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钴、镍、稀土等关键金属在高科技新兴产业中发挥着至关重要的作用。在全球碳达峰、碳中和大背景下关键金属需求激增(Sovacool et al.,2020; Londoño et al.,2023),其战略储备受到各国高度重视(翟明国等,2019)。深海蕴藏着富钴结壳(以下简称“结壳”)、多金属结核(以下简称“结核”)、多金属硫化物、深海富稀土沉积物(以下简称“深海稀土”)等矿产资源,是可供未来开发的战略性矿产。其中结壳、结核富含Co、Ni、Cu、REE(rare earth elements,稀土元素)等关键金属元素,深海稀土主要富集中、重稀土元素,它们的富集成矿与深海沉积作用息息相关,可归为深海沉积型矿产(Kato et al.,2011; Hein et al.,2013,2020; Lusty et al.,2018; Toro et al.,2020; Milinovic et al.,2021)。近年来,随着新材料、新能源、新技术等高科技新兴产业的快速发展和陆地部分资源供应的短缺,深海关键金属矿产引起国际社会的日益关注,国际海底管理局正在紧锣密鼓地制订深海矿产开发规章,深海开发已现端倪(International Seabed Authority,2019)。深海矿产的找矿勘查和科学研究意义重大。国内外学者对结壳、结核和深海稀土这三种深海沉积矿产的空间分布、元素赋存状态、富集机制及控矿因素展开诸多研究(Koschinsky et al.,1995; Hein et al.,1999; 2013; 2020; Bau et al.,2009; He Gaowen et al.,2011; Wang Fenlian et al.,2021; Ren Jiangbo et al.,2021,2022; Deng Yinan et al.,2022),本文主要对其进展进行总结,并提出下一步工作思考。
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1 全球尺度深海沉积矿产资源主要分布
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结壳主要呈薄层状、砾状产出于水深1000~3500 m的海山、海脊等地形高地的基岩表面,壳层厚度一般不超过20 cm,富含Co、REE、Pt等金属元素,其中Co含量多在0.4%~0.6%之间,主要由水羟锰矿(δ-MnO2)和无定形羟基氧化铁(FeOOH)组成(Hein et al.,1999; 何高文等,2011)。结壳在太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋的海底均有分布(图1)。其中,西、中太平洋海山区是结壳的主要产出区,自20世纪80年代成为各国开展结壳资源勘查的重点海区,潜在结壳资源量(矿石量)约75.33亿 t(Petersen et al.,2016),其中钴金属资源量约3500万t。目前,已有5个国家在国际海底获得勘探矿区,其中4个矿区(中、日、俄、韩)位于西太平洋,1个(巴西)位于南大西洋。
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结核主要赋存于海底沉积物表面及浅层部位,呈球状、不规则等形状,直径一般为1~12 cm,多分布在水深3500~6500 m的深海盆地(Hein et al.,2003)(图1),有用元素主要包括Co、Ni、Cu、Mn、Mo、Li及REE等,由水羟锰矿、钙锰矿、水钠锰矿(0.7 nm)、布塞尔矿(1 nm)和针铁矿/纤铁矿(FeOOH)等组成(Hein et al.,2013; 何高文等,2021),依据不同成因可划分为水成型、成岩型和混合型三种。其中,水成型结核具有较低的Mn/Fe比值,成矿物质直接来源于海水;成岩型具有较高的Mn/Fe比值,成矿物质多源于沉积物中的孔隙水;混合型则介于二者之间。结核是人类认识最早的深海矿产,其发现始于19世纪70年代“挑战者”号环球考察期间,在太平洋、印度洋和大西洋都有发现,但分布不均匀(图1)。20世纪60年代,Mero(1965)指出结核的经济价值后,才引起国际社会的广泛关注。据估计全球深海结核矿石资源量达2×104亿t,有商业开采潜力的资源量可达750亿t(Hein et al.,2003)。目前已有多个国家的19个申请者在国际海底获得了结核勘探矿区,其中17个位于东太平洋海盆CC区(克拉里昂-克里帕顿断裂带区域),1个位于中印度洋海盆(印度),1个位于西太平洋海盆(中国)。
