书城自然科学海之馈赠:海洋资源大观
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第17章 深海珍宝: 海底矿产资源(2)

海绿石生成于海底,是含水的钾、铁、铝硅酸盐矿物。海绿石中的氧化钾含量为4%~8%,二氧化硅、三氧化二铝和三氧化二铁的含量约占75%~80%。

海绿石颜色非常鲜艳,看上去有的是浅绿,有的是黄绿,还有的是深绿色。它的大小如砂粒,若在放大镜下观察,形态各异,有粒状、球状、裂片状等。它的表面带有光泽。它的硬度很低,没有磷钙石那么坚硬。

海绿石是提取钾的原料,也可以用作净水剂、玻璃染色剂和绝热材料,在轻工、化工和冶金工业方面有广泛用途。海绿石和含有海绿石的沉积物还可以用作农业肥料。

海绿石的分布水深范围变化很大,从30米到3000米水深都有发现,但是大多数集中在100~500米的区域。在大陆架、大陆坡的上部,以及个别海湾和深海海底沉积物中,都是海绿石的“家”。在许多地区的黏土、含砾石沙、生物贝壳、有孔虫沙、放射虫沙和抱球虫泥中海绿石特别富集。

海绿石的形成也是比较复杂的,大致说来也与化学作用和生物沉积有关。

据分析,一些海绿石的生成与生物作用有关。海洋生物排泄出来的粪便、黏液和黏土胶结在一起形成粪球,构成了海绿石的原始物质。根据X射线、电子探针和电子显微镜观测分析,先是由粪球变成粒状海绿石,然后由于膨胀作用,再使粒状海绿石变成各种形状的海绿石。

还有一些海绿石是由黏土物质变成的。生活在海洋中的有孔虫和抱球虫死亡后,遗体下沉海底,絮胶状或碎屑黏土物质灌到贝壳里面,成为海绿石的原始物质。起初这种黏土主要成分是高岭石矿物,颜色很浅,含钾量很低,后来高岭石中的铝逐渐被铁替换,并失去了水,增加了钾,颜色也随着变深。最后,海绿石颗粒从贝壳中脱离出来,颜色变得更绿了。美国大西洋沿岸大陆架,南非大陆边缘和中国东海大陆架的多数海绿石都是这样形成的。

正是由于海绿石的成因各异,各海域环境也不同,因而海绿石在海底沉积物中的含量也就存在着地区差别。从已调查的几个海绿石富集区看,海绿石在海底沉积物中的含量多数占30%~50%,高的可达95%。例如,非洲西部沿岸和美国加利福尼亚岸外的某些海区,沉积物中海绿石的含量高达85%~95%,而美国大西洋沿岸的大陆边缘,含量却在30%以下。

除了上述地区外,南非沿岸和澳大利亚近海、摩洛哥、几内亚、日本、新西兰、菲律宾、葡萄牙、英格兰,以及南千岛群岛周围海域,均有广泛分布。中国的黄海、东海海域也有发现,但含量不高,东海大陆架的外部沉积物中海绿石的含量为5%,台湾浅滩某些地方含量较高。海底的“黑烟囱”:海底热液矿床

1974年7月,美法两国的调查船分别载着法国的“西亚纳号”“阿基米德号”,和美国的“阿尔文号”潜水器。调查海域选在大西洋亚速尔群岛西南,北纬36°30′~37°附近的大洋裂谷带,该地区被称为法摩斯区。该区具有典型的大洋裂谷特征,水深在3000米左右,适宜于参加调查的潜水器的作业水深。

1974年7月10日,“西亚纳号”载着两名驾驶员和一名科学工作者离开母船,由两名潜水员护卫,徐徐沉入幽暗的大洋深处。“西亚纳号”不断向洋底挺进,乘员们透过观察窗,看到洋底就像到处散布着被打破的鸡蛋,流出像蛋黄似的东西,它们千姿百态,有的像一块薄板,有的像圆锥体,有的像一卷卷棉纱,有的像绳子。这奇异的景观,并不是一般的海底泉流,这就是被科学家称为的海底热液矿床。

