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深海珍宝--锰结核

        锰结核这个名称的来历,是和它的构造紧紧联系在一起的。这种矿产含锰、铁较多,加之每块矿石往往都有一个由生物骨骼或岩石碎片构成的核,所以被称作锰结核或铁锰结核。它最早是在 100 多年前,即 1873 年 2 月由深海考察船“挑战者”号在进行海洋环球考察过程中发现的。
        1872 年,英国海洋调查船“挑战者”号,在海洋学家汤姆森教授的率领下从英国希尔内斯港出发,驶向浩瀚的大西洋。1873 年 2 月 18 日,“挑战者”号航行到加纳利群岛的费罗岛西南大约 300 公里的海域作业,他们用拖网采集洋底沉积物样品时,偶然发现了一种类似鹅卵石的东西,他们当时还没想到,沉睡在海底亿万年的深海珍宝让他们发现了。1873 年 3 月 7 日,他们再次从拖网中发现了这种奇怪的鹅卵石。之所以奇怪,是因为鹅卵石大都分布在海滨和浅滩,四五千米深的大洋底哪来的鹅卵石呢?这一次,引起了汤姆森教授的极大兴趣,他当即作了记录。后来,他们又在大西洋、印度洋和太平洋采得了这种鹅卵石,这些样品被大英博物馆当作海底珍品收藏了起来。1882 年,约?雷默爵士和地质学家雷纳教授才系统地对这些样品进行了研究,9 年以后,他们俩发表了详细的研究报告,把这种鹅卵石正式命名为“锰结核”。
        为了更多地得到海洋矿产资源,从 70 年代起,许多国家把深海底锰结核的开发研究,列为海洋科学研究的重要课题,并首要进行矿区的锰结核分布、储藏量、金属含量和开采环境条件方面的调查。通过调查证实,锰结核的储藏量极为巨大,分布面积甚广。根据分析,结核中除了铁和锰外,还含有铜、镍、钴等 30 多种金属元素、稀土元素和放射性元素,其中锰、镍、钴在目前技术条件下都具有工业意义。从结核中回收金属的试验也取得了成功。美国已设计出特制的冶金炉,用电解法提取铜、钴、镍、锰,纯度达到 90%以上。1978 年 3 月,由日本、加拿大等国参加的国际企业集团,用气吸法采矿系统,在太平洋夏威夷东南水深 5000 米的深海底,采出了 300 多吨锰结核,从而转入了即将开发阶段。据统计。目前在大洋底发现具有经济远景的锰结核矿区有 500 多处。
        1979 年,我国海洋科学工作者在太平洋赤道海域考察中,从 4000~5000 米水深的深海底取得了锰结核矿样,其中最大的一枚锰结核直径为 5 厘米,标志着我国研究、利用和开发海底矿产资源进入了新的阶段。
        锰结核的形状是多种多样的。有的呈块状;有的呈薄薄一层附在海底岩石上;而大多数都呈结核状,有的浑圆,有的有棱有角,有的许多结核聚集在一起,成为葡萄状或其他更为复杂的形状,这就是通常所说的锰结核。结核的颜色从黑色到黄褐色,一般以土里色为常见。多数结核的表面模糊不清, 但也有的透明度很好,如美国东海岸外采到的结核,就有似玻璃的光泽。
         锰结核的个体有大有小,相差十分悬殊。小的如同沙粒一样,直径还不到 1 毫米,甚至更小,要放在显微镜下才能观察;大的直径可达几十厘米;最常见的是在 0.5 厘米到 25 厘米之间,有的巨型结核,直径在 1 米以上,重达几十至几百公斤。1967 年,深海研究潜艇“阿鲁明诺号”采到了一颗 90公斤重的锰结核,苏联调查船“勇士号”在第 43 次航行在夏威夷岛西部水下山脉的斜坡处,于 3800 米深的海底中发现了一颗至今世界上最大的锰结核块,重达 2000 公斤。
         结核的硬度不大,一般只有摩氏硬度级的 1~4 度,平均在 3 度。
         锰结核的内部中心有一核,该核可能是一粒海底火山碎屑,或碳酸盐质或磷酸盐质岩屑,也可能是鲨类齿、鲸类耳骨、有孔贝壳或宇宙尘等。核外是清晰的环带状构造。
         锰结核的化学成分包括锰、铁、镍、钴、铜等 28 种,它们高出地壳中平均值的 27~46 倍,高出海水中含量的 100 万倍。同一地点的锰结核,其总体成分彼此都很一致。单个结构说来,最外层接触海水的一面,其中铁、钴和铅含量相对少。就锰来说,被海底沉积物埋没的半核中含量最高,泥?水界面趋向减少,到接触海水的半核含量最低。铁的分布则与锰相反。这种外层分布的特征,内层并不存在。内层的成分趋向均一。
