1、資源勘察,資源勘察,錳結(jié)核的特性,錳結(jié)核的物理特性,形態(tài) 表面特征 粒徑大小 顏色 硬度 ：摩式硬度1-4 密度：一般2.1-3.5g/cm3 平均2.2-2.4g/cm3,錳結(jié)核的核心,核心物質(zhì)形態(tài)的多樣性，決定結(jié)核形態(tài)的多樣性。 在結(jié)核的生長空間中，各個(gè)方向提供金屬物質(zhì)不均一性，導(dǎo)致結(jié)核各個(gè)方向生長速度的不均一性。半埋藏型結(jié)核的“突緣”可能是兩種物質(zhì)來源疊加引起的。,錳結(jié)核的類型,光滑型(S型) 粗糙型(S) 光滑+粗糙型(R+S，中間型),錳結(jié)核的類型,錳結(jié)核的類型,表面光滑的結(jié)核多發(fā)生在山體周圍，物質(zhì)直接業(yè)源于底層海水； 表面粗糙結(jié)核的粗糙部分均埋藏于沉積物中，物質(zhì)主要業(yè)源于沉積物中的

2、間隙水。,錳結(jié)核礦物特征,多礦物集合體，結(jié)晶程度都較差； 礦物顆粒十分細(xì)小，緊密隨機(jī)地交織在一起； 按成分可把結(jié)核中的礦物分為錳礦物、鐵礦物和鋁硅酸鹽(雜質(zhì))礦物。,錳結(jié)核的礦床特征,錳結(jié)核的豐度,海底沉積物上單位面積多金屬結(jié)核的重量。,錳結(jié)核的品位,結(jié)核中CuNiCo的重量百分總量稱作結(jié)核的品位。,錳結(jié)核的粒徑,依據(jù)各站結(jié)核長軸的度量，可把結(jié)核分為大于6cm，36 cm和小于3cm三個(gè)粒級。,東、西區(qū)不同類型結(jié)核各粒級比較,錳結(jié)核的覆蓋率,在海底表面單位面積內(nèi)結(jié)核覆蓋所占面積的百分比。,東、西區(qū)結(jié)核覆蓋率,東、西區(qū)結(jié)核礦床特征對比,由東向西： 結(jié)核豐度增高 金屬品位降低 結(jié)核個(gè)體變小 核心物

3、由老結(jié)核決變?yōu)榛鹕綆r為主 地質(zhì)條件、沉積環(huán)境、地化環(huán)境等因素的影響。,東、西區(qū)結(jié)核礦床特征對比,南極底層流是一股含高氧、高營養(yǎng)鹽、低溫、高鹽密度的底層流。,影響多金屬結(jié)核區(qū)域變化主要因素,東、西區(qū)表層沉積物中某些地化要素對比,西區(qū)由于氧化程度強(qiáng)，形成以光滑型結(jié)核，此類結(jié)核中的錳礦物-MnO2為主，礦物中O：Mn離子數(shù)目比為2，錳離子為高價(jià)(Mn4+)；東區(qū)結(jié)核多為粗糙型，以鈣錳礦為主，O：Mn離于數(shù)目比為1.741.87，錳離子為Mn3+、Mn4+價(jià)態(tài)。,地形的影響,影響多金屬結(jié)核區(qū)域變化主要因素,海山區(qū)結(jié)核普遍較少或無結(jié)核。在無沉積物的基巖區(qū)常采到結(jié)亮與玄武巖塊，在巖石表面有一層厚約12mm

4、鐵錳氧化物。在海盆和丘陵區(qū)結(jié)核分布較普遍，但不同部位多金屬結(jié)核的豐度、類型等亦有差異，一般在海盆中央處地形坡度小于0.3地區(qū)結(jié)核很少，在相對起伏明顯處結(jié)核較多。在海盆與海山斜坡的下部，地形坡度轉(zhuǎn)折的過渡區(qū)結(jié)核較多，而且結(jié)核個(gè)體較大，金屬品位較高，結(jié)核也較富集，但變化較大。,水深的影響,影響多金屬結(jié)核區(qū)域變化主要因素,在水深淺于4900m的洋底，結(jié)核分布較少，東、西區(qū)結(jié)核出現(xiàn)率分別為小1%與8.8%，而且均為個(gè)體小、金屬品位低(1.80%)的光滑型結(jié)核。 在4 9005 300m水深區(qū)中不僅結(jié)核出現(xiàn)率高，而且結(jié)核最富集，它是多金屬結(jié)核分布最主要區(qū)域。,本區(qū)碳酸鹽補(bǔ)償深度約在4 900m左右，此界

