[科普中国]-锰结核

矿石简介

大洋底蕴藏着极其丰富的矿藏资源，锰结核就是其中的一种。锰结核是沉淀在大洋底的一种矿石，它表面呈黑色或棕褐色，形状如球状或块状，它含有30多种金属元素，其中最有商业开发价值的是锰、铜、钴、镍等。

主要成分锰结核存在的形式为硅酸盐和难溶性高锰酸盐(高锰酸亚钛、高锰酸铁、高锰酸铝等)的混合物

锰结核中各种金属成分的含量大约是：有经济价值的有锰(27-30 %)、镍(1.25-1.5 %)、铜(1-1.4 %)及钴(0.2-0.25 %)。其他成分有铁(6 %)、硅(5%)及铝(3%)，亦有少量钙、钠、镁、钾、钛及钡，连带有氢及氧。

铜、钴、镍等76种金属元素是陆地上紧缺的矿产资源，有必要开采海底锰结核获取这些金属。美国锰矿全靠进口，对从锰结核生产锰也大感兴趣，所以美国最为重视锰结核开发。美国在大洋锰结核开发技术方面也处于领先地位。

形成来源来源它的物质来源，大致有四方面：

一是来自陆地、大陆或岛屿的岩石风化后释放出铁、锰等元素，其中一部分被海流带到大洋沉淀。

二是来自火山，岩浆喷发产生的大量气体与海水相互作用时，从熔岩中搬走一定量的铁、锰，使海水中锰、铁越来越多。

三是来自生物，浮游生物体内富集微量金属，它们死亡后，尸体分解，金属元素也就进入海水。

四是来自宇宙，有关资料表明，宇宙每年要向地球降落2000~5000吨宇宙尘埃，它们富含金属元素，分解后也进入海洋。

原因关于锰结核的生成原因，一般认为是沉降于海底的各种金属的氧化物，以带极性的分子形式，在电子引力作用下，以其他物体的细小颗粒为核，不断聚集而成。这个理论也有不能自圆其说之处。锰在海水中的含量并不算多，为什么却会在锰结核中独占鳌头呢?锰结核的成因有待继续研究。

研究试验的锰结核开采方法也有许多种。比较成功的方法有链斗法、水力升举法和空气升举法等几种。链斗式采取掘机诫就像旧式农用水车那样，利用绞车带动挂有许多戽斗的绳链不断地把海底锰结核采到工作船上来。

水力升举式海底采矿机械，是通过输矿管道，利用水力把锰结核连泥带水地从海底吸上来。空气升举法同水力升举原理一样，只是直接用高压空气连泥带水地把锰结核吸到采矿工作船上来。

80年代，美国、日本、德国等国矿产企业组成的跨国公司，使用这些机械，取得日产锰结核300~500吨的开采成绩。在冶炼技术方面，美、法、德等国也都建成了日处理锰结核80吨以上的试验工厂。总之，锰结核的开采、冶炼，在技术上已不成问题，一旦经济上有利，便可形成新的产业，进入规模生产。

储量分布锰结核广泛地分布于世界海洋2000~6000米水深海底的表层，而以生成于4000~6000米水深海底的品质最佳。锰结核总储量估计在30000亿吨以上。其中以北太平洋分布面积最广，储量占一半以上，约为17000亿吨。锰结核密集的地方，每平方米面积上就有100多公斤，简直是一个挨一个铺满海底。在全世界的大洋里它的总储量达10的12次方的三倍吨。

锰结核中50%以上是氧化铁和氧化锰，还含有镍、铜、钴、钼、钛等20多种元素。仅就太平洋底的储量而论，这种锰结核中含锰4000亿吨、镍164亿吨、铜88亿吨、钴98亿吨，其金属资源相当于陆地上总储量的几百倍甚至上千倍。如果按照2006年世界金属消耗水平计算，铜可供应600年，镍可供应15000年，锰可供应24000年，钴可满足人类130000年的需要，如果把它们全开采出来，锰可供人类3.33万年，镍可以用2.53万年，钴可用34万年，铜可以用980年。这是一笔多么巨大的财富啊！而且这种结核增长很快，每年以1000万吨的速度在不断堆积，因此，锰结核将成为一种人类取之不尽的"自生矿物"。锰结核是怎样形成的呢？科学家估计，地球已有50亿年的历史，在这过程中，它在不断地变动。通过地壳中岩浆和热液的活动，以及地壳表面剥蚀搬运和沉积作用，形成了多种矿床。雨水的冲蚀使地面上溶解一部分矿物质流入了海内。在海水中锰和铁本来是处于饱和状态的，由于这种河流夹带作用，使这两种元素含量不断增加，引起了过饱和沉淀，最初是以胶体态的含水氧化物沉淀出来。在沉淀过程中，又多方吸附铜、钴等物质并与岩石碎屑、海洋生物遗骨等形成结核体，沉到海底后又随着底流一起滚动，象滚雪球一样，越滚越大，越滚越多，形成了大小不等的锰结核。

