1、2005年礦床地質(zhì)MIN ERAL DEPOSITS第24卷第1期文章編號(hào):0258-7106(200501-0081-04海底金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)回顧與未來(lái)展望劉玉山,吳必豪(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京100037摘要占地球面積70%的海洋蘊(yùn)藏著巨量的礦產(chǎn)資源。文章簡(jiǎn)要回顧了鐵錳結(jié)核、富鈷結(jié)殼及熱液硫化物等海底金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)研究的進(jìn)展、經(jīng)驗(yàn)和挫折,并通過(guò)綜合分析指出,海洋礦產(chǎn)資源的開發(fā)是新世紀(jì)的必然趨勢(shì),而新近在西南太平洋發(fā)現(xiàn)的淺成低溫?zé)嵋航鸬V可能成為海洋金屬礦產(chǎn)開發(fā)研究的熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞海底礦產(chǎn);海底采礦;綜述中圖分類號(hào):P744文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A隨著現(xiàn)代社會(huì)和工業(yè)對(duì)各種礦產(chǎn)資源需求的增大

2、以及陸上礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭,研究和開發(fā)大洋海底礦產(chǎn)資源的問(wèn)題就變得越來(lái)越迫切了。據(jù)專家估算,現(xiàn)代社會(huì)對(duì)礦物原料的需求量,每15年就要翻一番,現(xiàn)在一年的開采量就達(dá)250億噸之多(,2000。不少金屬已出現(xiàn)短缺,例如印度等國(guó)家已短缺Pb、Ni,Cu、Zn亦僅可維持不到50年。這些資源均屬不再生資源,一旦枯竭,便會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。而占地球表面面積70.2%的浩翰海洋則蘊(yùn)藏著幾乎取之不盡的生物、能源和礦產(chǎn)資源。據(jù)(2000粗略推算,僅海底的Cu、Ni、Co、Mn金屬資源的蘊(yùn)藏量就可供全球使用千年以上。只是,目前人類對(duì)海洋資源的開發(fā)利用程度還很低,除石油、天然氣的海上開采約占1/4份額外,對(duì)海底金屬礦產(chǎn)的

3、開發(fā)幾乎為零。這種形勢(shì)迫使人類重視和加快了對(duì)海洋資源的研究和開發(fā)。近30年來(lái),各國(guó)不但相繼發(fā)現(xiàn)和調(diào)查研究了鐵錳結(jié)核、富鈷結(jié)殼、海底熱液硫化物、海底金屬沉積和氣體水合物等重要的海洋礦產(chǎn)資源,而且進(jìn)行了海底工業(yè)采礦試驗(yàn),初步形成了鐵錳結(jié)核和富鈷結(jié)殼的工業(yè)開采冶煉工藝。可以說(shuō),開發(fā)海洋金屬礦產(chǎn)的社會(huì)和科技條件已基本具備。因此,專家預(yù)言(,2000,在第三個(gè)千年里,海洋資源的開發(fā)利用將超過(guò)陸上資源,“21世紀(jì)將是人類開發(fā)利用海洋的世紀(jì)”。1海底礦產(chǎn)資源研究和開發(fā)的回顧1.1海洋礦產(chǎn)資源的潛力巨大由于海洋礦產(chǎn)資源對(duì)人類和現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展意義十分重大,近幾十年來(lái)世界各國(guó)紛紛搶灘于這一資源領(lǐng)域的調(diào)查和研究。有

4、鑒于此,聯(lián)合國(guó)海洋公約大會(huì)于1994年曾將世界海洋劃分為200海里專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)(EEZ(這里的資源屬主權(quán)國(guó)和200海里以外的國(guó)際公海。廣闊的國(guó)際公海中蘊(yùn)藏的所有資源是屬于“人類的共同財(cái)富”,各國(guó)可依法進(jìn)行調(diào)查研究和申請(qǐng)開采。大洋中和大洋底蘊(yùn)藏的資源十分豐富和多樣,有生物礦產(chǎn),也有非生物礦產(chǎn)。非生物礦產(chǎn)中又包括了流體礦產(chǎn)(石油、天然氣、氣體水合物和固體礦產(chǎn)。表1列舉了幾種常見(jiàn)且重要的海洋礦產(chǎn)資源。雖然海洋礦產(chǎn)資源的海上調(diào)查研究已有百年以上的歷史,但是,真正開發(fā)開采性的調(diào)查研究則始于上世紀(jì)中葉對(duì)東太平洋海底鐵錳結(jié)核的勘查。當(dāng)時(shí),對(duì)百余個(gè)站位的結(jié)核礦石進(jìn)行了取樣分析。根據(jù)這些資料,Mero(1965在