5、面由西向東有抬高的趨勢。這告訴我們：本區(qū)碳酸鹽補(bǔ)償深度面與區(qū)域多金屬結(jié)核分布富集的水深界線基本一致。,碳酸鹽補(bǔ)償深度carbonate compensation depth(CCD)海底富含碳酸鹽的沉積和非碳酸鹽沉積之間的巖相界面。海水到達(dá)某一深度時(shí),碳酸鹽的補(bǔ)給速率和溶解速率可大體得到補(bǔ)償,故名。大約深海底的一半為鈣質(zhì)軟泥所覆蓋,另一半則為缺少碳酸鹽的沉積物所覆蓋。二者之間的界線大致隨等深線變化,是因碳酸鹽的溶解速度隨海水深度的增加而增高的緣故。這種深度的連線便構(gòu)成碳酸鹽線或碳酸鹽補(bǔ)償面,根據(jù)補(bǔ)償物質(zhì)的不同,補(bǔ)償深度又有方解石補(bǔ)償深度、文石補(bǔ)償深度及有孔蟲補(bǔ)償深度之分。一般在此補(bǔ)償面之上保留

6、有大量碳酸鹽沉積物,而此面以下則代之以大量非碳酸鹽沉積物,主要為紅粘土。補(bǔ)償面的深度和形狀因受海區(qū)碳酸鹽補(bǔ)給量和溶解速率、地形、再沉積作用等的影響而變化。在全球范圍內(nèi),碳酸鹽補(bǔ)償面的深度變化幅度在2000米左右。而各大洋不盡相同,如太平洋為4300米、大西洋為4900米、印度洋則為4850米。對其深度和形狀的研究,有助于了解構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面變化、海洋物理化學(xué)環(huán)境等的特點(diǎn)及其演變歷史 。,微生物的影響,影響多金屬結(jié)核區(qū)域變化主要因素,微生物依附在核心上面后就生長，它通過自身的生化作用，吸取錳等元素，堆積起來形成結(jié)核，同時(shí)有些細(xì)菌通過生物的催化和酶促使低價(jià)的Fe、Mn離子氧化成高價(jià)化合物而沉淀，也

7、可使高價(jià)Fe、Mn離子還原為低價(jià)的Fe、Mn離子而分離出來。微生物的生長、發(fā)育對洋底有用金屬元素的富集、遷移有很大影響。,每克泥樣中約有1001000個(gè)細(xì)菌，其形態(tài)為串珠狀、樹枝狀等，它與結(jié)核中的菌、藻類生物形態(tài)相似，這表明結(jié)核中的菌藻生物來源于沉積物與水體中的生物。,錳結(jié)核的成因,Morgan(1967)計(jì)算了海水中Mn2+氧化的半周期為560年。與此相反，在微生物的作用下，可以大大提高Fe2+、Mn2+的氧化速率。,微生物對鐵、錳的氧化和聚集,洋底水-巖-微生物生態(tài)系統(tǒng)系指洋底沉積物，多金屬結(jié)核、孔隙水、大洋底層水及微生物所構(gòu)成的多相相互作用的活的生態(tài)系統(tǒng)。,洋底水-巖-微生物生態(tài)系統(tǒng),底

