太平洋冰山鈷結(jié)殼資源量估算

太平洋冰山鈷結(jié)殼資源量估算

0太平洋的類國對我國的地質(zhì)調(diào)查和研究銀根是一個重要的導(dǎo)電材料，包括mn、cu、co、ni、pt和其他金屬（海倫andmorgan，1999；徐歷志，1999）。鈷殼也是儲存大量海洋環(huán)境信息的重要載體。由于海軍資源和環(huán)境信息的積累，所有國家都在推動對其的研究和研究。自20世紀(jì)80年代以來，德國、俄羅斯、美國、法國、澳大利亞、韓國、日本、中國和其他國家在大西洋和太平洋進(jìn)行了一次地殼資源調(diào)查。1981年，德國太陽首次對太平洋恩施群進(jìn)行了一次地殼資源調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了太平洋大陸的經(jīng)濟(jì)潛力。1982年前，蘇聯(lián)在大西洋和太平洋進(jìn)行了一次地殼資源調(diào)查（yubkoetal.，2004）。1983年至1984年，美國先后對中國太平洋、馬紹爾群島和經(jīng)濟(jì)壟斷區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的鈷地殼資源調(diào)查（manheim，1986；heietal.，1988）。海洋地殼資源調(diào)查的目的之一是估計(jì)海洋地殼的資源量。然而，到目前為止，國內(nèi)外還沒有估計(jì)太平洋海域地殼的資源量。據(jù)研究，首先，太平洋幅員遼闊，水深大，塞伯格分布廣泛。大海的有效分布很難驗(yàn)證鈷殼資源分布的真實(shí)情況。其次，如何在不同高度和年齡的海洋中賦予不同長度的海洋數(shù)據(jù)缺乏有效的解決方案。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合對海洋成因、最低含氧層和co通量的深刻理解，本文使用國際互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)表的高精度衛(wèi)星探測高度不同的規(guī)模來探索太平洋海域的資源量。同時，結(jié)合海洋地殼的理論厚度和拖網(wǎng)獲得的co雁的厚度，得出結(jié)論，co雁的地殼沉積物約占co總數(shù)的6%，接近“鈷結(jié)殼的總生命史4%”的認(rèn)識（kuetal.，1982）。根據(jù)海洋高度和洋地殼的年齡，估計(jì)海洋地殼的資源量。1太平洋的形成大洋底海山是鈷結(jié)殼資源生長的載體,也是熱點(diǎn)研究的主要對象(Morgan,1981;Wessel,1997).研究洋底海山分布始于20世紀(jì)60年代,Menard(1964)估計(jì)太平洋有30000多座海山;CraigandSandwell(1988)、SmithandJordan(1988)和SmithandSandwell(1997)認(rèn)為高度大于1000m的太平洋海山有50000座,目前只對小于15%的海山進(jìn)行過詳細(xì)的海底地形勘測、繪圖和地質(zhì)采樣,海山的覆蓋面積約占太平洋洋底面積的6%(Flood,2001).WesselandKroenke(1997)及Wessel(2001)利用高精度的衛(wèi)星測高及相關(guān)技術(shù)得到了全球14675座海山的精確位置及描述海山的一些物理參數(shù),其中太平洋海山8000多座,占全球海山總數(shù)的60%(圖1),這些大規(guī)模海山可以追蹤出其所處的海山鏈,還有一些海山呈簇狀或零星狀分布.太平洋海山通常被認(rèn)為是熱點(diǎn)成因.Morgan(1972)、Heezenetal.(1973)、WintererandMetzler(1984)、ClouardandBonneville(2001)、Koppersetal.