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深海稀土是产于深海盆地(水深大于4000 m)的富稀土沉积物,其稀土含量一般大于70×10-6,最高含量可超过8000×10-6,以富含重稀土为特征(Kato et al.,2011; Fujinaga et al.,2016)。富稀土沉积物的类型主要为沸石黏土和深海黏土(远洋红色黏土),多分布在太平洋和印度洋等深海盆地(图1)。日本学者Kato(2011)首次将深海稀土作为潜在矿产资源加以研究,此后受到国际社会关注。据估算,全球三大洋深海沉积物中稀土氧化物可能超过4400亿t,仅太平洋和印度洋四个成矿带内稀土氧化物资源潜力就可能超过500亿t(Kato et al.,2011; 朱克超等,2015; 石学法等,2021),约是陆地稀土氧化物资源量(约1.1亿t)的数百倍,其中重稀土氧化物资源潜力可能超过250亿t。目前,国际海底管理局尚未制订深海稀土勘探的规章制度。
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我国自20世纪80年代开始,有计划地开展大规模的大洋矿产资源调查研究,目前已在国际海域获得富钴结壳、多金属结核和多金属硫化物类型5个勘探矿区,是在全世界国际海底区域拥有矿区数量最多、矿种最全的国家。中国大洋矿产资源研究开发协会分别在国际海底区域获得结壳(西太平洋)、结核(东太平洋)和硫化物(西南印度洋)勘探矿区,中国五矿集团公司、北京先驱高技术开发有限责任公司先后在东、西太平洋获得结核勘探矿区,我国拥有的矿区总面积达23.5×104 km2(刘峰等,2021)。自2011年至今,我国组织开展了深海稀土资源调查研究,在对三大洋沉积物分布特征和分布规律认识的基础上,初步总结了稀土元素富集特征和分布规律,在太平洋-印度洋海域初步划分了4个富稀土成矿带,并提出我国深海稀土远景调查区(朱克超等,2015,2016; 石学法等,2021)。
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图1 全球深海沉积矿产分布图(据Hein et al.,2013; 石学法等,2021)
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Fig.1 Global deep-sea sedimentary mineral distribution map (after Hein et al., 2013; Shi Xuefa et al., 2021)
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2 深海沉积矿产成矿机制研究进展
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2.1 深海沉积矿产中Co、Ni、REE等元素赋存状态研究
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确定成矿元素的赋存状态及其源-运-聚过程是建立关键金属矿产成矿理论的核心(蒋少涌等,2019; 侯增谦等,2020)。研究表明Co、Ni等主要成矿元素在结核和结壳中具有不同的元素组合,在结核中Mn与Ni、Cu构成较稳定的元素组合,与Co呈负相关;而在结壳中Mn与Co呈正相关,可与Co、Ni构成稳定的元素组合(何高文,2011)。前人通过化学淋洗法对结壳、结核中的不同组分进行分离,对Co、Ni、REE元素的赋存状态进行研究。结壳、结核化学淋洗法通过几十年的发展得到持续改进,已经由最初的锰氧化物、铁氧化物二分法(Nath et al.,1994),过渡为吸附态、锰氧化物、易溶铁氧化物、碎屑黏土四分淋洗法,近来已发展为能够提取结晶态铁氧化物(Franks et al.,2020)。通过化学淋洗法得知结壳、结核中的Co、Ni元素仅赋存在锰氧化物之中(Koschinsky et al.,1995)。Co在海水中以Co2+形式存在(Byrne,2002),通过库仑力作用被带负电荷的水羟锰矿吸附。同步辐射试验表明水羟锰矿中的Co2+发生持续氧化形成Co3+,进而取代锰氧化物中的Mn4+,这是结壳中钴超常富集的原因之一(Takahashi et al.,2007)。深海结核富集Mn、Cu、Co、Ni、REE等元素,矿物包括水钠锰矿、布塞尔矿、水羟锰矿、钙锰矿,不同深海锰氧化物之间能够相互转化(Bodeï et al.,2007; Atkins et al.,2016)。结核中的Co、Ni元素含量存在明显差异(Deng Xianze et al.,2022),然而,结核中不同锰相氧化物中的Co、Ni元素赋存状态尚未见到相关研究成果,不同区域不同成因类型的结核中Co、Ni元素差异性富集机理尚不清楚。