8、層水和表層沉積物富氧，沉積物為黃褐色、底層水中的pH值為7.498.0，Eh為419mV。沉積物底層水界面是一個(gè)中偏堿性有底流活動(dòng)的氧化環(huán)境。 有利于氧化錳的生金菌、鐵錳氧化菌、嗜鹽菌等微生物的繁殖發(fā)育。 在底層水中鐵細(xì)菌的數(shù)量在n103n108個(gè)/mL之間，個(gè)別達(dá)n1013個(gè)/mL，錳氧化菌及嗜鹽菌都較多，高者達(dá)n1010n1015個(gè)/mL。,洋底水-巖-微生物生態(tài)系統(tǒng),微生物成礦作用可分為直接或間接成礦兩種方式。直接成礦包括微生物對成礦元素的聚集和對元素價(jià)態(tài)的轉(zhuǎn)化，使其沉積成礦，間接方式包括微生物代謝活動(dòng)中對環(huán)境物理化學(xué)條件的改變，生物分解和合成有機(jī)化合物而富集成。,洋底多金屬結(jié)核微生物成

9、礦方式,微生物聚集成礦元素直接堆積成礦,生物在生長過程中需要不斷從環(huán)境中攝取化學(xué)元素，以滿足合成細(xì)胞物質(zhì)和獲得能量需要。這類元素包括Al、B、C、Cu、Fe、Mn、Mo、P、S、Be、Si、V、Zn等。有些鐵、錳和某些金屬礦物的聚集屬于此種方式。,鐵細(xì)菌、錳氧化菌、生金菌、嗜鹽菌等微生物，經(jīng)常在細(xì)胞壁上形成含有鐵、錳氧化物的莢膜。,微生物聚集成礦元素直接堆積成礦,結(jié)核中微生物體內(nèi)Fe、Mn、Cu、Ni、Co等元素含量皆高于大洋底層水。與底層水中同名元素濃度之比值(倍數(shù))： Mn：(1.882.42)106 Fe：(0.121.15)106 Cu：(0.070.32)106 Ni：(0.1060

10、.5)106 Co：(0.0090.023)106 Ca：(0.0260.07)106 K：(0.0080.14)106 Si：(9.1311.9)103,微生物聚集成礦元素直接堆積成礦,富集成礦元素的微生物死亡后，以顆粒狀形式沉積到海底沉積物中，遇到還原性細(xì)菌，可發(fā)生溶解，增加底層水和孔隙水中成礦元素的含量。這些富含成礦元素的孔隙水遷移至底層水沉積物界面處遇到氧和氧化性強(qiáng)的微生物，又可促使Fe、Mn氧化物的再沉積而形成多金屬結(jié)核。,微生物作用改變環(huán)境的物理化學(xué)條件間接成礦,大洋各介質(zhì)(底層水、沉積物及結(jié)核)中的鐵細(xì)菌、錳氧化菌、生金菌、嗜鹽菌及反硝化菌生金菌等微生物，在其代謝活動(dòng)中都可以使介

11、質(zhì)pH值升高、Eh值下降，改變介質(zhì)的氧化還原條件，從而將可溶性低價(jià)的鐵、錳等化合物氧化成難溶的氧化物而沉淀。,錳結(jié)核成礦階段及成礦模式,多金屬結(jié)核分布的洋底水沉積物界面上。在界面處多種因素的作用可使大洋中Fe、Mn等成礦元素氧化、吸咐和聚集，又可以由物理化學(xué)和生物作用使孔隙水中鐵錳向沉淀物表面遷移，直至底層水，使底層水富集金屬元素，從而使界面附近形成一個(gè)金屬元素富集的界面系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，微生物非?；钴S，它們對主要成礦元素起催化、氧化、沉析作用，并加速Fe、Mn的分離及鐵、錳氧化物的形成，利于結(jié)核的生成。,錳結(jié)核成礦階段及成礦模式,成礦萌芽階段:Fe、Mn氫氧化物的膠體微粒和膠團(tuán)在溶液中呈絮

