多金属结核(锰结核)的分布及开发

多金属核主要组成元素是铁、锰等金属元素。这些金属元素源自陆地、大陆或岛屿岩石的风化,火山、岩浆的喷发,生物、浮游生物体的尸体分解以及宇宙尘埃的陨落等。通过在海水中的积累和沉淀,形成了海底的多金属核。勘探表明,目前多金属核主要分布在太平洋、大西洋和印度洋的水深2000~6000米的深海底部,而在4500~6000米全球大洋多金属结核分布深度内,随海水深度增加多金属核的锰含量有所增加,铁和钴含量略有减少。大洋调查表明,深海黏土中锰结核丰度值最高,硅质粘深海大洋底多金属结核土岩次之,钙质沉积物中较少,钙质软泥中普遍不含锰结核,火山质粉砂半深海和浊流沉积区则几乎没有分布。

在20世纪60年代中期矿业界开始对锰结核产生兴趣。1868年,在俄国北冰洋喀拉海海区人类第一次发现了海底多金属结核。1873年至1876年英国环球探险队从海底采集到了含有锰和铁的黑色小球体,即锰结核。美国探险队于20多年后在东太平洋洋底也采到了这种结核。

海底多金属的勘察、开采和冶炼技术的进步程度决定着对它的开发利用程度,经过几十年的研究,这些技术取得了显著进展。日本的深海矿产资源开发技术居世界领先地位,这一技术依靠已经研制出的具有高效率和高可靠性的流体掘式采矿试验系统,对锰结核基础性冶炼技术研究、有经济价值和有效率的冶炼技术开发相继进行,并且这一成熟技术已被封存。日本的潜水技术是世界首屈一指的,1981年建成的第一艘多功能大型载人潜水器“深水2000”号,能够下潜到2000米的深度。1989年又建造了能够下潜深度达6500米的“深水6500”号载人潜水器,值得一提的是该潜水器装有声成像声响系统,即“观测声呐”,并且可获得三维立体图像,对海洋资源勘探有很大帮助。为了观测全球海洋,能够在11000米工作水深的深海无人潜水器和智能机器人在1993被日本成功研制出,这些机器可在海底进行各种海洋资源的勘探作业。

1987年印度成功建立了开发试验性采矿体系的核心并且建立了2~3个先进的结核金属提炼试验厂,在金属冶炼方面积累了很多经验,成为首批在海底多金属结核勘察先驱投资者。海底测绘与资源估算技术、动力定位系统、遥控潜水器及水下通信设备等对多金属结核勘探和开发技术的研究是印度国家海洋技术研究所的使命之一。

对深海锰结核和钴壳的生成模式的研究是也英国海洋的研究重点,而且英国矿业公司对研究深海锰结核、钴壳、硫化物或金属沉积采矿有着浓厚的兴趣。英国不仅在科学上介入这些资源的开发,而且在政治上也相当重视,这样不仅能确保英国公司拥有最终开发这些资源的权利,而且能使英国深海采矿技术发展保持与世界同步。泵吸采矿式、连续链库或无人遥控潜水式组成了日产量可达1万吨的英国深海采矿试验性开采系统。而且对于红海多金属软泥的开发,英国也进行了大量的调查研究。

液压提升、气液提升、链斗提升、深潜器开采等多种方法已经应用到开采锰结核上,并且这些技术日益成熟。目前,对锰结核开采作业深度已达6000米,矿物在输送管道中上浮的速度已达3~5米/秒。特别值得一提的是,法国研制的水下机器人不受波浪、气候的影响,它能够自动下潜到6000米海底采集锰结核,从而将收集到的矿石装入输送软管,依靠液压的力量提升到海底。

利用采矿船来开采锰团块是现在开采的主要方式。锰团块被装有深海电视的采矿机在海底收集到,然后经软管连续地吸到水面上的采矿船中,就像吸尘器一样,依靠这种方式每天采矿量可达3000吨。因此,要想解决陆上矿产资源难题,就得做好锰结核的勘探与开采工作。

我国从20世纪70年代中期开始进行大洋锰结核调查。1978年,“向阳红05”号海洋调查船在太平洋4000米水深海底首次捞获锰结核。此后,从事大洋锰结核勘探的中国海洋调查船还有“向阳红16”号、“向阳红09”号、“海洋04”号、“大洋1”号等。经多年调查勘探,在夏威夷西南,北纬7˚~13˚,西经138˚~157˚的太平洋中部海区,探明了一块可采储量为20亿吨的富矿区。2011年7月28日、30日,我国5000米“蛟龙”号载人潜水器顺利完成5000米级海上试验第三、第四次下水任务,“蛟龙”号成功下潜5000米深度后,给我们带回来了5000米海底锰结核的画面,这也是5000米海底锰结核画面的首度曝光,“蛟龙”号同时还带回5000米海底锰结核样本,这是我国开发海底锰结核矿源所迈出的重要一步。

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