5、其專著海洋的礦物資源中曾估算太平洋中蘊(yùn)藏有萬(wàn)億(1012噸的鐵錳結(jié)核資源,而且這些結(jié)核以超過(guò)人類開采的速度生長(zhǎng)著。他的估算后來(lái)被證明確有夸大,但其結(jié)論則極大地鼓舞和推動(dòng)了工業(yè)大國(guó)對(duì)海底礦產(chǎn)資源的開第一作者簡(jiǎn)介劉玉山,1935年生,研究員,長(zhǎng)期從事高溫高壓成礦作用實(shí)驗(yàn)研究,近十年來(lái)轉(zhuǎn)向大洋鐵錳結(jié)核和富鈷結(jié)殼的地球化學(xué)研究。收稿日期2004-06-25;改回日期2004-09-28。 表1幾種重要的海洋礦產(chǎn)資源(據(jù)R ona ,2002T able 1Some important kinds of m arine mineral resources (after R ona ,2002成因類型礦產(chǎn)

6、資源陸緣淺海深海海盆陸源成因海濱砂礦(鉆石,Au ,Sn ,W ,Ti.Zr.生物成因石油,天然氣,氣體水合物石油,天然氣,(氣體水合物成巖作用成因磷塊巖水成(自生成因磷塊巖,富鈷結(jié)殼富鈷結(jié)殼,鐵錳結(jié)核火山成因熱液硫化物熱液硫化物,金屬沉積發(fā)性勘查和研究。在基本查明了CC 區(qū)鐵錳結(jié)核的資源量及開發(fā)前景后,在20世紀(jì)8090年代,各國(guó)又開始了另一個(gè)更具開發(fā)遠(yuǎn)景的太平洋、印度洋富鈷結(jié)殼的礦產(chǎn)資源調(diào)查,在中太平洋確定了近10個(gè)具開發(fā)遠(yuǎn)景的富鈷結(jié)殼產(chǎn)區(qū)。在此期間,不少國(guó)家對(duì)海底熱液硫化物礦床也進(jìn)行了深入的研究。在過(guò)去的30年間,包括中國(guó)在內(nèi)的各國(guó)完成了千余航次的海上地質(zhì)調(diào)查、取樣和海底鉆探,對(duì)鐵錳結(jié)核

7、和富鈷結(jié)殼的分布、物質(zhì)成分、資源量和采冶工藝進(jìn)行了全面而深入的研究,使人們對(duì)海底礦產(chǎn)的分布、資源量和開發(fā)前景有了一個(gè)較全面和較準(zhǔn)確的了解。已取得的調(diào)研結(jié)果顯示,海洋中蘊(yùn)藏的金屬礦產(chǎn)資源量十分巨大,Mn 、Ni 、Co 、Cu 等金屬礦產(chǎn)的資源量均超過(guò)其陸上資源的預(yù)測(cè)值。按現(xiàn)在的開采水平,這些金屬資源足夠使用上千年(表2。1.2海洋金屬礦產(chǎn)的開采尚待時(shí)日面對(duì)如此巨大的資源,當(dāng)然不乏先驅(qū)者研究其工業(yè)開采和利用問(wèn)題。遠(yuǎn)在20世紀(jì)60年代,就有人預(yù)言太平洋鐵錳結(jié)核會(huì)在510年內(nèi)進(jìn)入工業(yè)開采。在隨后的20年間,雖然開采結(jié)核的工藝技術(shù)已基本成熟,但由于世界Ni 、Cu 的價(jià)格下跌,海洋鐵錳結(jié)核的工業(yè)開采被

8、預(yù)測(cè)為不盈利的,工業(yè)大國(guó)和國(guó)際財(cái)團(tuán)無(wú)意繼續(xù)投資,因而,鐵錳結(jié)核的開采被冷卻了下來(lái)(G lasby ,2000;2002。在20世紀(jì)80年代,另一種海底礦產(chǎn)富鈷結(jié)殼的前景呈現(xiàn)了出來(lái)。這種礦產(chǎn)由于富含Co 、Pt 等高附加值的金屬元素以及產(chǎn)出水深淺、距海島和大陸近,而被認(rèn)為開發(fā)前景優(yōu)于鐵錳結(jié)核(Ghosh ,2000。特別是在中太平洋夏威夷、約翰斯頓島200海里美國(guó)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi),富鈷結(jié)殼的鈷含量特別高(含Co 高達(dá)2%,平均0.7%0.8%,礦石儲(chǔ)量可達(dá)300106t ,被認(rèn)為是目前最有工業(yè)開采遠(yuǎn)景的礦區(qū)。但是,1990年美國(guó)夏威夷州DOI -MMS 和DPED 機(jī)構(gòu)提出了一個(gè)富鈷結(jié)殼的開采和冶煉