12、狀、懸浮狀態(tài)存在 浮游植物和菌藻，它們可以從表層水中吸收金屬元素 由細(xì)菌作用形成的Fe、Mn顆粒在重力作用下向深海底層運(yùn)移富集 當(dāng)運(yùn)移到洋底水沉積物界面的氧化環(huán)境時(shí)，好氣性鐵細(xì)菌、錳氧化菌、生金菌、好氣性的異氧菌等微生物的代謝活動(dòng)便使鐵、錳形成高價(jià)態(tài)的氧化物及氫氧化物膠體 膠體遷移過程中可以繼續(xù)形成鐵、錳氫氧化物絮狀物，并緩慢向大洋底部遷移。,錳結(jié)核成礦階段及成礦模式,2.成礦物質(zhì)分異富集階段:微生物活動(dòng)加速高價(jià)鐵、錳氧化物的不斷富集 好氧的鐵細(xì)菌生金菌等微生物代謝作用促進(jìn)鐵率先形成氫氧化鐵沉淀，pH值升高，形成更有利于氫氧化鐵沉淀的“微域” 氫氧化鐵凝膠吸咐海水中的Mn2+，在鐵錳氧化細(xì)菌生

13、物化學(xué)催化作用下又將二價(jià)錳氧化成四價(jià)錳，形成高價(jià)錳氧化物沉淀 好氧細(xì)菌和厭氧細(xì)菌的生態(tài)演替作用，加速Fe和Mn的分異作用，使Fe和Mn呈現(xiàn)氧化還原再氧化的交替現(xiàn)象，出現(xiàn)富Fe和富Mn礦物的交替沉積，形成多金屬結(jié)核的紋層構(gòu)造。,錳結(jié)核成礦階段及成礦模式,3.成核階段 :微生物活動(dòng)加速高價(jià)鐵、錳氧化物的不斷富集 在水沉積物界面上，好氧細(xì)菌在發(fā)育過程中逐漸消耗溶解氧，使沉積物表層的Eh值降低，在沉積物淺層造成局部還原環(huán)境的“微域”，在這里，好氧性細(xì)菌為厭氧的硫酸鹽還原菌所替代。這類厭氧細(xì)菌的代謝活動(dòng)產(chǎn)生H2S，使介質(zhì)Eh值繼續(xù)降低，固相中高價(jià)鐵、錳氧化物還原溶解的作用加強(qiáng)，又使孔隙水富集成礦元素。當(dāng)

14、孔隙水向上運(yùn)移，到達(dá)沉積物頂部氧化層時(shí)，溶解的低價(jià)態(tài)Fe、Mn等元素又被鐵細(xì)菌代謝活動(dòng)氧化沉淀，形成富含微量元素的多金屬鐵錳結(jié)核,錳結(jié)核成礦階段及成礦模式,3.成核階段 :洋底好氣與厭氣微生物參與再氧化作用 在此階段內(nèi)好氣性的鐵細(xì)菌、生金菌、錳氧化菌和嗜鹽菌等的代謝活動(dòng)加強(qiáng)，使前階段生成的懸浮狀態(tài)的氫氧化鐵及二氧化錳膠團(tuán)在液相中逐漸消失，沉淀到系統(tǒng)底部，過量的溶解物質(zhì)幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?。Fe、Mn等元素都形成高價(jià)氫氧化物及氧化物沉淀。這些難溶的鐵、錳氫氧物顆粒組成皮殼沉淀，由于這些顆粒物質(zhì)(介質(zhì)pH6)帶負(fù)電荷，它們可吸附帶正電荷的微量成礦元素Cu、Ni、Co、Pb、Zn等，形成富含微量金屬的

15、多金屬結(jié)核。,錳結(jié)核成礦階段及成礦模式,錳結(jié)核內(nèi)層及核心均分離培養(yǎng)出了許多菌種的活體，表明在結(jié)核內(nèi)部仍保存有地質(zhì)歷史時(shí)期環(huán)境中的微生物。據(jù)此可以推斷，在錳結(jié)核沉積成礦過程中，微生物始終是積極的參與者。 洋底環(huán)境存在著現(xiàn)代微生物的強(qiáng)烈活動(dòng)，進(jìn)一步證明現(xiàn)今洋底環(huán)境條件下，多金屬結(jié)核的微生物成礦作用仍在持續(xù)發(fā)生著。,在洋底水-巖-微生物生態(tài)系統(tǒng)中微生物的代謝活動(dòng)及物理化學(xué)因素的綜合作用，促使成礦元素得以階段式的氧化沉淀-還原溶解-再氧化沉淀，最終形成多金屬結(jié)核的成礦模式。,錳結(jié)核成礦階段及成礦模式,錳結(jié)核的勘查方法,90年代以前，地質(zhì)礦產(chǎn)部和國家海洋局以“海洋四號(hào)和“向陽紅16號(hào)” 船對中太平洋和東

