http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-07-26
实习生 徐 冰
■ 新闻缘起
国际海底管理局理事会日前核准了中国大洋协会去年提出的富钴结壳矿区申请，我国在西北太平洋国际海底区域又增加一块面积为3000平方公里具有专属勘探权和优先开采权的富钴结壳矿区。这标志着中国成为世界上首个拥有3种主要国际海底矿产资源专属勘探矿区的国家。
富钴结壳，生长在海底基岩上富含多种金属元素的壳状矿床。因钴含量是多金属结核的3倍左右，而被命名为富钴结壳。
近日，富钴结壳再次成为公众关注的焦点：22日，我国在西北太平洋国际海底区域又增加一块面积为3000平方公里具有专属勘探权和优先开采权的富钴结壳矿区；此外，“蛟龙”号也将于8月底赴此次获得专属勘探权的富钴结壳区域进行科学考察，开展近底生物调查和海底摄像。
富钴结壳究竟为何物？由何而生？开采难度大不大？富钴结壳能干啥？本期科技之谜将带您一探究竟。
富钴结壳缘由何生？
尽管人们发现富钴结壳已有百余年，但它的成因仍方兴未艾。
国家海洋局第一研究所副研究员崔迎春说：“富钴结壳是锰的氧化物和铁的氢氧化物以及其它微量矿物的复杂聚集体，富含多种经济金属元素。至于它的形成有很多种解释，比如震荡生长模式、生物模式和物理化学模式等等。”
据了解，诸多研究者认为富钴结壳的成因机制主要是胶体化学成因。此外，也有部分研究者认为富钴结壳可能与多金属结核类似，也是超微生物的建造体，但目前还缺乏直接的证据证实这一观点。
“根据海底摄像资料，我们海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室研究组认为，富钴结壳的发育形成受水岩界面点化学场控制。”崔迎春解释说，岩石与（海）水接触后，通过电离等过程，岩石表面会带一定属性的电荷，如正电荷或负电荷，这样就会在该电荷层的临近外侧有一层与该层相反的电荷层，它们形成了所谓的双电层。
崔迎春表示，由于组成富钴结壳的基本矿物在水体中均是带电的粒子，因此它们会根据自身的电荷不同而排列，形成双电层。该双电层具有两种典型特征，一是连续性差，二是各处的生长速率不一致，该两种基本属性特征均体现在富钴结壳微结构中，因此富钴结壳生长界面双电层控制了富钴结壳的发育。而生物过程等其它作用过程则加速或者延迟了富钴结壳的发育。
富钴结壳开采有多难？
据崔迎春介绍，目前，世界大洋海底海山铁锰结壳的生长年代可追溯到晚白垩纪，统计发现主要集聚在400—4000米深的大洋海底海山的表面。
富钴结壳是否只存在于海底？崔迎春说：“我个人认为目前仍然是一个巨大的问号。通过与外国地质专家的交流，由于板块的运动，可能在陆上会发现类似情况。”
据了解，开采结壳的技术难度大大高于开采多金属结核。采集金属结核比较容易，因为结核形成于松散沉积物基底之上，而结壳却或松或紧地附着在基岩上。要成功开采结壳，就必须在回收结壳时避免采集过多基岩，否则会大大降低矿石质量。
崔迎春说，富钴结壳富含多种贵金属，分布水深较浅，而且分布在世界大洋海底，争议性小，非常具有开发前景。“海洋资源的开采和开发毕竟不同于陆地，厚厚的海水层给人类开发利用带来的巨大挑战。开展富钴结壳需要水下开产机械部分、水体输送机械部分和水面收集部分等，难度不小。在开采过程中，由于对海底原始生态系统环境扰动巨大，存在重要的生态系统平衡失衡的危险。”
“此外，由于当前技术的局限，水下设备研发也面临不小的挑战，”崔迎春说，目前我国已开发出样品采集样机。相信在不久的将来，随着科技的进步，开发海洋，尤其大洋可能变得日益可行。