(2001)和KoppersandStaudigel(2005)等對海山研究后認(rèn)為海山鏈上海山年齡的線性變化是地幔柱活動痕跡的反映.但也有資料表明海山年齡分布是無序的,海山鏈上的海山年齡不遵循線性遞減的規(guī)律(Smoot,1999),這表明海山的形成還受到熱點(diǎn)以外因素的影響.從整個太平洋來看,高度大于1000m的大規(guī)模海山基本上可以追逐出海山鏈,表明熱點(diǎn)活動對海山形成起著突出作用.本文基本采用Wessel(1997,2001)提供的海山數(shù)據(jù)并傾向于海山熱點(diǎn)成因.2太平洋的結(jié)殼與成礦作用鈷結(jié)殼資源量計(jì)算和資源評價中涉及到的重要參數(shù)包括結(jié)殼厚度、豐度、金屬含量以及最低含氧層深度.鈷結(jié)殼厚度是指生長在基巖上的結(jié)殼厚度,通常用cm表示.鈷結(jié)殼豐度是指海山表面單位面積內(nèi)濕結(jié)殼重量,用kg/m2表示.鈷結(jié)殼豐度計(jì)算公式F=10×ρ×D,式中F為結(jié)殼豐度(kg/m2),ρ為結(jié)殼濕密度(g/cm3),D為結(jié)殼厚度(cm).Mn、Cu、Co、Ni是結(jié)殼中最有經(jīng)濟(jì)價值的金屬元素.近十幾年我國對西太平洋(150°E～165°W,5°N～25°N)海山鈷結(jié)殼資源調(diào)查結(jié)果表明(張海生等,2001;何高文等,2005;Zhangetal.,2007;Zhangetal.,2008),拖網(wǎng)采樣結(jié)殼厚度為0～22cm,平均為3.08cm;豐度為0～431.2kg/m2,平均為65.39kg/m2;Mn含量為9.71%～33.32%,平均為21.92%;Cu含量為0.01%～0.31%,平均為0.13%;Co含量為0.14%～1.49%,平均為0.60%;Ni含量為0.18%～1.05%,平均為0.44%.含水率為14.40%～47.13%,平均28.13%.西太平洋海山鈷結(jié)殼主要分布在水深<2800m,中太平洋海山鈷結(jié)殼主要分布在水深<2500m(Zhangetal.,2008),東太平洋(夏威夷海山鏈)海山鈷結(jié)殼主要分布在水深800～2400m(Craigetal.,1982).由東向西,結(jié)殼分布水深總趨勢是隨海底水深的變深而變深.調(diào)查表明西太平洋最低含氧層(oxygenminimumzone)深度為500～1100m(圖2),太平洋其他海區(qū)的最低含氧層深度大致也是如此(HalbachandPuteanus,1984;KoschinskyandHalbac-h,1995;Koschinskyetal.,1997).太平洋鈷結(jié)殼主要為水成成因(Zhangetal.,2008),鈷結(jié)殼成礦作用主要發(fā)生在最低含氧層深度附近(MartinandKnauer,1985),鈷結(jié)殼生長與水深、最低含氧層和洋殼(海山)年齡密切相關(guān),鈷結(jié)殼主要分布在具有一定高度、年齡較老以及最低含氧層發(fā)育的海山上.Co是鈷結(jié)殼中最有經(jīng)濟(jì)價值的金屬元素,西太平洋和整個太平洋的結(jié)殼Co含量與水深相關(guān)分析表明(圖3):(1)結(jié)殼Co含量與水深密切相關(guān)(研究區(qū)相關(guān)系數(shù)r=0.68,太平洋r=0.65);(2)2500m為水深分界點(diǎn),<2500m的Co含量高而穩(wěn)定(研究區(qū)為0.61%,太平洋為0.81%);(3)2500～3000m過渡區(qū)Co含量降到0.59%(研究區(qū))和0.67%(太平洋)(但西北部海山2500～2800m仍是Co含量高值區(qū));(4)3000～4000m的Co含量出現(xiàn)大幅波動(0.01%～1.10%,平均為0.51%),其原因可能是淺水區(qū)(<2500m)結(jié)殼滾落到本段;(5)4000～5000m,地形平緩,Co含量受淺水區(qū)結(jié)殼影響小,Co含量為0.10%～0.53%,平均為0.35%.