9、設(shè)計(jì),結(jié)果認(rèn)為,無(wú)論用火法或濕法冶煉,目前都不可能盈利(Hein et al ,2000。另?yè)?jù)一份未發(fā)表的有關(guān)馬紹爾群島海區(qū)富鈷結(jié)殼開發(fā)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的報(bào)告,開采和冶煉的投資約為7.5億美元,它要求最低年收益必須達(dá)到1億美元。這在現(xiàn)今年處理表2海洋金屬礦產(chǎn)計(jì)算和預(yù)測(cè)的資源量T able 2Marine ore deposits :calculated and estim ated resource volumes礦產(chǎn)及海區(qū)資源量/106t干礦石Mn Ni Co Cu ZnPbAu資料來(lái)源多金屬結(jié)核CC 區(qū)34000750034078270Morgan ,2000太平洋9000020000900200

10、700Morgan ,2000富鈷結(jié)殼麥哲倫海山473.5- 2.4Andreev and Gramburg ,1998中太海山360- 3.0Andreev and Gramburg ,1998太平洋720003808.812 3.2Andreev and Gramburg ,199831.90.002,19951550087.76.16193031240.061,199528礦床地質(zhì)2005年能力為70萬(wàn)噸干礦石的生產(chǎn)能力下是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此,它的工業(yè)開采也尚待時(shí)日。這只是從經(jīng)濟(jì)方面考慮。海洋礦產(chǎn)的開發(fā)取決于諸多因素。鈷是重要戰(zhàn)略物資,目前86%鈷的產(chǎn)量來(lái)自扎伊爾和津巴布韋。未來(lái)形勢(shì)的變

11、化和技術(shù)的進(jìn)步,都會(huì)降低海底礦產(chǎn)資源開發(fā)的成本和提高其應(yīng)用價(jià)值。例如找到更富的礦區(qū),海底采冶工藝的改進(jìn)(比如軟管原地采礦,礦石及尾礦的綜合利用,等等或者因供需失調(diào)引起的世界鎳、鈷價(jià)格上揚(yáng),使得海底礦產(chǎn)的開發(fā)比陸上礦石的開采更為合算。只有到那時(shí),海底鐵錳結(jié)核和富鈷結(jié)殼的工業(yè)開采開發(fā)才能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。有關(guān)專家根據(jù)當(dāng)今社會(huì)對(duì)金屬礦產(chǎn)的消耗與全球資源儲(chǔ)量形勢(shì)的推測(cè),認(rèn)為世界鎳、鈷礦產(chǎn)資源尚可供應(yīng)2030年(Sen at al, 1999。因此,鐵錳結(jié)核和富鈷結(jié)殼的工業(yè)開采可能要等待3050年。另外,近幾年來(lái)海底熱液硫化物礦床調(diào)查的發(fā)現(xiàn)也可能影響和改變海底金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)的進(jìn)程。產(chǎn)于西南太平洋火山島弧和弧后

12、盆地的淺成低溫?zé)嵋航鸬V因其價(jià)值高,產(chǎn)出淺以及距海島近等優(yōu)勢(shì)而可能首先被開發(fā)。2未來(lái)展望回顧并不算長(zhǎng)久的海洋礦產(chǎn)資源的開發(fā)性研究歷程,有成就也有挫折。由于實(shí)際資料不足,過(guò)于樂(lè)觀的設(shè)想,以及客觀上鎳價(jià)的跌落,首次鐵錳結(jié)核開采開發(fā)的努力未能成功;富鈷結(jié)殼的開采開發(fā)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件看來(lái)也未成熟。因此,目前海底的鐵、錳、鈷、鎳礦產(chǎn)還只能被看成為一種潛在的金屬礦產(chǎn)資源。盡管如此,海底鐵、錳、鈷、鎳礦產(chǎn)畢竟是一種重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源,而且是無(wú)比巨大的“人類共同的財(cái)富”。為解決全球的人口、資源和環(huán)境問(wèn)題,推進(jìn)現(xiàn)代社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,開發(fā)海洋礦產(chǎn)資源是必然的趨勢(shì)。21世紀(jì)可能就是人類全面開發(fā)海洋的世紀(jì)。此外,深海采