富钴结壳能干啥？
有资料显示，结壳一般以每1至3个月一个分子层的速率增长，是地球上最缓慢的自然过程之一。
不过，这块“金子”在发光前险些被埋没。
据了解，早在上世纪50年代，美国中太平洋考察队在开展大洋基础地质科学考察时，就发现了太平洋水下海山上存在着铁锰质的壳状氧化物，但并未引起重视。直到1981年德国“太阳号”科考船率先对中太平洋富钴结壳开展专门调查后，富钴结壳才真正受到世界各国政府的高度重视和海洋学家的密切关注。
那么，富钴结壳的哪些闪光点被发现？崔迎春说：“富钴结壳富含钴、铂等重要贵金属元素，这些元素对于人类社会发展起着重要作用，尤其是当今陆地资源日益枯竭的情况下，开发这些海底矿产将有助于弥补资源的不足，同时也会带来技术的革新，促进科技的发展。”其中钴含量可高达2%，是陆地最著名的含钴矿床中非含铜硫化物矿床含钴量的20倍；贵金属铂含量也相当于地球上地壳含铂量的80倍。
据了解，富钴结壳所含金属(主要是钴、锰和镍)用于钢材可增加硬度、强度和抗蚀性等特殊性能。在工业化国家，约四分之一至二分之一的钴消耗量用于航天工业，生产超合金。这些金属也在化工和高新技术产业中用于生产光电电池和太阳电池、超导体、高级激光系统、催化剂、燃料电池和强力磁以及切削工具等产品。
■ 延伸阅读
富钴结壳资源调查
1981年Peter Halbach率领“德国中太平洋一号”巡航船对夏威夷南部的莱恩群岛进行了第一次系统的调查，发现中太平洋800—2500米海域较大范围内赋存有巨大经济价值的钴结壳潜在资源。随后相继进行了一系列航次调查，对太平洋海域的钴结壳资源分布、地球物理化学特性及矿床成因作了系统研究。
美国地质调查所于1983—1984年对太平洋、大西洋等海域进行了一系列航次的调查研究，发现在太平洋岛国专属经济区（包括马绍尔群岛、密克罗尼西亚和基里巴斯群岛联邦）的赤道太平洋和美国专属经济区（夏威夷，约翰斯顿群岛）以及中太平洋国际海域800—2400米水深的海山处，存在许多有开采价值的富钴结壳矿床，仅夏威夷一约翰斯顿环礁专署经济区内的目标区内钴结壳的资源量就达3亿吨，按当时的估计，此资源开采出来可供美国消费数万年。
日本于1986年在米纳米托里西马群岛区域采集到了富钴结壳样品，成立了钴结壳调查委员会。国营金属矿业会社于1987年7—8月在水深为550—3700米的米钠米－威克群岛海域进行了调查，找到了一些平均厚度为3厘米的钴结壳矿层，其钴含量为陆地矿的10倍以上。1991年对西太平洋的第5号Takuyou海山进行了调查，发现在水深不到1500米的地势平坦的300平方公里范围内存在大量富钴结壳，总储量约0.96亿吨。此外，在海底沉积物下还发现埋有大量的钴结壳，因而钴结壳的资源量远远超过以前的估计。
中国自1997年正式开始对中太平洋海山区（位于中太平洋海盆北缘，夏威夷－天皇海山链以西，美国威克专属经济区与夏威夷专署经济区之间的国际海域）进行有计划地前期调查。对5座海山勘查结果分析表明，钴结壳主要分布在水深1700—3500米之间的平顶海山顶面和山坡上，水深较浅站位结壳的Co品位在0.7%—0.9%之间，水深较大站位的Co品位在0.5%—0.6%之间，平均厚度3厘米，最厚可达13厘米，而且顶面边缘厚度最大，钴品位也较高。其中3座海山钴金属量241万吨，镍当量1413.31万吨。
《科技日报》（2013-07-26 五版）
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