         锰结核勘探和开采的一个突出的优点是,在海洋底部沉积的表层上,矿物清晰可见,所以可用装有照相机和录像机的水下电视作为了解矿藏分布和厚度的有效手段。前苏联的技术人员已经制造出了一种远距离的可操纵系统,用它来调查和精确估计已了解的矿藏,经实验已取得了显著效果,这个系统是由一部电视机、一个自动装置和两台水动的电子计算机组成,工作起来很方便。这是一种直接勘探手段。
         直接手段虽能获得样品,可准确地测定锰结核的富集度、品位等,但使用这种方法需要大量的时间,工作效率低,因而人们正研究一种勘探途径,即间接勘探。
         锰结核的开采正逐步走向成熟。目前一般认为有 3 种方法比较经济、实用。
         一种是空气提升采矿系统,由高压气泵、采矿管、集矿装置等部分构成。高压气泵安装在船上,采矿时,首先在船上开动高压气泵,气泵产生的高压空气通过输气管道向下从采矿管的深、中、浅三个部分输入,在采矿中产生高速上升的固、气、液三相混全流,将经过集矿装置的筛滤系统选择过的锰结核提升到采矿船内,其提升效率为 30%~50%,这种采矿系统已于 1970年试验成功,它能在 5000 米水深处达到日产 300 吨锰结核的采矿能力。
         一种是水力提升式采矿系统。主要由采矿管、浮筒、高压水泵和集矿装置 4 部分组成。采矿管悬挂在采矿船和浮筒下,起输送锰结核的作用;浮筒安装在采矿管道上部 15%的地方,中间充以高压空气,以支撑水泵的重量;
高压水泵装置在浮筒内,它的功率为 8000 马力,通过高压使采矿管道内产生每秒 5 米的高速上升水流,使锰结核和水一起由海底提升到采矿船内。集矿装置起挑选、采集锰结核的作用。1975 年采矿试验已获成功,现能达到日产500 吨的采矿能力。
        一种是连续链斗采矿系统,是在高强度的聚丙二醇脂材料编成的绳上,每隔 25~50 米安装一个采矿戽斗。采矿时,船上的牵引机带动绳索,使戽斗不断在海底拖过挖取锰结核,并将其提升到采矿船上,卸入船内储仓。这种采矿法是由日本人发明的,1970 年 8~9 月在希塔提岛以北 400 公里、水深4000 米处进行了试验,并获得了成功。这种装置结构简单、适应性强、采矿成本低。
        各国时锰结核的勘探和开发日益活跃。美国在深海锰结核勘探、试采和加工处理等技术方面,处于领先地位。美国开发的重点是夏威夷群岛至美国本土之间的海域,其中有的海区的普查工作已经完成,现已进行到详查和开发阶段。日本是从 60 年代开始了锰结核的调查工作,真正大规模的调查是在70 年代以后。前苏联对锰结核的调查则是从 50 年代开始的,前苏联科学家并在 1964 年编制了《太平洋底锰结核分布图》,70 年代以后,对太平洋锰富矿区进行了勘探。法国人在 1974 年成立了法国锰结核研究公司,主要进行矿区勘探:法国并与日本合作,在法属社会群岛的塔布堤岛以北进行了多次调查和开采方法的试验。
        中国对大洋锰结核的调查工作开展较晚,正式调查是在 1983 年 5~7 月进行的。1983 年以后,中国又多次派遣“向阳红 16”号和“海洋 4”号船进行了锰结核的调查,1985 年和 1986 年航次的调查区域从中太平洋扩大到东太平洋,采用了国际上先进的声波探测技术和海底照相,调查研究的程度有了更大的提高,并圈出了数万平方公里的富矿区。现在,中国已正式向国际申请,在太平洋中北部圈定了两块先行投资区,并在国内成立了相应组织。
        不过,尽管各国对大洋锰结核的可采储量和极大的开采价值注目已久了,但由于锰结核的开发是一项高投资多风险的新兴产业,受技术因素和经济因素的限制,其开发进程不可能像海洋石油和天然气那样快。从目前的情况看,最先进行商业性开发锰结核的,可能是美国和日本,其中以美国为主的海洋产业协会准备在 1995 年以后投资 15 亿美元,每年生产 100~200 万吨干锰结核,同时,在加利福尼亚建一座日处理 5000 吨锰结核的加工提炼厂。日本国土资源贫乏,对大洋锰结核抱有极大的希望,已制订出 1994 年前的开发计划,现正在作各项准备工作,以期在 1994 年进行大洋锰结核的商业开发,据估计,在 1990~1995 年期间,全世界商业开发大洋锰结核每年可为100~400 万吨,1995 年以后可达 1000 万吨,到 2000 年,将会有大的飞跃,到 2025 年后,大洋锰结核将有可能成为世界稳定的矿物来源。


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