筆者在太平洋近赤道帶(144°～145°W、8°～9°N)至少觀測到5個站多金屬結(jié)核Co含量達(dá)0.30%～0.35%(張富元,2001),這說明水深4000～5000m的沉積環(huán)境已不利于鈷結(jié)殼而有利于多金屬結(jié)核生長發(fā)育,海山淺水區(qū)的高度氧化條件導(dǎo)致結(jié)殼Co含量是多金屬結(jié)核的4～5倍(Craigetal.,1982).3結(jié)構(gòu)生長規(guī)律洋殼(海山)巖石的冷卻收縮作用導(dǎo)致洋殼(海山)發(fā)生沉降,Sclateretal.(1971)建立海底水深d(m)與洋殼年齡t(Ma)的關(guān)系式(朱而勤,1991)為d=2500+350t0.5.據(jù)此關(guān)系式,洋殼或海山沉降(Δd)500m,需要時間(Δt)2.04Ma;沉降2000m,需要時間32.65Ma;沉降3000m,需要時間73.46Ma;沉降3500m,需要時間110Ma.同時,筆者采用的結(jié)殼平均生長速率為1.1mm/Ma(Segletal.,1989;McMurtryetal.,1994),如果生長結(jié)殼的海山下沉3500m(500～4000m),對應(yīng)的下沉?xí)r間為100Ma,相應(yīng)的結(jié)殼厚度從水深500m的2.24mm生長到水深4000m的110mm(表1).海山高受到最低含氧層成礦作用時間長,結(jié)殼生長時間長,結(jié)殼厚度大;海山低受最低含氧層成礦作用時間短,結(jié)殼生長時間短,結(jié)殼厚度小.因此,需要對不同高度的海山賦予不同結(jié)殼厚度.4島嶼、海山區(qū)的對外資源的預(yù)測Segletal.(1984)認(rèn)為根據(jù)目前拖網(wǎng)調(diào)查資料不可能精確地測定海山鈷結(jié)殼厚度,多數(shù)情況下沒有能力建立起統(tǒng)計(jì)學(xué)上有效的平均值,因?yàn)椴杉慕Y(jié)殼厚度變化很大(Graigetal.,1982).因此,很多學(xué)者(Glasby,1972;Cronan,1977)研究了鈷結(jié)殼厚度與基巖年齡之間的關(guān)系.美國夏威夷東西方研究中心利用海山基底年齡賦予鈷結(jié)殼厚度,對美國經(jīng)濟(jì)專屬區(qū)及太平洋有關(guān)島嶼、海山區(qū)的鈷結(jié)殼資源潛力進(jìn)行了估算,他們對年齡大于40Ma的海山賦予2cm的鈷結(jié)殼厚度,年齡小于40Ma的海山賦予1.5cm的結(jié)殼厚度,年齡小于2～5Ma的海山不進(jìn)行資源量估算(徐脈直,1999).由于夏威夷海嶺火山年齡建立得非常好,含有結(jié)殼的拖網(wǎng)樣品又沿海嶺采集,所以結(jié)殼厚度隨夏威夷海嶺基底年齡增加而線性增加,鈷結(jié)殼厚度與年齡基本呈正相關(guān)(圖4).МамвеенковandСедов(1996)劃分出太平洋板塊內(nèi)火山作用的4個活動期.第1期巖漿活動年齡為100～120Ma,中太平洋海山區(qū)、馬爾庫斯-威克海山區(qū)和麥哲倫海山區(qū)的大多數(shù)海山是在這一時期形成的.第2期為90～75Ma,中太平洋海山區(qū)、馬爾庫斯-威克海山區(qū)和馬紹爾群島在這一時期形成.第3期為40～50Ma,馬紹爾群島和萊恩群島一部分海山形成于這一時期.第4期為20～30Ma,產(chǎn)生南太平洋部分島嶼.太平洋8000多個海山的洋殼年齡為0～170.32Ma,平均為87.26Ma.