16、太平洋海盆進(jìn)行了較大規(guī)模的調(diào)查研究，取得了極其豐富的地質(zhì)、地球物理和多金屬結(jié)核的數(shù)據(jù)資料和樣品。通過對近200萬km2面積的調(diào)查，圈定了30萬km2以上的遠(yuǎn)景礦區(qū)。,1992年和1994年，“海洋四號(hào)”和“向陽紅9號(hào)”相繼進(jìn)行了勘探，1995年，“大洋一號(hào)” 運(yùn)用多波束測深系統(tǒng)和深拖系統(tǒng)對開辟區(qū)的地形、地貌和多金屬結(jié)核的分布進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，并進(jìn)行了深海水下機(jī)器人的試驗(yàn)及開辟區(qū)內(nèi)的環(huán)境基線調(diào)查。,1999年3月5日我國登記礦區(qū)八年屆滿時(shí)，中國多金屬結(jié)核開辟區(qū)50%區(qū)域放棄工作全部順利完成。7.5萬平方公里保留區(qū)域內(nèi)的結(jié)核資源量，在目前可預(yù)期的回來率條件下，可以滿足年產(chǎn)300萬噸干結(jié)核，開采20

17、年的目標(biāo)要求。 “八五”、 “九五”期間，中國共進(jìn)行了十個(gè)航次的海上勘查。,勘查原則,在調(diào)查中采用綜合的調(diào)查方法和由概查到詳查的工作原則。 先由多頻探測或地質(zhì)取樣的區(qū)域性概查，在此基礎(chǔ)上選出結(jié)核分布的富集地區(qū)進(jìn)行加密取樣，深入詳查。運(yùn)用地質(zhì)取樣、多頻探測和深海照相等多種先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行調(diào)查。,勘查原則,測站網(wǎng)距為 7.57.5，測線網(wǎng)距大3.75 3.75。 測線布設(shè)一般力求與區(qū)域構(gòu)造線、地形走向相垂直。 C-C區(qū)構(gòu)造線主要為近東西向，因此測線走向近南北。 調(diào)查區(qū)風(fēng)浪多為北東向，有時(shí)因風(fēng)浪過大，為考慮船只的安全和調(diào)查效果，對測線方向作適當(dāng)調(diào)整。 東、西區(qū)測線以水深測量和多頻與淺剖探測為主，

18、適當(dāng)布設(shè)重力、地磁和單道地震探測。,勘查原則,測站網(wǎng)距為 7.57.5，測線網(wǎng)距大3.75 3.75。 測線布設(shè)一般力求與區(qū)域構(gòu)造線、地形走向相垂直。 C-C區(qū)構(gòu)造線主要為近東西向，因此測線走向近南北。 調(diào)查區(qū)風(fēng)浪多為北東向，有時(shí)因風(fēng)浪過大，為考慮船只的安全和調(diào)查效果，對測線方向作適當(dāng)調(diào)整。 東、西區(qū)測線以水深測量和多頻與淺剖探測為主，適當(dāng)布設(shè)重力、地磁和單道地震探測。,勘查方法,測站是用經(jīng)緯度表示的進(jìn)行地質(zhì)取樣或海底照相的位置。有時(shí)也延伸為進(jìn)行地質(zhì)取樣的一個(gè)小區(qū)域。 根據(jù)多頻探測和普查取樣資料確定測站的布設(shè)區(qū)。在結(jié)核較富集的地區(qū)布設(shè)測站，結(jié)核富集區(qū)和豐度變化較大的地區(qū)適當(dāng)加密取樣，了解結(jié)核豐

