深海世界里的山脉与资源

唐立梅 陈灵 王嵘

热液喷口周边的生物群落

在广袤的蔚蓝色海洋深处，海底地形是怎样的呢？它是否与陆地上一样，有山川、高原和盆地吗？是的，在距离大洋洋底2000～3000米处，有一条像“巨龙”一样蜿蜒的巨大山脉，它就是“洋中脊”。在不同的大洋，它的形态是不一样的：在太平洋，它的位置偏东，称为东太平洋海隆;在大西洋，洋中脊呈“S”形，与两岸近于平行，向北可以延伸到北冰洋;在印度洋，洋中脊分为3支，分别为西南印度洋脊、西北印度洋脊和中印度洋脊，呈“入”字形。三大洋的洋中脊在南半球互相连接，总长达6.5万千米。在洋中脊中央的裂谷处，不断有来自地球深部的岩浆上涌、冷却，形成底部新的洋壳，并不断地向两侧扩张推移。

海底除了洋中脊这条“巨龙”之外，还有很多不同规模的海山，它们分布在板块的内部，被称为“板内海山”。它们有的呈链状，有的呈不规则分布。链状海山中最著名的要数夏威夷-皇帝海山链。它有6000千米长，且年龄呈线性分布，也就是说，海山的年龄是由老到新逐渐变化的。

对夏威夷-皇帝海山链成因的研究，催生了“热点”假说。1837年，达尔文第一次注意到洋岛常常呈链状存在。之后，达纳在1849年发现这些火山链只有一端是活跃的，另一端却逐渐被侵蚀、变老。他认为夏威夷群岛西部存在被淹没的岛屿，但这些岛屿直到1946年才被赫斯发现。1963年，威尔森根据太平洋、大西洋和印度洋中一些火山岛屿和海山具有线状分布特征以及喷发年龄顺序变化的现象，提出了“热点”假说。他认为这些热点相对静止，所以当岩石圈板块漂移经过这些“热点”时就形成了链状火山岛屿。这一结论是板块运动学的有力证据之一，同时也使“热点”成为了研究板块运动的方向与速度的参考系。夏威夷-皇帝海山链作为“热点”假说存在的重要证据，以其完美的曲线被认为指示了太平洋板块的绝对运动方向。

那么，这里提及的“热点”是什么呢？大家可以把它想象成火苗，把地球的表层想象成一块木板。当木板在火苗上方缓慢移动的时候，木板会被烧出一个个洞，这时候下方如果有物质涌出的话，就会形成一个个小山包，海山就是这样形成的。换句话说，海山就是地球内部的热岩浆喷涌到海水中冷却形成的。海底除了有呈链状的大型海山链之外，还有许多不规则的小型海山的存在，它们的具体成因还有待科学家们进一步的研究。

在洋中脊和海山上，分布着2种资源，它们分别是多金属硫化物和铁锰结壳。

洋中脊的资源——多金属硫化物

多金属硫化物，也称热液硫化物，是一种含有铜、锌、铅、金、银等多种元素的重要矿产资源，主要出现在大洋中脊和断裂活动带上。海水从地壳裂隙渗入地下，遇到熔岩被加热，热液溶解了周围岩层中的金、银、铜、铁、锌、铅等金属后从地下喷出。这些金属经过化学反应形成硫化物沉积在附近的海底，形成上千吨至上亿吨的块状海底矿床。海底热液在喷出的过程中还可形成像烟囱一样的奇特景观。通过“黑烟囱”喷出的热液富含铜、铁、硫、锌和少量的铅、银、金、钴等金属以及其他一些微量元素。当这些热液与4℃的海水混合后，原来无色透明的溶液就成了黑色的金属硫化物溶液。这些物质往上喷涌时，会像天女散花一样从烟柱顶端四散落下，沉积于烟囱的周围，从而形成高质量的矿物堆。

海底热液黑烟囱

全球洋中脊分布图（红色）

科学家曾这样描绘“海底热液硫化物实景”：全球大洋底长达6万千米的大洋中脊首尾相接，其上不断有浓密的黑烟（热液）喷发，形成了无数的金属硫化物“黑烟囱”，然后它们又不断地生长坍塌，形成了海底矿床。这一过程持续的时间很短。一般来说，从一个“黑烟囱”开始喷发到最终“死亡”，只要十几年到几十年，不过在这么短的时间里，它却可以累积造矿近百吨。原因就在于“黑烟囱”是通过化学作用造矿的，这就大大缩短了成矿的时间。而且，这种矿基本沒有土、石等杂质，都是些高质量的多种金属的化合物，只要稍加分解处理，就可以被利用。相较而言，人类陆上开采的石油、煤、铁等矿产，却要经历若干万年才能成矿。

据估算，海底热液多金属硫化物矿床约为1000个，其中有多处热液点的预测资源量达到百万吨级以上，总资源量约为6×108吨，其中铜、锌、铅金属含量约为3×107吨。

2007年，我国在西南印度洋中脊上发现了首个活动的热液喷口—龙旂热液喷口，这也是国际上首次在超慢速扩张洋中脊上发现的活动热液喷口，具有重要的科学意义。2011年，我国与国际海底管理局签订了国际海底多金属硫化物矿区勘探合同，我国在该区具有专属勘探权，合同矿区位于西南印度洋中脊，面积为1万平方千米。

“热点”模型示意图

海山上的资源——“铁锰结壳”

与洋中脊的“黑烟囱”不同，海山上存在的矿产资源主要为铁锰结壳。铁锰结壳是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，富含锰、钴、铂、稀土等金属元素，因钴含量是多金属结核的3倍左右，故又名富钴结壳。

铁锰结壳矿床遍布全球海洋，集中在水深800～3000米的海山、海脊和海台的斜坡及顶部。铁锰结壳的分布以太平洋最广、最多，特别是西太平洋，海山多，结壳品位较高。它赖以生长的基质有玄武岩、玻质碎屑玄武岩及蒙脱石岩，其主要生长期可能是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、莱恩群岛海岭和马克萨斯海台等地都发现了它的踪迹，其资源远景巨大。

铁锰结壳的金属钴含量可高达2%，是陆地最著名的含钴矿床中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。据不完全统计，太平洋西部海山区铁锰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。2014年4月，中国大洋协会与国际海底管理局正式签订了国际海底铁锰结壳矿区勘探合同，在国际海底区域获得了3000平方千米具有专属勘探权的铁锰结壳矿区。矿区位于铁锰结壳资源分布最为富集的西太平洋海山区域，由150个20平方千米的区块构成。

中国结壳勘探合同区位置图

但如果要开采的话，为了保护海山上的生态环境，需要对海山生物群落的性质进行更多研究，以便获取可靠的依据，就结壳勘探和采矿造成的环境问题提出建议。位于同一深度的两座海山也可能有完全不同的生物组成。2013年9月，在利用“蛟龙”号对我国富钴结壳勘探合同区的采薇海山进行调查时，就采集到了多种以前从未获得过的生物，如寄居蟹、玻璃海绵等物种，这都需要我们进一步地调查研究，以便能在开采时更好地保护这些海山上的生物群落。

多金属硫化物样品

鐵锰结壳样品