[科普中国]-富钴结壳

又称钴结壳、铁锰结壳。生长在海底岩石或岩屑表面的皮壳状铁锰氧化物和氢氧化物。因富含钴，名富钴结壳。表面呈肾状或鲕状或瘤状，黑色、黑褐色，断面构造呈层纹状、有时也呈树枝状，结壳厚05～6厘米，平均2厘米左右，厚者可达10～15厘米。构成结壳的铁锰矿物主要为二氧化锰和针铁矿。其中，含锰2.47%、钴0.90%、镍0.5%、铜0.06%（平均值）、稀土元素总量很高，很可能成为战略金属钴、稀土元素和贵金属铂的重要资源。

简介产地主要产在水深800～3000米的海山和海台顶部和斜面上，其赖以生长的基质有玄武岩、玻质碎屑玄武岩及蒙脱石岩。主要生长期可能是10百万年前和16～19百万年前的两个世代，生长速率为27～48毫米/百万年。在太平洋天皇海岭、中太平洋海山群、马绍尔群岛海岭、夏威夷海岭、麦哲伦海山、吉尔伯特海岭、莱恩群岛海岭、马克萨斯海台等地都有发现，其资源远景巨大。

形成分布富钴铁锰结壳氧化矿床遍布全球海洋，集中在海山、海脊和海台的斜坡和顶部。数百万年以来，海底洋流扫清了这些洋底的沉积物。这些海山有一些和陆地上的山脉一样大。太平洋约有50000座海山，其富钴结壳贮存量最丰，但经过详细勘测及取样的海山却寥寥无几。大西洋和印度洋的海山要少得多。

结壳中的矿物很可能是借细菌活动之助，从周围冰冷的海水中析出沉淀到岩石表面。结壳形成厚度可达25厘米，面积宽达许多平方公里的铺砌层。据估计，大约635万平方公里的海底(占海底面积1.7%)为富钴结壳所覆盖。据此推算，钴总量约为10亿吨。

结壳无法在岩石表面为沉积物覆盖之处形成。结壳分布于约400-4000米水深的海底，多金属结核则分布在4000-5000米水深的海底。最厚的结壳钴含量最为丰富，形成于800-2500米水深的海山外缘阶地及顶部的宽阔鞍状地带上。

结壳一般以每1至3个月一个分子层(即每100万年1至6毫米)的速率增长，是地球上最缓慢的自然过程之一。因此，形成一个厚厚的结壳层可需要多达6000万年时间。一些结壳有迹象显示，结壳在过去2000万年经历两个形成期，铁锰增生过程为一层生成于800万-900万年前的中新世的磷钙土所中断。这一层在新、老物质之间的间隔可以为寻找更老、更丰富的矿床提供线索。最低含氧层的矿床较丰的现象，使调查人员将钴的富集部分归因于海水中的低含氧量。

根据品位、储量和海洋学等条件，最具开采潜力的结壳矿址位于赤道附近的中太平洋地区，尤其是约翰斯顿岛和美国夏威夷群岛、马绍尔群岛、密克罗尼西亚联邦周围的专属经济区，以及中太平洋国际海底区域。此外，水深较浅地区的结壳的矿物含量比例最高，是开采的一个重要因素。

特点除钴之外，结壳还是其他许多金属和稀土元素的重要潜在来源，如钛、铈、镍、铂、锰、磷、铊、碲、锆、钨、铋和钼。结壳由水羟锰矿(氧化锰)和水纤铁矿(氧化铁)组成。较厚结壳有一定数量的碳磷灰石，大部分结壳含少量石英和长石。结壳钴含量很高，可高达1.7%；在某些海山的大片面积上，结壳的钴平均含量可高达1%。这些钴的含量比陆基钴矿0.1%至0.2%的含量高得多。在钴之后，结壳中最有价值的矿物依次为钛、铈、镍和锆。

另外一个重要考虑因素是结壳与其附着生长的基岩在物理性质方面的反差。结壳在各类岩石之上生成，因此使用普通的遥感技术难以区分结壳及其基岩。然而，结壳与基岩的不同之处在于结壳发出高得多的伽马射线。因此在勘查上覆沉积物较薄的结壳以及测量海山上的结壳厚度时，以伽马射线进行遥感可能是有用的工具。

未来采矿者在寻找可以开采的结壳时，很可能注意以下一些特点。包括：水深不超过1000-1500米，年龄在2000万年以上的大海山，其顶部没有大环礁或暗礁，所处位置有持续的强烈底流，上覆水体较浅并且为成熟的低氧带，远离大量注入海洋的河流和风生碎屑物。此外，他们要寻找的海底应起伏不大，位于山顶阶地、鞍状地带或隘口，坡度平缓并且当地没有火山活动。钴平均含量至少应为0.8%，结壳平均厚度不低于4厘米。

工业用途富钴结壳所含金属(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。

勘探开采为了确定可能比较高产的地区的位置，未来的采矿者首先需要绘制结壳矿床详图和小比例尺海山地貌综合图，包括地震剖面图。一旦确定了取样站，就可以部署拖网、岩芯取样机以及声纳摄像机和视频摄像机，以查明结壳、岩石和沉积物的类别和分布情况。为此需要装备齐全的大型研究船来操作海底声波信标和拖拽设备，并处理大量样品。在较后阶段需要载人潜器或遥控作业系统（ROV）。为进行环境评估，需部署测流计锚定设备和生物取样设备。

