我们最近在皇家学院拟订了一项海洋矿物资源计划。我们的目的有两个：第一，我们打算对海洋矿物资源的性质、发生及发展过程作一个基本研究；第二，我们要设法发展一些寻找和开采海底矿床的新方法。这项计划涉及面广，它涉及到地质学、矿物资源工程学和土木工程学等学科，预计在工作进展中还会涉及到其他学科。

虽然一个多世纪以前，英国“挑战号”探险舰就发现海底蕴藏着各种矿物，但各国对开发这些海底矿床产生极大兴趣还是在二次世界大战以后。在二十世纪五十年代，以加里福尼亚斯克莱布斯（Scripps）海洋研究所为主的船队在海底发现了大片锰结核，这一发现促使人类对这些矿床进行很有价值的研究。使H. W米奈德、G. 阿伦尼亚斯和E. D. 哥德勃德以及整个斯克莱布斯海洋研究所这些早期工作者感到自豪的是，目前公开利用的这些矿床资料大部分是由他们经过艰辛工作取得的。这些令人兴奋的早期发现，激励人类关注和开采渐渐产生兴趣的太平洋结核，其他大洋中的锰结核最近也面临同样的情景。然而，开采结核的经济和政治条件在此期间发生了变化。金属的价格已经开始下跌，各国协力一致经联合国出面把不属于各国领土的矿床统统纳入国际管辖之内。因此，促使于1982年提出的监督各国提取海洋矿物的国际海底权力由商业组织移交给了联合国，同时对其他洋底的矿物的兴趣也有所增加。首先是近岸矿床，如“砂矿”和“磷灰岩矿”。对于沿海国家来说，这些矿床均分布在200英里内的专属经济区。其次是最近研究揭示的洋中脊“黑烟（black smoker）”和从“黑烟”中沉淀成的富集金属硫化物的矿床。这些矿床下面都要描述到。由于这项工作的结果，现在搞清了一系列海底矿物，每一种矿物在不同时期都有希望满足人类的不同需要。

锰结核作为一种矿床主要贮存在深海区。这些富集氧化锰的土豆形集结物出现在大部分深海海底，然而集结物的成分因地而异变化很大，只有少数地区确实富含锰、镍、铜和钴以及激起人类兴致的可能有经济价值的其他金属。据认为，使结核成为其有可开采价值的经济资源的是镍、钴和铜这些最有价值金属占3%左右的混合物。这一品位的结核贮存最为丰富的主要地区在赤道东北方向的太平洋，这儿一直是研究海洋矿物资源的主要工作区。然而，成分相近的结核在南太平洋、西太平洋及印度洋中部也存在。印度科学工作者正在印度洋对结核进行大量的分析研究工作。长时期以来，高品位结核一直被认为只出现在远离陆地的地区，但最近在南太平洋一些不发达小岛国200英里专属经济区内也有了令人兴奋的发现。这些矿床本身属于邻近群岛，如果岛上的人民用此进行商业贸易收益一定很大，这就有可能敦促联合国就这些群岛的利益在这些地区发展一项联合深入探查的计划。

与锰结核类似的最近在太平洋已经受到关注的另一种矿床就是所谓富含钴的锰壳。锰壳的整个组分与锰结核相近，但比品位最高的结核含钴丰富（约占2%）而含镍和铜低。钴是一种具有战略价值的金属，不过从陆地矿山获取很有限，因此这些海洋锰壳矿床可为将来选用金属提供一种资源。与结核不同，锰壳松散地伏卧在海底，漂浮在岩石露头上面达好几厘米厚。锰壳存在的深度要比大部分结核浅，在4500米以下锰结核最丰富，而品位最高的锰壳矿床却出现在不到2000米深的海底。在太平洋，2000米的深度常常与海底山（从深海海底升起的海底山，一般都形成山链）有联系。有时，海底山一座或几座冲出海面形成岛屿，这些锰壳矿床恰恰就贮藏在岛屿下面的海底和岛屿200英里专属经济区以内的相邻海底山上。与在太平洋附近一些岛上发现品位高的结核一样，富含钴的锰壳的发现正在激励人类对此做大量的研究工作。锰壳的分布任何地方也比不上夏威夷群岛广泛。夏威夷群岛正好是的海底山链一端的顶峰，横穿从西直到中途岛1500英里左右的太平洋，全部位于美国专属经济区内。