東太平洋殼年齡小,西北太平洋殼年齡大.洋殼年齡大的海山年齡一般也較大,海山年齡與洋殼年齡密切相關(guān),洋殼年齡和海山年齡都顯示出由東向西變老的趨勢(圖5).洋殼老、海山年齡相對較大,結(jié)殼生長時間長,結(jié)殼厚度大.這樣可以對海山的洋殼年齡分級,并對不同洋殼年齡的海山賦予不同的結(jié)殼厚度,然后計(jì)算鈷結(jié)殼資源量.5據(jù)估計(jì)，太平洋海洋面積和鈷殼資源的估計(jì)5.1太平洋的金中國海洋結(jié)殼分布WesselandLyons(1997)和Wessel(2001)提供的太平洋8000多座海山(表2)的經(jīng)度為131.2833°～256.9833°,緯度為64.9222°～58.7655°;海山半徑(r)為3.22～100.00km,平均為13.94km;海山高度為1000～8000m,平均為2436m;海山所在位置的洋殼年齡為0.00～170.32Ma,平均為87.26Ma.太平洋8000多座海山中,高度小于1500m的海山占總數(shù)的1.91%,1500～4500m海山占總數(shù)的95.25%,4500～8000m海山占總數(shù)的2.84%.筆者以海山為單位并根據(jù)投影面積計(jì)算公式πr2(r為海山半徑)計(jì)算出單個海山投影面積為32.57～31416.00km2,平均為857.17km2,太平洋8000多座海山總面積為6876208km2.前蘇聯(lián)在1968年和1970年利用“Vitiaz”調(diào)查船對太平洋馬爾庫斯-內(nèi)克爾海脊及中太平洋海山區(qū)進(jìn)行鈷結(jié)殼資源調(diào)查,西北太平洋3個鈷結(jié)殼成礦省(夏威夷-皇帝海嶺、萊恩群島、馬爾庫斯)面積(Yubkoetal.,2004)為3290300km2,資源量為4627.7×109kg.美國對夏威夷群島、馬紹爾群島、中太平洋海山區(qū)海山分布面積計(jì)算得出為491520km2(Manheim,1986).前蘇聯(lián)對太平洋鈷結(jié)殼資源分布面積計(jì)算是比較粗略的,他們把生長鈷結(jié)殼的海山區(qū)看作是一個整體,實(shí)際上太平洋大多數(shù)海山是熱點(diǎn)成因而呈離散狀孤立分布,海山之間為水深大、不長結(jié)殼的洋殼,鈷結(jié)殼分布面積計(jì)算應(yīng)排除海山之間的洋殼面積,這樣才能得出較準(zhǔn)確的結(jié)殼分布面積.5.2太平洋海洋結(jié)殼資源量根據(jù)太平洋海山高度、結(jié)合鈷結(jié)殼厚度變化規(guī)律資料,筆者把海山分為0～2000m、2000～3000m、3000～4000m、4000～5000m、5000～6000m和6000～8000m共6個等級,分別賦予結(jié)殼厚度為1.0cm、1.5cm、2.0cm、2.5cm、3.0cm、3.5cm,平均厚度為1.71cm,相應(yīng)的結(jié)殼豐度為18kg/m2、27kg/m2、36kg/m2、45kg/m2、54kg/m2和63kg/m2,平均豐度為30.78kg/m2.根據(jù)海山總面積6876208km2計(jì)算,太平洋海山結(jié)殼總資源量為2118.90×108t(表2).筆者對西太平洋5個海山區(qū)拖網(wǎng)采樣得出662個測站的鈷結(jié)殼厚度為0～22cm、平均厚度為3.08cm,上述結(jié)殼賦值厚度(1～3.5cm,平均1.71cm)總體偏低.因此,對0～2000m、2000～3000m、3000～4000m、4000～5000m、5000～6000m和6000～8000m海山分別賦予結(jié)殼厚度為2cm、3cm、4cm、5cm、6cm和7cm,平均厚度為3.42cm,相應(yīng)的結(jié)殼豐度為36kg/m2、54kg/m2、72kg/m2、90kg/m2、108kg/m2和126kg/m2,平均豐度為61.56kg/m2.