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关于结壳中稀土元素的赋存状态,早期观点认为,REE主要被锰氧化物吸附(Goldberg et al.,1963);基于结壳中元素滤取实验,Nath et al.(1994)认为REE在结壳中的富集是受铁的氢氧化物和锰氧化物共同作用的结果;白志民等(2004)通过对太平洋结壳中的REE赋存状态研究,认为非晶态FeOOH对REE具有较强的吸附能力,是结壳REE的主要赋存矿物相,水羟锰矿中的REE含量较低。前人研究表明,结壳中的REE与Fe的相关性较复杂,在不同海区二者的相关性截然相反,部分海区的结壳REE富集可能与锰相矿物有关(何高文等,2011)。随着原位分析技术的发展,Ren Jiangbo et al.(2022)通过激光元素面扫描技术揭示太平洋和南海结壳中的铁相矿物更富集稀土;Guan Yao et al.(2019)通过类似的方法证明南海结核中铁相矿物相对于锰相矿物更富集稀土。但这种元素相关性是否存在样品之间的差异?元素地球化学上的相关性是否完全与赋存矿物相对应?还有待进一步探讨。
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深海稀土中生物磷灰石(鱼牙骨)最可能赋存稀土(Kato et al.,2011; Kon et al.,2014)。通过对西太平洋深海沉积物中挑选出的生物磷灰石进行原位分析发现∑REY(稀土元素和钇元素总量)可达500×10-6~32000×10-6。据估算,磷酸盐组分中稀土元素的贡献达70%~90%(Kon et al.,2014; Ren Jiangbo et al.,2022; 付宇等,2024)。也有学者认为,微结核对沉积物中的REE元素,尤其是Ce元素具有重要贡献(Zhou Tiancheng et al.,2020; 石学法等,2021; Liang Yongjia et al.,2024)。REE元素主要以离子置换方式进入生物磷灰石的晶格中,其次也有部分以吸附的方式附着在微结核、黏土矿物表面(Liao Jianlin et al.,2019; Zhou Tiancheng et al.,2020)。Liao Jianlin et al.(2022)通过六步骤酸淋洗,分离出了磷酸盐、锰氧化物、铁氧化物及铝硅酸盐等组分。但目前黏土矿物、生物磷灰石、微结核、钙十字沸石等不同矿物对于深海稀土中REE的富集贡献仍没有定论,除主要赋存相生物磷灰石外,其余矿物是否对于深海稀土中的REE富集有所贡献?其贡献程度如何?尚需进一步开展研究。
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2.2 深海沉积矿产中关键金属元素的富集机制研究
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西太平洋三种沉积型矿产是晚白垩纪以来岩石圈(洋底火山、热液活动、基岩和沉积物类型、沉积速率等)-水圈(洋底底流、海水溶解氧等)-生物圈(表层生物生产力、底栖生物等)多圈层相互作用下多种因素(Kato et al.,2011; Hein et al.,2013; Dutkiewicz et al.,2020)共同制约下形成的,特别是约80 Ma以来海山结壳发育,之后出现多期磷酸盐化事件和生长间断(王洋等,2020)。自塔斯马尼亚、德雷克海峡打开以后,南极底流的形成、北上入侵西太平洋,促进富稀土的沉积发育(Wang Fenlian et al.,2021),沉积间断期可能是结核、深海稀土的主要生长期(Hein et al.,2013)。有学者认为,暴露在海底的大洋玄武岩极易与海水发生高、低温水岩反应,淋滤出大量Fe、Mn、Cu、Zn、Mg等元素进入海水(黄文斌等,2013; Coogan et al.,2018),为结壳、结核、深海稀土中的关键金属元素富集提供了最初的物质基础(Templeton et al.,2009)。然而,REE、Co、Ni、Cu等金属元素在海水中含量很低,例如海水中的∑REE约为n×10-12,而在海水与沉积物/结核/结壳界面含量却高达n×10-6~n×10-3,这些元素可在结壳、结核、沉积物中形成6~9个数量级的富集(Deng Yinan et al.,2017; 任江波等,2019)。有研究认为沉降到水岩界面的Fe-Mn羟基氧化物、有机和无机碎屑等物质对海水中的REY、Co、Ni、Cu、Mn等关键金属元素进行了预富集,其中FeOOH带正电荷,吸附海水中的REE、U、Pb等阴离子团,MnO2带负电荷,吸附海水中的Co、Ni、Zn、Ce等阳离子。