海底矿产资源与成矿作用作业

海底多金属硫化物资源研究现状和未来
战略规划
姓名：李梦星
专业：2013级海洋地质
学号：21130411008
摘要：随着调查和研究的深入，世界各国对国际海底区域分布的多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物和深海稀土几种深海固体矿产资源的关注程度日益增高，越来越多的国家为占有国际海底资源，加快了资源调查和评价的步伐，国际海底区域矿产资源的竞争形势愈加紧迫。

本文结合专业，对我国多金属硫化物资源的开发现状进行论述；并从深海矿产资源商业规模的经济开采受限，对深海采矿的相关技术亟须开展深入研究，制定相应目标及对策。

关键词：海底矿产资源多金属硫化物研究现状开发技术
1 引言
国际海底区域蕴藏着丰富的战略矿产资源，其中多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物和深海稀土几种深海固体矿产越来越受到国内外的广泛关注。

随着现代社会和工业对各种矿产资源需求的增大以及陆上矿产资源的逐渐枯竭,研究和开发大洋海底矿产资源的问题就变得越来越迫切了。

从上世纪50 年代开始至今，世界各国对几种深海固体矿产开展了不同规模的勘查和研究。

随着研究的深入，几种深海固体矿产潜在的经济价值越来越受到人们的重视，许多国家为占有国际海底资源，发展国家后备战略矿产资源，加快了国际海底资源勘查和评价的步伐。

国际海底区域资源竞争的形势愈加紧迫，“蓝色圈地”运动愈演愈烈。

对国际海底区域内几种深海固体矿产资源的分布和勘查现状进行综合评述，以期对国际海底矿产的当前形势有所了解和把握。

海底块状多金属硫化物是继多金属结核、富钴结壳等深海矿产资源人类认识到的又一种新的海底矿产资源，由于其赋存水深较浅、距离陆地较近，经济价值也相对较高，被认为具有较好的开采价值和优势。

近年来，国际市场铜等金属价格的一路飙升以及海洋油气资源开发技术的不断发展，刺激了国际上对多金属硫化物研究及开发活动的不断加强，开采多金属硫化物的可行性和必要性都在加大。

本文介绍了国际上对多金属硫化物的研究开发现状，特别是在西南太平洋区域对多金属硫化物的商业勘探活动和开采计划等情况，并对多金属硫化物的开采前景进行分析，希望所提供的信息能引起国内相关部门和企业对该方面情况的关注。

2 海底多金属硫化物
海底热液多金属矿床是以多金属硫化物为主，伴生有Fe、Cu和Zn的氧
化物、Fe的硅酸盐以及Mn的氧化物的海底矿床类型，它们是由热液过程及其伴生的海底火山活动所形成的。

某些情况下，可有重晶石、二氧化硅和硬石膏等矿物。

迄今所发现的热液多金属矿藏多数位于大洋中脊扩张中心（包括红海在内），少数见于弧后盆地、火山弧区和板内热点火山。

海底热液多金属矿床大多是海水通过裂隙进入海底岩石并淋滤其中的金属元素，从而变成成矿溶液，并最终回到海底沉淀其中淋滤的金属元素而形成的。

这种反应的驱动力是侵入地壳的岩浆所提供的热。

如果热液在上行的过程中遇到相当数量的冷的下行海水，其中大部分的金属物就会沉积下来，在洋壳的上部形成网状矿脉；如果上行通道中没有海水注入，则会在海底形成喷溢未经稀释的热液的烟囱，分选良好的热液沉积悬浮物发生沉淀而形成热液矿床。

并不是所有海底热液矿床都是通过简单的海水─玄武岩反应所形成的热液沉淀而成的产物。

如果热液在到达海底前要通过沉积物通道，热液和沉积物之间的反应所导致的热液的组份和只通过大洋玄武岩基底的热液组份不同。

例如，在Galapagos 断裂带的热液丘，热液和深海沉积物之间的反应形成了富铁蒙脱石，而非热液硫化物沉积，其上为与海水接触的氧化锰沉积(Moorby和Cronan 1983)。