19、度變化。 測站間航線的方向一般與概查時(shí)測線方向相垂直。 每個(gè)測站取樣前，先由多頻探測預(yù)報(bào)該站結(jié)核的豐度，以便兩者對比與參考。在取樣器投放時(shí)與投放約80min后(取樣器觸地時(shí))均進(jìn)行船只定位，測水深和結(jié)核豐度，對所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理和校正，提高準(zhǔn)確性。,地質(zhì)采樣方法及設(shè)備,深海地質(zhì)采樣是指通過深海地質(zhì)采樣器直接獲取海底結(jié)核和沉積物樣 品，它是大洋多金屬結(jié)核調(diào)查的基本 方法。,吊放設(shè)備,萬米深海絞車 倒L型吊架 由液壓驅(qū)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，配有自動(dòng)排纜器、速度 計(jì)、鋼纜長度計(jì)和張力計(jì)，鋼纜的收放可以無級調(diào)速，并有應(yīng)急報(bào)警裝置和電動(dòng)、手動(dòng)剎車裝置 。,抓斗(Grab sampler),大洋50型抓斗

20、,取樣面積 ：0.5m0.5m(0.25m2) 重量：約 200 kg,電視抓斗,電視抓斗淺海試驗(yàn)成功,電視抓斗在淺海試驗(yàn)中,取樣面積： 0.5m0.5m(0.25m2) 重量：約440kg,箱式取樣器(Box corer),重力巖芯取樣器,拖網(wǎng) Chain dredge haul,箱式、管式或袋式裝置的加長，在船只慢速走航時(shí)進(jìn)行海底拖曳作業(yè)。,無 纜 取 樣 器,地質(zhì)采樣器的工作特點(diǎn),海底視像探測技術(shù),海底視像探測包括海底照相、海底電視和深施系統(tǒng)（光學(xué)系統(tǒng)）。,深海照相系統(tǒng),海底照相在測站上有兩種工作方式，一種是連續(xù)照相，另外一種是單次照相 。,連續(xù)照相：由照相機(jī)、閃光燈、聲脈沖發(fā)生器、觸發(fā)

21、器、直流電源、同步控制器及組裝框架組成。在照相機(jī)鏡頭離海底3m時(shí)，每張照片畫面最大可覆蓋3.9m2.6m的海底面積。通過控制絞車收放鋼纜，使觸發(fā)拍照的重錘接觸海底或離開海底。,單次照相：相機(jī)安裝在自返式抓斗上在相機(jī)上用1.5m的細(xì)繩懸掛一個(gè)小重錘，當(dāng)抓斗接近海底時(shí)，重錘先著地，同時(shí)拍攝一張海底照片，在照片上重錘落地的位置即為抓斗采樣的位置，故相片與抓斗采樣同域，抓斗的開口面積為0.4m0.5m，照片所覆蓋的面積約為(2m1.5m)。拍攝單次照片的目的在于驗(yàn)證和校正抓斗采樣結(jié)果 。,聲學(xué)拖體作業(yè)示意圖 光學(xué)拖體作業(yè)示意圖,聲學(xué)探測廣泛應(yīng)用于水深、地形、沉積層及多金屬結(jié)核分布情況的探測。 多頻探測系統(tǒng)探測深海底結(jié)核的粒徑和豐度，是通過聲波頻率與反射率的關(guān)系而推算出來。 大洋沉積層的聲學(xué)探測技術(shù)利用聲波在沉積層中波阻抗面上的反射進(jìn)行勘探，即利用反射波法地震勘探。常采用的勘探方法是：多道地震調(diào)查、單道地震調(diào)查和淺層剖面調(diào)查。,聲學(xué)探測,旁側(cè)聲納技術(shù),旁側(cè)聲納技術(shù),反射波法的地球物理研究系統(tǒng),調(diào)頻淺層剖面儀,Seabeam2112多波束測深系統(tǒng),多波束測深系統(tǒng)工作示意圖,深潛器具,我國研制的7000米載人深潛器,Sigsbee Sounding Machine - invented by C