海底热液硫化物就像海底的金属“温泉”,它像地表的温泉一样,但流出来的不是水,而是金属硫化物液流。科学家把这一现象称为“黑烟囱”。

科学家们经过考察证实海底“黑烟囱”的形成与海底火山运动有关:从“黑烟囱”中喷出的“黑烟”其实就是海底火山口喷出的金属硫化物,而“黑烟囱”则是由金属硫化物不断沉积而成。比发现“黑烟囱”更令科学家吃惊的是,在“黑烟囱”附近的高温、高压、没有阳光和氧气的海域,竟然栖息着各种各样奇怪而简单的生物,包括管虫和块头很大的蛤类,还有螃蟹、鱼虾、海贝、沙毛虫,以及一些不知名的海洋生物。状如郁金香的管状蠕虫长约3米,它们既没有嘴,也没有眼,甚至连消化系统也没有。它们只是把白色的管腔固定在岩石上,依靠身体来过滤海水中的养分。

海底热液矿床是近年来颇为引人注目的深海资源,在世界大洋水深数百米至3500米处均有分布,主要出现在2000米水深处的大洋中脊和地层断裂活动带,是一种具有远景意义的海底多金属矿产资源。主要元素为铜、锌、铁、锰等,另外银、金、钴、镍、铂等也在一些地区达到工业品位。从海底热液矿床的产出及开采看,它与锰结核或钴结壳相比,具有水深浅、矿体富集度大、易于开采和冶炼等特点。据悉,我国在大洋调查中,也发现了海底热液矿床。

海底温泉,不但养育了一批奇特的海洋生物,还能在短时间内,生成人们所需要的宝贵矿物。那些“黑烟囱”冒出来的炽热的溶液,含有丰富的铜、铁、硫、锌,还有少量的铅、银、金、钴等金属和其他一些微量元素。当这些热液与4℃的海水混合后,原来无色透明的溶液立刻变成了黑色的“烟柱”。经过化验,这些烟柱都是金属硫化物的微粒。这些微粒往上跑不了多高,就像天女散花从烟柱顶端四散落下,沉积在烟囱的周围,形成了含量很高的矿物堆。人们过去知道的天然成矿历史,是以百万年来计算的。现在开采的石油、煤、铁等矿,都是经历了若干万年后才形成的。而在深海底的温泉中,通过黑烟囱的化学作用来造矿,大大地缩短了成矿的时间。一个黑烟囱从开始喷发,到最终“死亡”,一般只要十几年到几十年。在短短几十年的时间里,一个黑烟囱,可以累积造矿近百吨。而且这种矿,基本没有土、石等杂质,都是些含量很高的各种金属的化合物,稍加分解处理,就可以利用。这是科学家在海底温泉的重大发现。

这种海底温泉多在海洋地壳扩张的中心区,即在大洋中脊及其断裂谷中。仅在东太平洋海隆一个长6千米、宽0.5千米的断裂谷地,就发现十多个温泉口。在大西洋、印度洋和红海都发现了这样的海底温泉。初步估算,这些海底温泉,每年注入海洋的热水,相当于世界河流水量的1/3。它抛在海底的矿物,每年达十几万吨。在陆地矿产接近枯竭的时候,这一新发现的价值之重大,就不言而喻了。

对热液矿床的研究,解决了困扰地质学家们很久的难题,就是陆地上多金属矿床是如何形成的。原来热液矿床就是陆地多金属矿床的前身,只是由于地壳的运动,本来位于深海的热液矿床被抬升成为大陆的一部分。这类热液矿不仅对成矿理论具有重要价值,它本身就是正在形成着的活金属矿床,是一个宝藏。

其实1977年深海热液发现所引起的轰动,原因还不在矿物,而在生物。上面所说的“黑烟囱”,如果在扫描电子显微镜下放大观察,就可以看到表面上密密麻麻地布满着细菌。这些细菌靠热液带出的硫进行化合作用制造有机质,和我们习惯的靠光合作用产生的生物有着根本的区别。热液区生物的密度比周围的深海海底高出1万倍到10万倍,可以比作沙漠中的绿洲。

“万物生长靠太阳”,通常我们接触的生物确实是依靠太阳辐射,通过光合作用制造有机质。而深海热液生物群最大的独特之处在于不靠太阳,是“万物”以外的另一类生命。它们在深海没有光线和高温条件下形成生物、制造有机质,属于另外一种生物世界。