得出太平洋海山鈷結(jié)殼資源量為4237.80×108t(表2).5.3太平洋非拖網(wǎng)結(jié)殼厚度根據(jù)太平洋海山的洋殼年齡、結(jié)合鈷結(jié)殼厚度資料,筆者把不同洋殼年齡分為0～30Ma、30～60Ma、60～90Ma、90～120Ma、120～150Ma、150～180Ma共6個等級(無洋殼年齡按平均值87.22Ma計(jì)算),結(jié)殼厚度分別賦值為0.5cm、1.0cm、1.5cm、2.0cm、2.5cm、3.0cm(無洋殼年齡按平均值2.08cm計(jì)算),相應(yīng)的結(jié)殼豐度為9kg/m2、18kg/m2、27kg/m2、36kg/m2、45kg/m2和54kg/m2,平均豐度為37.44kg/m2.根據(jù)海山總面積6876208km2計(jì)算,太平洋海山結(jié)殼資源量為2576.07×108t(表3).McMurtryetal.(1994)認(rèn)為太平洋海山鈷結(jié)殼生長速率為1mm/Ma,西太平洋海山鈷結(jié)殼年齡為70～80Ma(Lingetal.,2005),鈷結(jié)殼厚度應(yīng)是7～8cm,而拖網(wǎng)得到的結(jié)殼平均厚度僅為3.07cm.兩種厚度巨大差異的原因有3個,一是因?yàn)橥暇W(wǎng)采樣方法難以獲得實(shí)際的鈷結(jié)殼厚度;二是鈷結(jié)殼水平分布不連續(xù),有些地方被沉積物覆蓋而中斷;三是鈷結(jié)殼生長時間不連續(xù),結(jié)殼在生長過程中遇到沉積間斷,或因構(gòu)造運(yùn)動使鈷結(jié)殼厚度遭到破壞.地質(zhì)穩(wěn)定性對厚結(jié)殼生長也是必要的,因?yàn)楹Ｉ缴现亓α骱蛪K體崩塌過程會破壞和刮掉結(jié)殼,因此限制了結(jié)殼的最終厚度,馬紹爾群島鈷結(jié)殼資源調(diào)查結(jié)果支持這些結(jié)論(Heinetal.,1988).另一方面,世界各大洋海山也確實(shí)存在厚結(jié)殼(表4),如馬爾庫斯-威克海山區(qū)CLD01和中太平洋CB12、CJ01鈷結(jié)殼樣品的厚度分別為8cm、7cm和8cm,鈷結(jié)殼年齡分別為81.8Ma、78.1Ma和77.7Ma,對應(yīng)的生長速率分別為0.98mm/Ma、0.90mm/Ma和1.03mm/Ma(Lingetal.,2005).韓國學(xué)者Kimetal.(2005,2006)研究表明西太平洋麥哲倫海山區(qū)、馬紹爾群島的拖網(wǎng)鈷結(jié)殼厚度達(dá)11.5～19.0cm.我國在西太平洋拖網(wǎng)采樣中也獲得過厚度達(dá)22cm鈷結(jié)殼,厚度7～8cm的結(jié)殼屢見不鮮.鑒于太平洋海山普遍存在厚結(jié)殼之事實(shí),上述賦予不同洋殼年齡的結(jié)殼厚度總體偏低(0.5～3.0cm,平均為2.08cm),因此對不同洋殼年齡海山賦予2倍結(jié)殼厚度.不同洋殼年齡段海山的結(jié)殼厚度賦值為1cm、2cm、3cm、4cm、5cm和6cm,平均厚度為4.16cm,相應(yīng)的結(jié)殼豐度為18kg/m2、36kg/m2、54kg/m2、72kg/m2、90kg/m2和108kg/m2,平均豐度為74.88kg/m2,計(jì)算出太平洋海山結(jié)殼資源量為5152.13×108t(表3).6結(jié)殼co沉積量上述按不同高度海山賦予結(jié)殼厚度1～7cm(平均厚度為1.71～3.42cm),按不同洋殼年齡賦予結(jié)殼厚度0.5～6.0cm(平均為2.08～4.16cm).