开采结壳的技术难度大大高于开采多金属结核。采集结核比较容易，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。一个可能的结壳回收办法是采用海底爬行采矿机，以水力提升管系统和连接电缆上接水面船只。采矿机上的铰接刀具将结壳碎裂，同时又尽量减少采集基岩数量。已经提出的一些创新系统包括：以水力喷射将结壳与基岩分离；对海山上的结壳进行原地化学沥滤，以声波分离结壳。除日本外，对结壳开采技术的研究和开发有限。尽管提出了各种想法，但这一技术的研究和开发尚在初期阶段。1

相关资料海山环境需要对海山生物群落的性质进行更多研究，以便积累可靠的依据，就结壳勘探和采矿造成的环境问题提出建议。除了知道其复杂和变化大的特点外，对这些群落知之甚少；位于同一深度的两座海山可能有完全不同的生物组成。海山生物群落的组成和特点由流型、地貌、海底沉积物及岩石类型和覆盖面积、海山大小、水深及海水含氧量等因素确定。

另外还必须了解海山周围的海流，以便开发适当的采矿设备和技术，并确定被扰动沉积物颗粒和废物的扩散途径。海山阻挡海流流动，产生各种更强的涡流和上升流，从而增加生物的初级生产力。这些海流的影响在海山顶部周围的外缘最为强烈，也正是在这些地方找到最厚的结壳。

经济因素结壳除了钴含量高于深海锰结核之外，其开采之所以被认为有利，是因为高质量的结壳储存在岛屿国家专属经济区内，水深较浅，离海岸设施较近的水域。1970年代后期，特别是在1978年，当时世界上的第一产钴国扎伊尔(刚果民主共和国)境内矿区爆发内战，钴价飙升，人们对结壳的经济潜力有了深刻的认识。由于刚果民主共和国的生产持续下降，到2000年，赞比亚、加拿大和俄罗斯联邦三国总产量占了全球总产量(29500吨)的一半以上)。

钴和其他许多贱金属一样，现货市场价格在过去30个月里持续下降，从1999年5月每磅20美元以上跌至每磅10美元以下。在历史上，钴价波动较大。在1979年前扎伊尔沙巴省发生动乱期间，钴价在数周之内激增三倍。当时扎伊尔约占全球供应量的一半。钴生产在地域上远没有以前集中。但从中、短期来看，需求仍趋于缺乏价格弹性。只要认为可能出现供应问题，价格仍可能迅速倍增。

钴供应不确定的一个原因是，在扎伊尔和赞比亚这两个主要生产国，钴是铜矿业的副产品。因此，钴的供应量取决于对铜的需求。碲的供应量也是如此。这种不确定性已促使企业寻找其他代用品，因此市场仅略有增长。如果可以为这些金属开发出其他重要来源，这将提供较有力的诱因，在产品中重新使用这些金属，从而增加消耗量。对钴以外的一种或多种结壳富含金属的需求，最终可能成为开采结壳的驱动力。

沉睡洋底千万年大洋富钴结壳是一种主要赋存在太平洋，而非大西洋或印度洋，水下顶面平坦、两翼陡峭、形似“圆台”的海山斜坡上，水深1000米～3500米，色黑似煤，质轻性脆，结构疏松，表面常布满花蕾似的瘤状体，厚度一般为几毫米至十几厘米，形状为板、结构疏松、结核或砾状等的海相固结沉积物。由于沉积时古海洋环境的差异，富钴结壳常呈现为成分和颜色不断变化的多层构造特征，如褐煤状、多孔状或无烟煤状结壳分层。此外，据实地勘查及系统科学研究，它在太平洋不同区域的储存特征和富集规律也是五彩纷呈、千奇百态。它已静静地沉睡在那里数千万年了。资料显示，富钴结壳金属钴含量可高达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。若与我国东太平洋海盆大洋多金属结核开辟区相比，其钴含量高3倍～4倍，铂含量高10多倍，海底面覆盖率高3倍～4倍，单位面积重量高4倍～6倍。据不完全统计，太平洋西部火山构造隆起带上，富钴结壳矿床的潜在资源量达10亿吨，钴金属量达数百万吨，经济总价值已超过1000亿美元。因此，自上世界80年代以来，它一直是世界海洋矿产资源研究开发领域的热点。

得来要凭真功夫早在上世纪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，但未引起重视。此后，美国、俄罗斯亦曾分别对夏威夷群岛和中太平洋海山上的铁锰氧化物开展过调查。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。我国于上世纪90年代中期拉开了富钴结壳正式航次调查的序幕。

相关事件2012年9月4日，根据外交部网站提供的消息，国际海底管理局公布信息，确认中国率先提交富钴结壳矿区申请。如获海管局核准，中国将在西太平洋获得面积为3000平方公里的富钴结壳资源专属勘探矿区。

2013年7月19日电（记者朱庆翔）国际海底管理局19日核准了中国大洋矿产资源研究开发协会（简称“大洋协会”）提出的西太平洋富钴结壳矿区勘探申请。中国成为世界上首个就3种主要国际海底矿产资源均拥有专属勘探矿区的国家。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学