当上述物质在海山沉淀堆积,形成富钴结壳(图2a);沉降至海底,围绕岩石碎屑、鱼牙等核心物质沉淀聚集时,则形成水成型多金属结核;成岩型结核半埋藏或埋藏于沉积物中,主要从沉积物内部孔隙水中沉淀成矿元素(图2b)(Koschinsky et al.,2003; Haley et al.,2004; 何高文等,2011; Deng Yinan et al.,2017; Smrzka et al.,2019; Abbott et al.,2022)。最新研究成果显示,深海盆地沉积物中通过孔隙水向海水输入的稀土的量比浅海明显偏少,大量的稀土元素留存于沉积物中,最终被磷灰石所吸附,形成深海富稀土沉积物(Deng Yinan et al.,2022b)。
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海洋生物的生命过程与深海表生沉积矿产的成矿密切相关。结核、结壳在生长演化中伴随着微生物群落的活动,其中的矿物不仅是由单纯的物理作用形成,同时也是生物矿化的产物(Barik et al.,2016)。结壳的扫描电镜结果表明,在近底部水层和结壳表面沉积大量浮游生物颗粒,如钙质超微化石的文石和方解石骨架,在侵蚀和溶解过程中释放出Fe-羟基氧化物,造成了一定程度的Fe富集。在弱碱性条件下,促进了结壳表面Mn2+到MnO2的氧化和δ-MnO2的沉淀增强,从而有利于水成矿物物质的形成。微生物的代谢活动及物理化学因素的综合作用加速了成矿元素得以成阶段式的氧化沉淀-还原溶解-再氧化沉淀,有助于结核的形成(韩喜球等,1997; Tazaki et al.,1997; Wang Xiaohong et al.,2009; Jiang Xiaodong et al.,2017)。生物颗粒对海水中关键金属元素的吸附,及其下沉过程中的矿化作用对金属元素的释放,形成了REE等元素在海水中自上而下的迁移(Haley et al.,2004; Abbott et al.,2022),而富稀土沉积层REE元素大多赋存于鱼牙骨(生物磷灰石)中,是稀土元素的主要载体矿物(Zhou Tiancheng et al.,2020; Ren Jiangbo et al.,2021; Wang Fenlian et al.,2021; Liao Jianlin et al.,2024)。目前从结壳、结核、深海稀土中提取生命活动的遗留信息,解译生物圈在成矿过程中贡献的研究相对薄弱。
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图2 深海结壳(a)、结核(b)的形成示意图(据Koschinsky et al.,1995; Hein et al.,2020修改)
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Fig.2 Schematic diagram of the formation of deep-sea cobalt crust (a) and poly-metallic nodules (b) (modified after Koschinsky et al., 1995; Hein et al., 2020)
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此外,结壳、结核中存在大量生物标志化合物,其结构与活体生物中母源有机分子基本一致,保存了母源生物体特征和生命活动等大量信息,能够反演海洋生物群落演替及生产力变化、重建古海洋气候与环境、揭示关键金属元素富集与全球重大地质事件之间的关联,也能够为成矿作用中不同元素迁移过程的影响因素提供新的思路。然而,目前仅有部分学者对结壳不同分层中的正构烷烃、规则甾烷分布特征进行简单的讨论(赵军等,2014),利用生物标志化合物对生物矿化过程的揭示及其与金属元素富集的耦合关系相关研究报道较少(Zhao Jun et al.,2014)。
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2.3 西太平洋大规模发育结壳、结核、深海稀土三种类型沉积矿产
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多年调查研究结果显示,典型山-盆体系控制下的西太平洋海山群及邻近深海盆地同时大规模发育结壳、结核和深海稀土三种矿产资源,是全球深海沉积矿产的重要成矿带。