在加利福尼亚湾的Guaymas海盆，高温的热水溶液和沉积物发生反应，导致碳酸钙和硅质生物的溶解，并沉积形成各种新的热液矿物相。

海底热液多金属矿体的形成与喷溢热液流体的烟囱有着密切的成因联系。

大多烟囱的生长可以非常迅速。

深潜观测发现烟囱的生长速率在烟囱生长初期阶段可达30cm/天(Goldfarb等1983)，老烟囱达8cm/天(Hekinian等1983)。

烟囱可高达20m以上，随后塌落形成由烟囱碎石组成的热液沉积丘，相邻烟囱的交互生长同样可以形成热液丘。

因此，丘状地貌是海底热液多金属矿体的突出特征。

据Rona (1984)的估计，一个典型的热液沉积丘状矿体含有约1000t左右的金属物质。

2.1 海底热液矿床的分布
自从发现第一个黑烟囱以来，大洋中已发现200多个热液活动区。

在这些沉积中，大约有15个热液沉积矿床，若位于陆地上，已达到矿藏的规模，它们的大小和品位都与那些陆上现已开采的古硫化物矿床相似。

已知的146个硫化物矿床位于四种不同的构造环境中(图1)。

1978年首次(Cyamex等1979；Francheteau 等1979；Spiess等1980)在东太平洋海隆21°N和Galapagos海脊(Corliss等1979)
发现海底硫化物成矿作用，这些发现证实了热液活动是与新洋壳产生密切相关的重要过程。

大量的航次调查已确认热液过程导致了大型硫化物矿床的形成（Rona 1988；Rona和scott 1993；Scott 1987）。

过去20多年中的探索已经在大洋中发现了多种热液活动和沉积矿床，其多样性首先要归因于多种多样的地球动力环境和源岩性质。

现在已在快速扩张洋脊、超快速扩张洋脊、慢速扩张洋脊、有沉积物盖层的洋脊、年轻和成熟的弧后盆地、岛弧以及破裂带发现热液沉积矿床。

图1 热液硫化物矿床在大洋中的位置，同时给出地球动力环境与源岩类型,带下划线的地名对应大型沉积矿床2.2大型海底热液矿床的地质背景
在陆上，火山成因的大型块状硫化物矿床的平均大小为1.3×106 t，而且对于每一个“大型矿床”都可能包含100个或者更多的小型沉积矿床。