寻找高品位矿床

研究锰结核和富含钴的锰壳是我们海洋矿物资源计划的一个组成部分。笔者和安杰伍（Andrew）在皇家学院确立这项计划之前调查分析了这些矿床，勾画出了可能具有经济利益的范围。我们的调查结果有助于解释这些矿床的起因。在我们所调查的区域，高品位结核矿床的形成很可能是由于生物体或有机物吸收海水中的锰和其他金属死后其残骸迁移到海底的结果。在那儿，由于有机物的蜕变作用致使被吸收的那些金属释出在泥粒之间的孔隙水中，而后渐渐集结在一起。通过由沉积物中有机物产生的复杂的化学作用，锰和其他金属向集结物中心迁移并密集形成锰结核。这是成岩作用的一个实例、是沉积物沉积不久低温作用就开始产生影响的一种典型实例。这项理论为以下事实所证实：成岩塌崩作用再活化了的含金属最多的结核区大部分出现在富含有机物的地表水域下面，因此有机物在这里从海水中吸收到的金属量很高。沉没在这些水域中的有机物残骸量足以为结核提供有价值的金属。发生在海底的有机物蜕变作用能驱使导致金属向结核中富集的作用发生。

富含钴的锰壳其形成方式与锰结核则全然不同。根据我和艾甫林（Aplin）最近在莱恩群岛（太平洋夏威夷东南方向的一组群岛）上的工作情况来看，无机作用在导致钴富集于这些矿床方面的重要性已经突出出来。钴含量最高的矿床出现在1500米左右的深度，是由氧化锰从海水中选择性吸收钴造成的。这些矿床中的最大钴富集好像与“溶解氧含量最低”海水的深度有关，利用这一关系常可以在另外一个地方发现富集钴的锰壳。这些矿床中出现钴含量最高的情况看来与每公升只含0.09 ~ 2.2毫升溶解氧的而又富含锰的水的深度有关。因此，通过描述别的这样的地区就能预测出含钴量最高锰壳的分布地段。根据已取得的资料认为发育良好的最低含氧带主要局限在太平洋南10° ~ 15°的北部地区，因此在这些地区的海底山链上最有利于找到富集钴的锰壳。

矿床评价和采矿计划

尽管开采锰结核和锰壳是将来遥远的事情，但现在对开采这些矿床的基础工作正在进行。这项工作也是我们目前的海洋矿物资源计划的项目之一。在类似于典型矿山工地的海底评价锰结核组分和丰度区域性变化的条件是一种尝试。将来供开采锰结核用的工地实际大小将取决于某些因素，但据认为45，000平方米左右的面积是比较合适的。大家熟悉的富含金属的结核无论分布在这样大小面积海底的任何地方，它们的丰度随其组分的变化而广泛变化（往往要超出几千米到几百米）。为了找寻正确评定引起这种变化的原因，我们正在东太平洋的九个水域（每个水域的大小差不多相当于一个矿山工地）调查锰结核的品位、丰度及有关一些参数。经取得的调查结果表明，诸如坡度、正在积累的沉积物总量以及底流强度之类的都是影响结核在海底分布和组成的因素。我们希望最终的结果能使我们发展一种适用于将来评价锰结核矿山工地的预告模型，利用它在详查前就能排除海底无开采价值区。这当然也就减少了完全评价锰矿床时所必需例行的耗费人力物力的检查工作总量。

专属经济区内容的颁布不只影响到了锰结核和锰壳的研究，许多国家对可能出现在他们海岸线200英里以内的任何矿也正显示出兴趣。两种主要矿床就出现在近岸附近水域内的海底：磷矿床和砂矿床，它们都正好蕴藏在这片海底下面，与邻近陆地上的矿床相近。磷灰岩是磷占14%的钙磷酸岩矿，可用作化学肥料。磷灰岩大量出现在靠近大陆西部边缘一带，这一带是富含磷的冷水上升到海面以维持大量微生物生存的水域，微生物死后下沉到海底析出的磷，在海底逐渐积累结集成磷灰岩矿。大部分砂矿矿物很坚硬，是高致密矿物，它们是由河流从邻近地面岩石上侵蚀下来后被搬运到海里的。由于海波和海流的作用渐渐胶结在一起，常常形成大型矿床。比较明显的实例如亚洲东北部附近的锡砂矿，阿拉斯加附近一带的金矿，靠近印度和斯里兰卡一带的含有钛、锆等重矿物的矿。