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(1)结壳:西太平洋麦哲伦海山群、马尔库斯-威克海山群及马绍尔海山群等海山形成历史最长,结壳发育程度最高,是目前最受全球关注的结壳矿区。前人分别从结壳的成矿时代、地球化学特征、矿物组成等不同角度,对其进行了较为系统的研究。西太平洋结壳的出现不早于80 Ma,经历了多个期次的生长期和生长间断期(Ling Hongfei et al.,2005; 王洋等,2020)。结壳中的矿物主要由结晶程度差的水羟锰矿(δ-MnO2)、非晶态的针铁矿、纤铁矿(FeOOH)、碎屑矿物和黏土矿物组成,由于成矿过程中遭遇多期次的磷酸盐化事件,在局部层位含有较高的碳氟磷灰石(何高文等,2011; 任向文等,2011; Hein et al.,2013)。
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结壳初始成矿物质来源、结壳与基岩之间是否存在物质供应关系仍存在争论。部分学者认为结壳在不同类型基岩上的发育无明显选择性,海山结壳的成矿与基岩类型并无成因联系(Hein et al.,1999; 初凤友等,2005)。但对西太平洋海山结壳统计发现当基岩为火山角砾岩、玄武岩、凝灰岩的时候,结壳出现的几率,其中Co、Mn含量均相对更高(Templeton et al.,2009; 何高文等,2011),且蚀变越强烈岩石的上覆结壳发育越好(陈建林等,2004)。理论计算结果和地球化学研究表明大洋岛屿玄武岩的低温蚀变向海水提供了大量金属元素,结壳的物质来源可能是碱性玄武岩与海水共同作用的结果(卜文瑞等,2007)。结壳与海山玄武岩的铂族元素组成研究显示两者具有相似的配分型式,指示富钴结壳与玄武岩铂族元素可能具有同源性(何高文等,2011)。结壳的稀有气体同位素组成也指示了幔源物质的混入(Bu Wenrui et al.,2014; Guan Yao et al.,2019),说明海山玄武岩的水岩反应和/或低温热液活动对于结壳的金属元素物源具有重要贡献。
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(2)结核:西太平洋皮嘉费他等海盆发育丰度可达40 kg/m2以上的高丰度结核(Yang Yong et al.,2020; Li Zhenggang et al.,2021; Ren Jiangbo et al.,2022),结核主体暴露在海水环境中,结晶程度低,生长极其缓慢,具有富集Co、Ti、REY(REE+Y),低Mn/Fe比值的特征,为典型的水成成因结核(Deng Xianze et al.,2022; Ren Jiangbo et al.,2022)。微区XRF元素扫描结果显示,西太平洋结核具有非均质的化学组成,形成Fe、Co、Ti和Mn、Cu、Ni两类金属元素协同变化特征(Li Dengfeng et al.,2020),且内部同类型纹层中Co、Ni元素含量存在差异(Manceau et al.,2014; Deng Xianze et al.,2022);相较于东太平洋海盆克拉里昂-克里帕顿区(CC区),西太平洋结核具有更高的Co含量(前者约为0.2%,后者约为0.4%),又称为富钴型结核。西太平洋结核超常富集Co的内在控制机理尚待深入研究。
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(3)深海稀土:近年来调查研究结果发现,西太平洋深海盆地沉积物富集稀土元素(Kato et al.,2011),最高可达7974×10-6(Yasukawa et al.,2019),被认为是一种潜在稀土资源,引起了广泛的关注。关于深海沉积物中稀土元素的迁移、富集机制取得如下初步认识:深海沉积物中稀土元素主要直接或间接来源于海水,以类质同象的形式进入磷酸盐组分(包括生物磷灰石),显示与海水相似的稀土模式(Hughes et al.,2015; Liao Jianlin et al.,2019),磷酸盐组分是沉积物中稀土元素的主要赋存相(Kon et al.,2014; 朱克超等,2015)。然而,海水中的稀土元素含量低,且沉积物生物磷灰石的稀土元素扩散系数小(70 mm2/Ma; Toyoda et al.,1990),导致其从海水直接进入生物磷灰石并超常富集显得困难。研究发现孔隙水中稀土元素含量更高,在海水-沉积物界面突然增加并达到极大值,为沉积物中磷酸盐组分稀土富集提供了物质基础,磷灰石中稀土元素的富集被认为在沉积物-海水界面已经完成(Ren Jiangbo et al.,2021; Liao Jianlin et al.,2022;Deng Yinan et al.,2022),但相关过程仍不清楚。