据估计，全世界各大洋底锰结核的总量可能有3万亿吨，光太平洋底锰结核就有17 000亿吨，其中含锰有4000亿吨，镍164亿吨，铜88亿吨，钴58亿吨。

利用价值有的锰结核锰含量达到55%，除锰以外还含有铁、镍、铜、钴、钛等20多种金属元素，含量都很高。锰结核所富含的金属，广泛地应用于现代社会的各个方面。如金属锰可用于制造锰钢，极为坚硬，能抗冲击、耐磨损、大量用于制造坦克、钢轨、粉碎机等。锰结核所含的铁是炼钢的主要原料，所含的金属镍可用于制造不锈钢，所含的金属钴可用来制造特种钢。所含的金属铜大量用于制造电线。锰结核所含的金属钛，密度小、强度高、硬度大，广泛应用于航空航天工业，有“空间金属”的美称。锰结核不仅储量巨大，而且还会不断地生长。生长速度因时因地而异，平均每千年长1毫米。以此计算，全球锰结核每年增长1000万吨。锰结核堪称“取之不尽，用之不竭”的可再生多金属矿物资源。

锰结核里包含多种战略物资，必将引起资源争夺。1978年，日本采矿船用抽吸式和气动提升式采集锰结核获得成功。美国已用20万吨级的采矿船，用自动控制的设备采集南太平洋底的锰结核。

矿石发现1872～1876年，英国的一艘叫“挑战者”号的三桅帆船，在海上进行了长达3年多的考察，这次考察收获不小，队员们带回了一些黑不溜秋的像瘤子一样的东西，是从不同地区的海底捞上来的，开始谁也不知道是什么，于是就拿到化验室去分析，结果发现这种像瘤子一样的玩艺儿的主要成分是锰，于是有人就把这种黑玩意叫“锰矿瘤”，因为它又像患结核病人的结核，所以后来都叫锰结核或金属结核。

后来，美国的海洋学家听到英国考察队的收获后，也派人在太平洋海底寻找这种矿物，一次，在夏威夷附近的海底发现了一块重达57千克的锰结核。更巧的一次是海洋学会的一条水下电缆发生故障，在修理电缆的过程中，他们发现了一个更大的锰结核，有136千克重。可惜的是，这些人嫌它太重，只给它描绘了一张图，就又把它丢进了海里，结果一个极好的锰结核标本没有能进入海洋博物馆。

不久，前苏联的维特亚兹考察队在印度洋海底也发现了含铁和锰的铁锰结核。但是，在第二次世界大战以前，人们对深海里的这些东西并没有很大兴趣，一是陆地上的锰和铁并不感到缺乏，二是到海底捞这些东西也挺费事，觉得不合算。但到第二次世界大战之后，世界上生产的锰钢越来越多，锰这类金属(还有铜、镍、钴等)就愈来愈缺乏。于是，人们就想起了海底的这些宝贝。尤其是美国、法国、德国、前苏联、日本、新西兰、印度等国对深海锰结核开展了大量的勘察工作，都想从海底把这些金属矿弄出来。要知道，有些锰结核中的锰含量高达50%，铁含量达27%。有些锰结核中的二氧化锰含量竟达98%，甚至可以不进行什么处理就能直接用来生产一种蓄电池。

开发利用国外20世纪初，美国海洋调查船“信天翁号”在太平洋东部的许多地方采到了锰结核，并且得出初步的估计报告说：太平洋底存在锰结核的地方，其面积比美国都大。尽管如此，在那时也没有引起人们多大的重视。

1959年，长期从事锰结核研究的美国科学家约翰·梅罗发表了他的关于锰结核商业性开发可行性的研究报告，引起许多国家政府和冶金企业的重视。此后，对于锰结核资源的调查、勘探大规模展开。开采、冶炼技术的研究、试验也迅速推进。在这方面投资多、成绩显著的国家有美国、英国、法国、德国、日本、俄罗斯、印度及中国等。到80年代，全世界有100多家从事锰结核勘探开发的公司，并且成立了8个跨国集团公司。

中国中国从70年代中期开始进行大洋锰结核调查1。

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”、“大洋一号”等。经多年调查勘探，在夏威夷西南，北纬7度至13度，西经138度至157度的太平洋中部海区，探明一块可采储量为20亿吨的富矿区。

1991年3月，“联合国海底管理局”正式批准“中国大洋矿产资源研究开发协会”的申请，从而使中国得到15万平方公里的大洋锰结核矿产资源开发区。问时，依据1982年《联合国海洋法公约》，中国继印度、法国、日本、俄罗斯之后，成为第5个注册登记的大洋锰结核采矿“先驱投资者”。

2011年7月28日，30日，中国5000米蛟龙号载人潜水器顺利完成5000米级海上试验第三，四次下水任务，“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”号同时带回5000米海底锰结核样本，中国开发海底锰结核矿源迈出重要一步。

2013年7月3日，正在进行首次试验性应用航行的“蛟龙号”载人潜水器在南海“蛟龙海山”区下潜，并在海底发现大面积铁锰结核。“蛟龙号”号带回了8块铁锰结核，其中5块比鸡蛋略大，另外3块则比成人拳头还大，表层都呈黑色。

在铁锰结核样品中，有一块被潜水器机械手夹碎。同济大学教授周怀阳指着这块样品对记者说：“里面这个圆核就是火山的熔岩，外面一圈一圈的就是铁锰氧化物，是上万年逐渐形成的。如果打磨一下，就可以看到外面这些圈像树的年轮一样，具体这块结核有多少年历史需要在实验室测定。”

按计划，“蛟龙”号还将在这个海域下潜2次，继续对“蛟龙海山”进行科学调查。

“这次遗憾的是没有采集到岩石样本，希望下两个潜次能弥补这一缺憾。”周怀阳说，“南海的形成时间、形成方式和物质来源至今仍存疑问，而海山与南海基底的形成有密切关系。通过对海山岩石样品的年龄测定、成分分析及其时空变化分析，可以对这一重大科学问题的解决提供帮助。”