有的现代海底热液沉积矿床的规模和品位与这些古矿床相当。

现代海底热液活动区，特别是大型热液成因多金属硫化物矿床区的形成受到多种复杂地质因素的控制。

尽管大部分现代海底热液活动区(42％)位于快速扩张的洋中脊上，但在这些热液活动区中大多都不对应形成大型硫化物矿床。

表1中列出了一些大型热液矿床，它们主要位于三种火山环境：慢速扩张脊、快速扩张脊和弧后盆地。

表1大洋中大型硫化矿床的主要特征
位置地质背景地质控制因素水深(m)扩张率源岩类型/大小
cm/yr
Lucky Strike 慢速扩张脊
地形高地＋南北向断层
＋破火山口1650 2.2
富集型
洋中脊玄武岩
1km×1km
TAG 慢速扩张脊
裂谷壁＋交错断层＋火山中
心
3650 2.6 洋中脊玄武岩250×45m高＋2个丘体Snkae Pit 慢速扩张脊地形高点＋火山中心＋地堑3465 2.6 洋中脊玄武岩3个丘体250m×55m 14°45'N 慢速扩张脊
裂谷壁＋轴部高地＋转换断
层
3000 2.6 方辉橄榄岩300m×125m×80m 13°N离轴区快速扩张脊
海山＋塌陷火山口＋熔岩盖
层
2650 12 洋中脊玄武岩200m×70m高，800×200m Exporer洋脊中速扩张脊新火山洋脊＋交错断层1800 6 富集型洋中脊玄武岩 200×25m高＋其它丘体Galapagos 中速扩张脊
断层＋双裂谷＋中央裂谷断
层
2850 6 洋中脊玄武岩3个丘体1000×150×35m VaiLili 不成熟弧后盆地地形高地，火山脊1710 6
玄武岩-安山岩-流纹
岩
400×100m
Pere Lachaise 成熟弧后盆地三联点＋火山高地1950 7 洋中脊玄武岩1km×1km Pacmauns 不成熟弧后盆地地形高点＋拉张脊1675 ?
玄武岩-英安岩-流纹
岩
3km间隔的丘体Jade 不成熟弧后盆地拉张区1610 7.3
玄武岩-流纹岩-沉积
物
丘体和烟囱体
Middle Valley
有沉积盖层的洋
脊受断层＋岩基＋沉积盖层控
制
2500 6 玄武岩-沉积物75×35×95m高
NESCA
有沉积盖层的洋
脊
火山活动中心＋沉积盖层3300 2.2 沉积物-玄武岩几个丘体(100m长) Atlantis 2 不成熟大洋轴部盆地＋卤水盖层2000 2 沉积物100Mt
3海底多金属硫化物的研究现状
1948年瑞典科学家利用“信天翁号”考察船在红海中部AtlantisⅡ深渊附近（２１°２０′Ｎ，３８°０９′Ｅ，水深1937ｍ）发现高温高盐溶液。

1963-1965年国际印度洋调查期间，在红海轴部及中央盆地中识别高温高盐溶液，发现热液多金属软泥，揭开了海底热液活动研究的序幕。

从20世纪80年代起，世界上几个主要工业国家就制定了勘探和开发海底多金属硫化物的国家计划。

苏联早在20世纪60年代中期，就在太平洋获得了多金属硫化物样品，并对大洋热液过程的成因进行研究。

２０世纪60-10年代，苏联在太平洋洋中脊和印度洋进行了一系列的调查，研究低温金属沉积物和热液矿床的成因。

除俄罗斯外，大力进行海底多金属硫化物调查勘探和研究工作的还有美国、法国、德国、英国、日本、加拿大和澳大利亚。

目前，葡萄牙和意大利也制订了勘探深海多金属硫化物的计划。

我国海底多金属硫化物研究起步较晚，1988年7-8月中德科学家合So-57航
次对马里亚纳海槽区热液多金属硫化物的分布情况和形成机理进行调查和研究，获得非活动性的热液多金属硫化物和硅质“烟囱”。

这是我国科学家首次参加的热液活动调查。

1988年９月至1989年1月期间，中国科学院海洋研究所组队参加了苏联科学院组织，为期5个月的太平洋综合调查，沿太平洋海岭采到热液沉积物样品。

1992年6月受国家自然科学基金委员会（NS-FC）资助，中国科学院海洋研究所赵一阳教授组织对冲绳海槽中部热液活动调查，这是我国首次独立组队进行热液活动的调查，取得了一些重要成果。

2005年，我国执行首次环球大洋科学考察任务，在大西洋进行海底热液多金属硫化物前期调查，获得了超过200kg热液多金属硫化物和海底沉积物样品。

2007年，中国“大洋一号”深海考察船在水深2800ｍ西南印度洋中脊，发现了新的海底热液活动区（“黑烟囱”）。

2008年5月22日至2009年3月17日，“大洋一号”船两度横跨太平洋和印度洋，共发现了11个海底热液区和4个热液异常区。

2009年7月18日至2010年5月28日中国第二次环球大洋科学考察远涉太平洋、大西洋和印度洋三大洋，在大西洋发现了新的热液活动区。

中国大洋航次国大洋22航次（2010年12月８日至2011年12月18日）第二航段在南大西洋洋中脊新发现3个热液区和4个热液异常区。

由于多金属硫化物所具备的潜在资源价值，尽管在其开采所面对的环境影响及限制、技术可行性及经济性、相关法律政策等方面还存在诸多的未确定因素，一些国际大型资源开发商和投资商已介入多金属硫化物的商业化开发活动。