深海沉积物成岩过程中稀土元素可能存在重新分配,微结核溶解后释放出的稀土元素会通过孔隙水向生物磷灰石转移,从鱼牙骨的根部进入生物磷灰石内部,进而造成生物磷灰石中稀土的富集(Liao Jianlin et al.,2019; Zhou Tiancheng et al.,2020; Deng Yinan et al.,2022; Zhang Huan et al.,2023)。深海沉积物中的氧化环境同时会造成微结核成岩作用过程非常缓慢,由微结核提供的稀土元素对生物磷灰石中稀土元素富集的贡献大小尚不清楚。此外,西太平洋深海沉积物中的黏土组分(<2 μm)显示有来自亚洲的风尘黏土携带的陆源稀土元素也参与了深海稀土的富集(王汾连等,2019),但REE在黏土矿物中的赋存状态和富集程度尚待进一步明确。因此,深海沉积物中稀土元素的迁移、富集机制仍需深入研究。
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3 存在问题和研究展望
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通过对全球及西太平洋沉积矿产的成矿机制研究现状分析可知,目前结壳、结核、深海稀土单独的成矿模型已初步形成,Fe、Mn等主要矿物组成及地球化学研究取得诸多进展。但仍存在如下主要问题:① 深海沉积矿产中Co、Ni、REE等关键金属在结壳、结核、深海稀土的赋存状态、富集机制尚未查明或存在争论;② 三者之间的时空耦合机制尚不清楚。为此,深海沉积矿产成矿机制研究应以地球系统科学为指导,重点开展以下几方面研究。
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3.1 深海沉积矿产成矿元素迁移富集与多圈层相互作用关系研究
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西太平洋岩石圈-水圈-生物圈多圈层之间的相互作用为深海沉积矿产的富集提供了必要条件:海山、玄武岩洋壳(岩石圈)早期的水岩反应,淋滤出的大量Fe、Mn、Cu、Zn、Mg等元素进入海水,可能为结壳、结核、深海稀土中关键金属元素的富集提供了最初的物质基础;水圈为深海沉积矿产的富集提供氧化环境,同时在调节沉积速率、搬运成矿元素等方面发挥重要作用;而生物颗粒则对海水中关键金属元素的吸附,并在下沉过程中通过矿化作用释放金属元素,同时也为深海稀土的富集提供主要赋存矿物(生物磷灰石)。然而,成矿元素在各圈层中迁移、富集的地球化学过程尚未得到精细刻画,需聚焦成矿元素,开展多圈层相互作用下成矿元素的源-运-聚过程研究。
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随着测试技术尤其是海水超微量测试技术的发展,通过分析成矿元素在海水、基岩、沉积物、生物颗粒及结核、结壳等不同圈层载体中的含量变化、同位素组成,有望揭示成矿元素在多圈层中的迁移富集过程。
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3.2 西太平洋独特的构造特性和山-盆体系为沉积矿产发育提供了良好的条件,应作为重点成矿带开展工作
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现有研究表明,西太平洋洋底(皮嘉费他海盆及其邻近区域)保存有自太平洋依泽奈崎、法拉隆和菲尼克斯板块之间三联点发育而来的古老洋壳(约200 Ma),(Seton et al.,2012; 李三忠等,2019),是太平洋现存最老的洋壳,为深海沉积矿产的发育提供了独特的时空条件。大洋钻探结果表明,在侏罗纪碱性玄武岩及上覆的拉斑玄武岩基岩之上,自下而上依次发育:① 侏罗纪巴通期—卡洛夫期(168~163 Ma)基底沉积,主要为红色放射虫岩和赤铁矿化黏土岩;② 侏罗纪牛津期—提塘期(163~145 Ma)和白垩纪贝里阿斯期—巴雷姆期(145~125 Ma)的生物硅质沉积,主要为放射虫岩;③ 阿普特期(125~113 Ma)的火山事件及火山沉积物,主要为厚层火山碎屑浊积岩含有少量远洋沉积物夹层;④ 阿尔布期—塞诺曼期(113~94 Ma)的远洋沉积,主要为灰岩和放射虫燧石;⑤ 晚白垩纪(94~66 Ma)的硅质沉积,主要为褐色燧石和陶土;⑥ 白垩纪末期至第四纪(66~0 Ma)的远洋黏土沉积(王海峰等,2021),深海盆中的富稀土沉积即位于此层。