深海“黄金”:海底基岩矿

基岩矿产是指埋藏在海底表层下面岩石中的各种矿产。它既包括陆缘海底基岩矿产,也包括深海海底的基岩矿产。其种类很多,有煤、硫、石灰岩等非金属矿产,也有铁、锡、铜、镍等金属矿产。

近岸带和大陆架浅水区埋藏的基岩矿产,多是大陆上矿脉的延伸。因此,陆上发现的矿产都可以在浅海海底找到。开采海底岩石的矿产,一般采用两种办法:一是从陆地开掘巷道,一点一点地向海底矿藏区掘进;二是建立人工岛开竖井采掘。这样,只能限制在离岸边不远的海域作业,而且开采的是具有特殊价值或规模巨大的矿藏。

用地下采矿法开采海底基岩矿产已有悠久历史。最早是英国。17世纪20年代,英国人在苏格兰浅水区建起人工岛,开掘竖井采煤;18世纪末,英国又在康沃尔开采海底锡矿。现在,澳大利亚、英国、美国、日本等13个国家,在近岸100多个海底矿区里开采煤、铁、锡、镍、铜、金、汞和石灰岩等矿产,其中主要是煤和铁。有些大型海底矿区可在海面以下90~2600米,离岸距离8000米。

英国、日本、智利、加拿大等国,是开采海底煤矿最多的国家。日本的海底煤储藏量大约有43亿吨,占全国总储量的20%。1972年,日本从海底开采出原煤2698万吨,占当年日本全国煤产量的40%。苏格兰沿海的一些煤田已延伸到海底,并已探明了5.5亿吨优质煤的储量。智利的海底煤田储藏量占全国总储量的1/3。俄罗斯的东北部大陆架、美国阿拉斯加大陆架,澳大利亚东南和中国台湾近海也发现一些规模巨大的海底煤田。中国台湾省的橙基采取陆上巷道的方式开采海底煤矿。该煤矿的煤层0.3~3米厚,开采深度0~450米,离岸最大距离2700米。日本的九州煤矿,煤层距岸边约7000米,海水深度15米,采用的是人工岛竖井开掘,即在岸边修建一座水泥桩栈桥一直通往煤矿区的上面,再用泥沙和水泥填起一个人工岛屿,再在上面开掘竖井到煤层,然后向两边开拓平巷采煤。采用人工岛竖井开掘方法,主要特点是开掘平巷非常短,大大地节省了掘进和维护费用;矿石地下运输距离短。但是,该法最大的问题是修筑人工岛费用太高。如果水深时,修筑人工岛难度会更大。

海底铁矿,目前只有很少几个国家进行开采。加拿大纽芬兰岛的康塞普申湾有著名的大型海底铁矿,估计储藏量有40亿~200亿吨,现已探明20亿吨,其中可采量为12亿吨。早在20世纪50年代,加拿大就在这里的海底500米深处作业。法国也在开采大西洋沿岸诺曼底半岛近海的磁铁矿,以及芬兰湾的脉状磁铁矿和夕卡岩磁铁矿。瑞典在波罗的海也发现海底铁矿。

世界上第一个海底硫矿,是1949年在美国格兰德岛外13千米处钻探石油时发现的,矿层最厚达130米,平均含硫15%~30%。目前美国每年从浅海基岩中开采自然硫2000万吨,占全国产硫量的15%;路易斯安那州近海的两个大型盐丘也正在生产硫黄和盐矿。1971年英国约克郡的海底钾盐矿业已投产。在澳大利亚西海岸外也发现钾盐矿层。有些地区的盐矿埋藏于更深的海底,如地中海、红海和墨西哥湾的深水区,蕴藏的盐层厚度达几千米以上。

海底基岩矿藏中的硫和岩盐的开采与煤、铁的开采不同。它们是通过钻井,先将加热的水或蒸汽注入矿层,使盐、硫等物质溶解,然后再抽上来进行回收。因此,在距岸较远的大陆架和大陆坡深水区,也能进行大规模开采。据探明,盐矿是一种储量十分可观的基岩矿产。在西非岸外、北海和墨西哥湾,已发现大量盐丘构造。在盐丘的表面常常有丰富的石膏,由于细菌和碳氢化合物的作用生成硫化氢,当硫化氢上升过程中,遇到向下渗透的、含有溶解氧的地下水时,就会被氧化成自然硫。