国际上早在上个世纪末已经开始，而我国也于2010年向联合国国际海底管理局提交了位于西南印度洋的硫化物矿区申请，这是国际上首例对多金属硫化物矿区的申请。

我国在世界上按照相关规章第一个提出矿区申请，是建立在长期对海底热液硫化物科考调查的基础上，2011年11月18日，中国大洋矿产资源研究开发协会与国际海底管理局签署《国际海底多金属硫化物矿区勘探合同》。

随着陆地金属矿产资源的日渐枯竭和人类对金属需求的不断增长，对多金属硫化物以及多金属结核、富钴结壳等深海矿产资源的商业开采将是必然的选择。

但多金属硫化物商业开采的时机是否已经到来却取决于多金属硫化物的自身品质、国际市场金属需求和价格变化、开采技术能力与成本等必要性和可行性的多方面因素。

随着陆地金属矿产资源的日渐枯竭和人类对金属需求的不断增长，对多金属硫化物以及多金属结核、富钴结壳等深海矿产资源的商业开采将是必然的选择。

但多金属硫化物商业开采的时机是否已经到来却取决于多金属硫化物的自身品质、国际市场金属需求和价格变化、开采技术能力与成本等必要性和可行性的多方面因素。

4 多金属硫化物的开采可行性分析
4.1 技术可行性分析
根据发现的矿点水深情况，相对其他海底多金属结核及富钴结壳等资源而言，海底多金属硫化物一般分布在相对较浅的水域，从几十米至3500ｍ不等，多出现在2500ｍ左右，开采系统技术问题相对比较容易解决。

海底多金属硫化物特殊的地质背景及结构形态，从另一个角度为开采系统设计提供了极大的便利，即对于一般呈丘状的硫化物矿体，采集器无需像采集多金属结核那样在较大的区域来回采集，更无需复杂的路径规划，而更趋向于集中在小块海底区域内的定点作业。

因此，采矿系统对采集器行驶性能及控制系统的要求将大为简化，系统的可靠性将得到提高。

同时，现有的深海采矿方法、陆地金属冶炼工艺、较为成熟深海机电产品技术及ROV装备、海洋石油开采技术及工程经验等为海底多金属硫化物的开采提供了借鉴的可能，经过适当的整合与集成，这些方法及技术完全可以保证硫化物开采的需要。

4.2 经济可行性分析
海底多金属硫化物普遍具有较高的金、银、铜、锌含量，无论是与海底多金属结核资源还是与陆地硫化物矿相比，都具有明显的开采价值，美国国家地质调查局1983年针对Juan deFuca的三组硫化物矿样品的分析结果显示，根据当时的金属市场价格，每吨硫化物矿剔除含有的稀有金属镉的价值（约106美元/t）后，仅铜、锌、金、银等的综合价值为348.23美元，而Cyprus的硫化矿每吨的综合价值为38.28美元，海底多金属结核每吨的综合价值为191.97美元。

鹦鹉螺矿业按开发期４年对SolwaraⅠ矿区块状硫化物开发利用的技术经济性进行了初步的估算，得到支出与收入的大致情况如表１所示。

表2 鹦鹉螺矿产公司关于Solwara矿区块状硫化物开发计划的收支情况
尽管国外大型矿业机构（鹦鹉螺矿业、海王星矿业等）已经开展了对硫化物的大规模商业勘探，但相对他们所申请矿区而言调查的程度还远远不够，而且对所获得的有限的样品尚未进行充分的资源品质评价，因此现在对SMS 进行整体评价还为时尚早。