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西太平洋海区内磁条带异常复杂,地质构造独特,密集分布大量的洋底高原和海山群、海山链,占全球海山的50%以上,主体形成于140~70 Ma,源于南大洋同位素热异常区(Koppers et al.,2003; Wessel et al.,2009; Wei Xun et al.,2022)。海山(群)之间发育大量山间盆地,自西北至东南分布有东马里亚纳海盆区、西北太平洋海盆、皮嘉费他海盆、中太平洋海盆、彭纳肖海盆和西南太平洋海盆(Hein et al.,2003; Hein et al.,2015; Petersen et al.,2016)。实施于西太平洋海山顶部的大洋钻探钻孔结果显示,基底以碱性玄武岩为主,上覆沉积层自下而上分别为早白垩世—始新世中期浅水碳酸盐平台或珊瑚礁状的碳酸盐建造,早白垩世生物礁泥岩沉积,夹生物礁灰岩、鲕粒灰岩及中新世—第四纪的有孔虫软泥、有孔虫砂岩、有孔虫泥岩等远洋沉积(王海峰等,2021)。
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此外,西太平洋山-盆体系下的物理海洋特征也有利于沉积矿产的形成:当大尺度背景流经海山时,在海山上方常激发反气旋环流,许多学者认为,海山山顶的反气旋环流可能有助于富钴结壳的生长(Mikha et al.,2004)。此外,沿海山爬坡的冷水在山顶辐合导致等密度线在海山上方上拱,形成冷异常,其所携带的深层营养盐将促进海山上方生物量的增加(Lusty et al.,2018),进而有利于成矿元素的富集。
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3.3 西太平洋沉积矿产存在时空耦合关系,其控制机理尚待深入研究
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尽管西太平洋表生沉积矿产已有诸多成果,但前期研究一直将结壳、结核、深海稀土作为孤立的对象。随着研究的深入,作者认识到三者之间具有难以割裂的时空耦合关系,是一个有机的成矿系统。
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在时间上,西太平洋结壳的主要生长期为80~75 Ma、70~65 Ma、60~50 Ma、42~40 Ma、35~28 Ma、15~10 Ma和8~0 Ma,普遍存在65~60 Ma、51~42 Ma、40~35 Ma和28~18 Ma等几个主要的生长间断期(Ling Hongfei et al.,2005; 王洋等,2020)。结核的发育期一般不早于23 Ma(周怀阳,2008),西太平洋结核Os同位素测年结果表明其生长过程中存在13~8 Ma、6~4 Ma等数个生长间断期。生物地层、古地磁极性、生物磷灰石Sr同位素定年结果显示,西、中太平洋深海富稀土的成矿年代主要为中新世,而晚上新世和第四纪沉积物中REE含量较低。西太平洋结壳、结核、深海沉积物中均发育多期次的沉积间断,特别是结核、深海稀土的发育多为中新世,三者形成时间上具有一定的耦合关系。
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在空间上,西太平洋麦哲伦海山群、马尔库斯-威克海山群、马绍尔海山群大规模发育海山富钴结壳,而在这些海山群之间以皮嘉费他海盆为代表的深海盆地则大规模富集发育结核、深海稀土。调查资料表明,海山周边的结核具有较高的丰度,靠近海山周边的深海沉积物中也具有较高的REE含量(Wang Fenlian et al.,2021),指示了西太平洋“结壳-结核-深海稀土”三者之间存在着空间耦合联系。
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由此可见,西太平洋“结壳-结核-深海稀土”三者存在时空耦合关系,但其形成机制及其主控因素不清,西太平洋山-盆体系对三者时空耦合关系的形成是否有关?这些问题需要进一步研究加以回答。
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4 结语
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以富钴结壳、多金属结核、富稀土沉积物等为主的深海沉积矿产中富含锰、钴、镍、铜、稀土等关键金属元素,是重要战略性矿产,是对陆地矿产的重要补充,在开采技术和环境保护得到保障的前提下,有望满足新能源等新兴产业对钴等金属的需求。结壳、结核、深海稀土分别赋存于海山、海盆表面和海底沉积物中,成矿过程存在关联,海水在成矿过程中发挥了重要作用。钴、镍、铜、稀土等关键金属元素基本未形成独立矿物。以往工作多集中对三种矿产的单独研究,限制了深海成矿过程的整体认识。在未来研究工作中,应以地球系统科学思想为指导,聚焦成矿元素,开展多圈层相互作用下成矿元素的源-运-聚过程研究,揭示山-盆体系下“结壳-结核-深海稀土”三者时空耦合机制,为深海成矿预测提供理论指导。