那么按海山高度、洋殼年齡所賦予結(jié)殼厚度是否合理和有據(jù)可依,可通過Co通量與鈷結(jié)殼Co沉積量和厚度的相關(guān)分析給予說明.Halbachetal.(1983)對中太平洋海山鈷結(jié)殼Co通量及其生長速率研究表明,鈷結(jié)殼平均Co通量為2.95±0.45μg/cm2·ka,多金屬結(jié)核Co通量為2.94±0.43μg/cm2·ka,兩者大體相當(dāng).大洋水柱中單位時間單位面積內(nèi)Co供給量基本為常數(shù),Co不是局部來源.根據(jù)洋殼年齡及其賦予的結(jié)殼厚度,并采用結(jié)殼Co含量0.60%、結(jié)殼Co通量2.95μg/cm2·ka,結(jié)殼濕密度1.8g/cm3,計(jì)算出不同年齡段的結(jié)殼Co沉積量(表5).由表5可知1Ma結(jié)殼Co通量為0.0295kg/m2,180Ma結(jié)殼Co通量為5.31kg/m2.如果Co通量沒有任何丟失,結(jié)殼Co沉積量等于Co通量,這意味著沉到海底的Co全被結(jié)合到結(jié)殼中.但是,筆者對不同洋殼年齡所賦予結(jié)殼厚度中的Co沉積量只占Co通量的6.10%(如賦予兩倍厚度,占理論厚度的12.20%).例如,30Ma的Co通量為0.885kg/m2,賦予結(jié)殼厚度為0.5cm,30Ma的結(jié)殼Co沉積量為0.054kg/m2,結(jié)殼Co沉積量占Co通量的6.10%,如果占100%,理論推測結(jié)殼厚度應(yīng)為8.2cm.Kuetal.(1982)對采于赤道大西洋和北太平洋兩個拖網(wǎng)結(jié)殼樣品的研究表明,兩個結(jié)殼生長速率為1.5mm/Ma,兩個結(jié)殼10Be沉積速率為2×104個10Be原子/cm2·a,約為全球10Be平均生產(chǎn)速率的4%.結(jié)殼Mn沉積速率為0.05mg/cm2·ka,也只占(38個深海沉積巖芯)平均Mn通量(1.30mg/cm2·ka)的4%,這些數(shù)據(jù)與筆者得出結(jié)殼Co沉積量占Co通量6.10%非常接近.Kuetal.(1982)認(rèn)為大多數(shù)10Be和Mn被結(jié)合到沉積物中,或者是結(jié)殼生長不連續(xù),鈷結(jié)殼整個生命史的大約4%時間在生長.以上不同數(shù)據(jù)資料對比表明按海山高度、洋殼年齡賦予結(jié)殼厚度的做法基本可行,得出的鈷結(jié)殼資源量基本正確.7我國西太平洋海島結(jié)殼覆蓋率計(jì)算太平洋海山鈷結(jié)殼資源量和金屬量之前,還要提到鈷結(jié)殼覆蓋率這個參數(shù)指標(biāo).鈷結(jié)殼覆蓋率是指海山表面單位面積內(nèi)被鈷結(jié)殼覆蓋的面積(海山表面不是全長結(jié)殼),用百分?jǐn)?shù)(%)表示.鈷結(jié)殼礦區(qū)覆蓋率一般采用25%～60%,Heinetal.(1990)認(rèn)為覆蓋率采用25%～45%比較可行,如中太平洋Horizon海山鈷結(jié)殼覆蓋率為52%,萊恩群島SPLee海山為24%(Richey,1987),夏威夷群島經(jīng)濟(jì)專屬區(qū)為22%(Craigetal.,1982),我國西太平洋海山調(diào)查資料為36.88%.根據(jù)不同學(xué)者提出的覆蓋率指標(biāo)和我國調(diào)查資料,再考慮到目前鈷結(jié)殼資源調(diào)查精度,鈷結(jié)殼覆蓋率采用30%是比較合適的.結(jié)殼含水率采用28%,結(jié)殼中Mn、Co、Ni、Cu含量分別為21.92%、0.60%、0.44%和0.13%(表6).上述計(jì)算出太平洋海山面積為6876208km2,采用結(jié)殼覆蓋率為30%,太平洋海山結(jié)殼面積為2062862km2(0.3×6876208km2);按海山高度得到濕結(jié)