但到目前为止从海底表面取样和岩芯钻探取样所获样品的初步分析来看，可能因硫化物具有较高品位的铜和金而有较大的开采价值。

表3是Scott 教授对Solwara1 矿区15 t 样品的金属品位与陆地上两个典型硫化矿所作的矿藏价值比较。

由表2可见，总体上尽管多金属硫化物矿含量小于陆地的两个矿区，但较高的铜和金的品位使其具有更高的价值。

需要说明的是，根据对鹦鹉螺矿业有关文件的分析，该15t样品很可能是海底原位切削采样试验所获得的样品，而有关这次试验的更详细的描述也提到，试验的初始阶段收集了相当数量的非硫化矿沉积物，使得矿化材料的回收等级降低。

表3 热液多金属硫化物与陆地典型硫化物矿金属品位与价格对比
5海底资源开发战略
关于深海采矿立法方面，美国率先于1980年第一个通过了《深海海底固体矿物资源法》，联邦德国1980年制定了《深海海底采矿临时管理法》，英国1981
年制定了《深海采矿法》，法国于1981年制定了《深海海底矿物资源勘探和开发法》，苏联1982年颁布了《关于调整苏联企业勘探和开发大陆架以外海底区域矿物资源活动的临时措施》，美国、英国、法国和联邦德国1982年9月还联合签订了《关于深海海底多金属结核的临时措施的协议》等。

根据《联合国海洋法公约》的规定，国际海底区域属国际海底管理局管理，因此深海矿产资源开采的法律问题应遵循国际海底管理局相关勘探开采章程。

2010年4月26日至5月7日国际海底管理局在牙买加金斯敦召开第16届会议，于5月7日通过了《“区域”内多金属硫化物探矿和勘探规章》。

此规章是管理局继《“区域”内多金属结核探矿和勘探规章》后制定的第二个深海“采矿法典”，对规范和促进国际海底区域资源的勘探及开采具有重要意义。

制定深海矿产资源勘探规章，是执行《联合国海洋法公约》的具体步骤之一，也是加强国际海底资源管理的一项主要措施，同时将使国际海底新资源的开发活动纳入管理局的管辖范围，可以阻止一些海洋技术强国垄断海底资源。

全面介入国际海底区域活动，维护“区域”这一全人类共同继承财产，积极开展多金属硫化物等新资源的勘探开发研究和关于新资源的国际立法研究，争取国际游戏规则制定中的话语权，也是维护中国在“区域”的长远利益，扩宽中国经济建设战略资源储备的必要选择。

从长远考虑，制定这样的规章对中国在国际海底区域开发新资源是有利的。

我国在海洋矿产的勘探开发及相关影响因素的立法管理，从20世纪70年代至今，做了大量的工作，先后颁布了多个法规。

如《对外合作开采海洋石油资源条例》（1982）、《矿产资源法》（1986）、《矿产资源勘探登记管理暂行办法》（1987）、《矿产资源监督管理暂行办法》（1987）和《海洋石油勘探开发环境保护管理条例》（1983）等。

但这些法律法规都是关于我国领土内的矿产资源的勘探开发，不适用于我国在大洋深海“区域”的勘探开发活动。

基于大洋多金属矿产资源勘探开发管理立法工作的现状，应加快我国在这方面的工作进度。

多元化经略国际海底的战略思想：①发展深海科学，为我国利用深海和国际海底提供科学基础；
②发展深海技术，探查技术、运载技术、勘探开发技术、环境技术，形成深海技术体系，基本完成深海多种矿物资源开采技术的研发。

同时通过研究成果的产业化转化获取经济效益；③寻找新的可开发资源和建立深海产业，深海技术装备产
业、深海采矿业、深海生物产业；④探索深海其他利用的可能性，包括国防安全的利用问题；⑤加强对全球海底金属市场的调查研究。

为实现“区域”资源的商业开采，应加强对全球金属市场的跟踪研究，合理制定我国相关产业政策。

积极参与国际海底科学研究、国际海底资源的勘探开发、国际海底管理事务，分享国际海底资源利用之利，在国际海底事务中发挥应有的作用。

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