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致谢:感谢两位审稿专家提出的宝贵意见。
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摘要
深海沉积矿产主要包括富钴结壳、多金属结核、富稀土沉积物等,其中前二者富含钴、镍、铜、稀土等关键金属元素,后者富含中重稀土元素,是可供未来开发的战略性矿产。结壳、结核、深海稀土分别赋存于海山、海盆表面和海底沉积物中,三者的成矿过程存在关联,海水在成矿过程中发挥了重要作用。钴、镍、铜、稀土等关键金属元素基本未形成独立矿物。以往工作多集中对三种矿产展开单独研究,限制了深海成矿过程的整体认识。本文通过梳理国内外学者对结壳、结核和深海稀土三种深海沉积矿产的空间分布、元素赋存状态、富集机制及控矿条件等方面的进展和存在问题,提出以地球系统科学思想为指导,聚焦成矿元素,开展多圈层相互作用下成矿元素的源-运-聚过程和山-盆体系下“结壳-结核-深海稀土”三者时空耦合机制研究,为深海成矿预测提供理论指导。
Abstract
Deep sea sedimentary mineral resources mainly include cobalt-rich crusts, polymetallic nodules and REEs-rich sediments, of which the former two are rich in cobalt, nickel, copper, rare earth elements (REEs) and other critical metal elements, and the latter is rich in medium and heavy REEs, which are potential strategic mineral resources in the future. Crusts, nodules, and REEs-rich sediments are distributed on the surface of seamounts, seabed and deep sea sediments respectively, and the mineralization processes are related, and sea water plays an important role in the mineralization process. The critical metals such as cobalt, nickel, copper and REEs haven't formed independent minerals. Previous studies mainly focus on the separate research on single mineral resource, which limited overall understanding of deep-sea mineralization processes. On the basis of reviewing the progress and existing problems of domestic and foreign scholars on the spatial distribution, occurrence status, enrichment mechanisms, and controlling factors of three deep-sea sedimentary mineral resources above, this paper proposes to focus on ore-forming elements, to conduct the study on process of “source-migration-enrichment” of the ore-forming elements under multi-sphere interaction and the spatiotemporal coupling mechanism of sedimentary mineral resources in “seamountain-basin system” under the guidance of Earth system science, which provides theoretical guidance for deep-sea metallogenic prediction.