美国东部和西部海域、日本近海等。

　　2.2潜在的巨大能源

　　据资料，陆地面积的27%，海域面积的90%都有天然气水合物分布。而且目前已知的绝大多数天然气水合物为甲烷水合物。甲烷水合物是甲烷气体的捕获器，在一个大气压下，分解单位体积的甲烷水合物，可以得到160体积的甲烷气。因此，在地表以下深约2000米的浅层沉积天然气水合物内隐藏着大量的甲烷。甲烷水合物的含碳量是所有化石含碳量的两倍。这种甲烷水合物的能量通量（在标准状况下每单位体积岩石中的甲烷体积）是其它非常规气源（如煤层、黑色页岩和深部含水层）能量通量的10倍，是常规天然气能量通量的2-5倍。其储量大约相当于煤炭和常规石油天然气总量的3倍。根据美国地质学家的资料，现代天然气水合物的总资源量为1×1018m3，据28届地质大会资料，天然气水合物的资源量可达28×1013m3。

可见，天然气水合物的储量极为丰富。有些科学家已肯定地指出天然气水合物将是21世纪的重要能源。

　　2.3国外对天然气水合物的研究

 成果验收会　　80年代以来，俄、美、日、加、德、荷、印等国在海洋天然气水合物调查与开发方面给予高度重视，从资源储备的战略高度相继制定了长远发展规划和实施计划。应该指出的是，90年代以来天然气水合物的研究才蓬勃发展起来。美国1995年在ODP第164航次中，率先在布莱克海脊布设了三口勘探井，首次有计划地取得了天然气水合物样品。1995-1999日本基本完成了南海海槽天然气水合物的海上地球物理调查，3000米的勘探井揭穿增生楔的天然气水合物沉积。在1998年5月，美国参院资源委员会一致通过“海底天然气水合物研究与资源开发计划”。本世纪大洋钻探计划（ODP21）也将海底天然气水合物的形成机理确定为主要的学术目标之一。印度针对本国能源不足的现状，在1996-2000年间设立了寻找海底天然气水合物资源的专项研究，计划投入5600万美元在孟加拉湾和阿拉伯海开展调查研究工作。

　　近10年来，对海底天然气水合物的产生条件、分布规律、形成机理、环境效应、勘查技术、开发工艺、经济评价与环境保护等方面的研究已取得实质性进展。

　　2.4我国边缘海域的天然气水合物研究

　　近年来国内有关单位召开了以天然气水合物为主题的研讨会，强调了在我国开展天然气水合物研究的意义，并首先资助了南海海域天然气水合物的海上调查工作。目前，我国一些主要的科技项目，如国家自然科学基金项目、ODP项目、973项目、S863项目等都把天然气水合物的研究列为重点的研究内容。

　　我国东海及邻近的海域不仅具有丰富的地质内涵，而且具有丰富的石油天然气资源。从上世纪六十年代开始在该区域进行的以构造演化和矿产资源（油气）评价为主要目地的地质地球物理调查，积累了大量的可资天然气水合物研究的资料。其中包括地质取样资料、海底温度资料、地壳热流资料、地温梯度资料、折射地震资料、多道地震资料、钻井资料等。资料显示，在我国边缘海域中（东海、南海和台湾东部海域）的部分地区具备天然气水合物稳定存在的水深条件和海底温度条件。ODP184航次在南海的钻探结果显示出天然气水合物的化学异常，南海北部陆缘多处地震剖面上都识别出BSR。专为天然气水合物研究而在南海布设的地震测量剖面上也发现有明显的BSR显示。最近，我国东海及邻近海域的天然气水合物研究与勘探工作正在进一步展开。

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