有经济价值的矿床贮藏在欧洲专属经济区内的可能性、敦促欧洲共同体委员会与英国皇家学院和雅典地质矿物调查学会签订联合探查希腊沿海附近可能成矿作用的合同，以及皇家学院单独探查康沃尔一带附近锡的成矿作用的合同。由于希腊几个沿海地区自古以来一直经受着不断的开采，毫无疑问其中一些矿脉肯定从海底延伸出来了。另外，根据调查了解到，流经希腊北部矿藏丰富地区的几条大河把砂矿矿物输送到北爱琴海，其中一部分矿物有可能形成具有开采价值的矿。皇家学院的海洋矿物资源计划包括探查靠近希腊的两个地区。第一个就是离希腊南部索尼恩（Sounion）不远的地区，这里陆地上的铅、银矿有2000多年的历史。然而，在这一地区的海底下面找到类似矿床的可能性被海底上面的许多铅、银等陆相沉积物复杂化了，这些陆相沉积物是从陆地上的旧矿山开采区冲刷下来的，结果在指示海底下面可能存在铅、银矿的沉积物中造成一种假化学信号。类似的情况也出现在康沃尔附近，在这儿指示海底锡矿化可能存在的化学信号被从陆地旧锡矿堆迁移来的锡搞乱了。然而，由于这里的旧矿堆把如此多的锡提供给海岸沉积物，因此开采海岸沉积物中的锡矿实际上正好是开采旧矿堆本身。

从海底下面提取矿物

爱琴海北面不存在这样的问题，那里富集钛、钴和铬等矿物是有意义的矿床，它们的分布好像完全是自然的，并与由从希腊北边主要河流排来的沉积物流量有关。一旦在国家专属经济区内发现具有开采价值的矿床，就得设法设计出提取海底矿产的方法。挖掘只能用于伏卧在松散海底上面的矿床，如果矿床贮藏在海底下面就得靠打钻。当然，若把钻打入海底本身就造成了采矿面被海水淹没的问题，要克服这个困难，就得靠从附近陆地横穿过来的驱动轴来开采海底下面的某些矿；将来的建议包括建造采矿作业人造岛。调查怎样使用新技术开采海底下面的矿也是我们海洋矿物资源计划的项目之一，这包括对作业平台适用于开采近海石油或天然气的评价。对应用于开采海底矿床的不同开采系统作比较就是其中一部分。毋庸置疑，在大陆架区海底下面特别是附近陆地有矿化的海底下面确实存在着有意义的矿化作用，然而如何从海底下面提取矿产却是一个令人伤脑筋的问题。

由法国和美国科学家在二十世纪七十年代首先发现的黑烟和从黑烟中沉淀下来的金属硫化物，就目前来说，科学价值高于经济利益，但从长远看它们的经济潜力却很大。它们是由海水渗透海底刚形成不久的热火山岩所形成的热液沉积成矿的。海水与热岩作用并从热岩中滤、取金属，然后以黑烟的形式上升到海底。黑烟是由非常细小的矿物颗粒组成的，随着热液与冷海水的混合，这些矿物颗粒就沉淀凝聚在一起。在实验室将硫化氢气体成泡吹过含铁咸溶液，可以产生相似的效果。最早从黑烟中沉淀出的矿物是铁、锌和铜的硫化物，这些热液矿物建起了由它们组成的烟囱状结构，热液正是通过这样的烟囱不断排放出来的。接着沉淀凝结出来的主要是硅酸铁、氧化铁和氧化锰，在这一过程中释放出来的热由于热液的性质产生了为维持生命而依赖于热液活动的有机物群体。潜水寻找这些有机物群体有助于确定热液涌出中心和矿床的位置。

迄今为止发现的“黑烟”矿床都出现在正在创造新海底的地方，也就是大洋扩张中心，它们常常具有像洋中脊这样的隆起特征。这里的某些热液矿物由于海底附近水流的作用有移动变快、大面积分散的趋向。像氧化锰等一些迁移能力极强的沉淀物确实能在距其发源地几百公里远的地方沉积成矿。类似的矿床出现在红海亚特兰特斯（the Atlontis）Ⅱ海渊，这就是扩张中心占据的海底凹陷地，因此热液矿床比较集中。在海底俯冲区上方形成的有火山活动的岛弧为热液矿床集中提供了理想的环境。凡是在这些岛弧内形成的矿床都聚集在凹陷地和天然深盆地里面。

我们在位于太平洋西南方向上的包括汤加群岛和克马德克群岛在内的岛弧上对热液矿物的潜在性做了广泛调查。以分布比较广泛的与海底热液活动有关的某些金属如锰等的分布情况为基础，初步查清了海底热液矿物可能出现的两种背景：一种出现在隆起的火山结构之上；另一种出现在火山弧后面的海底盆地里。这些海底盆地里面包含存富集锰的沉积物，与亚特兰特斯Ⅱ海渊里面硫化物矿床周围的相似，因此硫化物贮藏在这些海盆地里面的可能性比较大。更进一步说，我们希望根据在太平洋西南方向上的岛弧盆地里对最大火山活动区所做的详细研究能确定出硫化物矿的贮藏区。事实上，这样的地区大部分都处在太平洋诸岛国的专属经济区内，由此正在激起勘探的热潮。

[New Scientist，1985年6月]