13、礦還能帶動(dòng)冶金、機(jī)械、電子、造船等高科技的發(fā)展。因此,各工業(yè)大國(guó)對(duì)海底采礦的調(diào)查和科研都十分重視,并投入了足夠的力量。近幾年的海底熱液硫化物礦床調(diào)查所取得的重大進(jìn)展和發(fā)現(xiàn)更是令人鼓舞。在西南太平洋板塊會(huì)聚帶上發(fā)現(xiàn)了富含金和銀的海底熱液硫化物礦床。Herzig等(2000報(bào)道了在巴布亞新幾內(nèi)亞?wèn)|南之Lihir島附近水域的一個(gè)水下火山錐中硫化物礦石富含金,其40個(gè)礦石樣品中,金的平均含量為2610-6,最高達(dá)23010-6。此前,人們?cè)缫炎⒁獾皆谖髂咸窖蟮母_帶火山島弧和弧后盆地中,廣泛發(fā)育的淺成低溫?zé)嵋毫蚧锏V石富含Ag和Au。1997年,巴布亞新兒內(nèi)亞政府還批準(zhǔn)了中馬奴斯盆地和東馬奴斯盆地兩

14、個(gè)礦區(qū)(Vienna Woods和Pac Manus的開發(fā)租賃申請(qǐng),該礦床的金品位分別為3010-6和5010-6。由于Lihir金礦產(chǎn)出水深淺(僅1050m,距海島近,因此極具開發(fā)價(jià)值。專家預(yù)言,該金礦的儲(chǔ)量如能被證實(shí),它可能成為第一個(gè)被開采的海底金屬礦床。作為一個(gè)海洋大國(guó),中國(guó)非常重視海洋礦產(chǎn)資源的研究和開發(fā),近20年來(lái)已完成了10多個(gè)航次的海上調(diào)查,對(duì)太平洋多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和海底硫化物礦產(chǎn)的分布、品位、資源量進(jìn)行了初步的研究。現(xiàn)在,中國(guó)已在CC區(qū)獲得75000km2的多金屬結(jié)核開辟區(qū),并在中國(guó)大洋協(xié)會(huì)的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下對(duì)開辟區(qū)內(nèi)多金屬結(jié)核、中西太平洋富鈷結(jié)殼進(jìn)行著系統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查和采冶工藝等

15、方面的研究,同時(shí)也開始了對(duì)海底熱液硫化物礦產(chǎn)以及氣體水合物的調(diào)研。由于中國(guó)的海洋調(diào)查和科研開始得比較晚,因此尚有大量的工作要做。根據(jù)對(duì)海底礦產(chǎn)資源開發(fā)的大趨勢(shì)的分析,筆者認(rèn)為,應(yīng)暫緩對(duì)鐵錳結(jié)核的勘查,而加強(qiáng)對(duì)富鈷結(jié)殼的調(diào)研,通過(guò)進(jìn)一步的詳查和勘探,希望能在中太平洋或麥哲倫海山區(qū)尋找和圈定一處有開發(fā)遠(yuǎn)景的富鈷結(jié)殼富礦區(qū)(比如,鈷的平均品位為0.7%0.8%,結(jié)殼的平均厚度大于60 mm。今后中國(guó)海洋礦產(chǎn)資源的開發(fā)研究重點(diǎn)是否要轉(zhuǎn)向西南太平洋,這是個(gè)值得考慮的問(wèn)題。該區(qū)內(nèi),在太平洋板塊會(huì)聚帶的島弧及弧后盆地,發(fā)育有包括淺成低溫?zé)嵋航鸬V在內(nèi)的各種海底硫化物礦床30余處。由于這類礦床富含金和銀、產(chǎn)出水

16、深淺、距海島和陸地近,因此,它們的開發(fā)前景十分看好,目前已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。此外,這些礦床都是近些年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的,研究程度相對(duì)較低,又鄰近中國(guó),這些都是有利因素。目前中國(guó)科學(xué)家已在南海海域發(fā)現(xiàn)了氣體水合物的礦化標(biāo)志。相信在這一海域,經(jīng)過(guò)38 若干年的工作,中國(guó)科學(xué)家一定會(huì)在海洋礦產(chǎn)資源的研究和開發(fā)方面取得重大進(jìn)展。R eferenceallogenic map of the world ocean M .St.Petersburg :VNII Oceanologia and Inter Ocean Metall.289:551553.prospects J .Marine georecource

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