結核的礦物性質

多金屬結核是1868年首先在西伯利亞岸外的北冰洋喀拉海中發(fā)現(xiàn)的。1872-76年英國“挑戰(zhàn)者”號考察船進行科學考察期間，發(fā)現(xiàn)世界大多數(shù)海洋都有多金屬結核。

多金屬結核又稱錳結核，系由包圍核心的鐵、錳氫氧化物殼層組成的核形石。核心可能極小，有時完全晶化成錳礦。肉眼可見的可能是微化石（放射蟲或有孔蟲）介殼、磷化鯊魚牙齒、玄武巖碎屑，甚至是先前結核的碎片。殼層的厚度和勻稱性由生成的先后階段決定。有些結核的殼層間斷，兩面明顯不同。結核大小不等，小的顆粒用顯微鏡才能看到，大的球體直徑達20多厘米。結核一般直徑在5到10厘米之間，大小如土豆。表面多為光滑，也有粗糙、呈橢球狀或其他不規(guī)則形狀的。底部埋在沉積物中，往往比頂部粗糙。

結核位于海底沉積物上，往往處于半埋藏狀態(tài)。有些結核完全被沉積物掩埋，有些地方照片沒有顯示任何跡象，卻采集到結核。結核豐度差別很大。有些地方結核鱗次櫛比，遍布70％的海底。但一般認為，豐度須超過每平方米10公斤，在不足一平方公里范圍內，平均豐度要達到每平方米15公斤，才具有經濟價值。結核在不同深度海底都存在，但4,000至6,000米深度賦存量最豐富。

化學成分因錳礦的種類和核心的大小和特征不同而異。具有經濟價值的結核主要成分為錳（29％），其次為鐵（6％）、硅（5％）和鋁（3％）。最有價值的金屬含量較少：鎳（1.4％）、銅（1.3％）和鈷（0.25％）。其他成分主要為氧和氫，以及鈉和鈣（各約1.5％）、鎂和鉀（各約0.5％）、鈦和鋇（各約0.2％）。

結核的形成機理

各類結核是如何形成的？這方面有好幾種理論。兩種較為流行的假說是：

水成作用成因：金屬成分緩慢從海水中析出，沉淀形成結核體。據(jù)認為，水成結核的鐵、錳含量相仿，鎳、銅、鈷品位相對較高。

成巖作用成因：沉積柱內的錳重新活動，在沉積物/水界面析出。此種結核錳含量豐富，但鐵、鎳、銅、鈷含量較少。

提出的其他形成機理有：

熱液成因：金屬來自與火山活動有關的熱液；

海解成因：金屬成分來自玄武巖碎屑的分解；

生物成因：微生物的活動催化金屬氫氧化物析出沉淀。

在結核形成期間，上述成因可能有幾種是同時或相繼發(fā)生的。具體而言，不論結核的成因為何，有幾個因素是共同的：

結核形成需要低沉積速率或在其沉淀積聚之前有某種刷除沉積物的過程。這樣，結核體在被埋藏前得以增長——否則被埋藏后就難以具備發(fā)展所必需的條件。

浮游生物積聚了銅、鎳等微量元素，在其死亡后沉降到海底的有機物可能為組成結核的金屬來源之一。

海水中的錳主要來自熱液噴口（熱泉）；熱液從洋殼裂縫上涌時，錳從底層的玄武巖中瀝濾出。

微生物活動進一步促進了結核的凝聚過程。

結核的生長是最為緩慢的一種地質現(xiàn)象，數(shù)百萬年才增長1厘米左右。因此，太平洋的結核年齡在二、三百萬年之間。但據(jù)報導，在第一次世界大戰(zhàn)期間沉毀的艦船附近，鐵錳結殼迅速形成。這可能有助于理解結核成分的來源及其凝聚方式。結核形成緩慢，則成因可能是水成或成巖作用；結核形成較快，則其金屬來源應不是海水和沉積物。就后一種情形而言，熱液成因，甚至海解成因較為可能。

應加解釋的另一個問題是：沉積速率比結核增長速率高得多，結核為什么還繼續(xù)留在表層之上？即使是殘余放射蟲軟泥，平均沉積速率也有每千年數(shù)毫米。因此，結核應當埋藏在數(shù)米深的沉積物之下。一種猜想是，食底泥的底棲生物（多毛類環(huán)節(jié)動物或益蟲）清除結核上最新積聚的顆粒物，將其拋在結核旁邊，甚至置于結核之下，從而使結核不至被埋藏。

結核的地理分布

所有海洋，甚至大湖中，都發(fā)現(xiàn)有結核。不過，具有經濟價值的結核區(qū)分布有限。工業(yè)勘探者選定了三個地區(qū)：東北太平洋克拉里昂-克利珀頓斷裂區(qū)、東南太平洋秘魯海盆和北印度洋中心。

這些地區(qū)海底水深4,000至5,000米不等。海底地形由深海丘陵構成，沿海洋洋殼斷崖呈南北走向延伸。洋殼從洋中脊向外擴張，玄武巖斷裂之處形成斷崖。洋殼移離洋脊，逐步為沉積物所覆蓋。因此，在西經120度至155度間，自東向西，北太平洋沉積物厚度由50米增至150米。山丘頂部相距2至5公里，高出最低地區(qū)100至300米。山的兩側有最高達40米的鈣質粘土峭壁，頂部有大凹陷。雖然有這些地形障礙，但平均坡度仍不到10度。根據(jù)對海底連續(xù)照相而進行的地質統(tǒng)計模擬可標示適宜開采的礦區(qū)。最佳的礦區(qū)寬1至5公里，長10至18公里，呈南北走向，結核豐度為每平方米15公斤的區(qū)域可能占這些礦區(qū)海底面積的35％。

1965年，約翰·梅羅估算海底多金屬結核總量在1.5萬億噸以上。1981年，阿切爾把這一估計數(shù)減至5,000億噸。然而，并非所有的結核礦區(qū)都適合開采。曾數(shù)次努力測算今后可能開發(fā)的資源。這些辦法首先是確定全球海洋所含有的礦址數(shù)量。礦址的定義是：可以持續(xù)商業(yè)作業(yè)20至25年、每年產出150萬至400萬公噸“優(yōu)質結核”的海底區(qū)域。優(yōu)質結核的定義為：平均含有至少1.25％-1.5％鎳和1％-1.4％銅以及27％-30％錳和0.2％-0.25％鈷。據(jù)此估計共有8至225個礦址，推算總資源量為4.80億至135億噸。考慮到其他因素，包括世界金屬市場在頭20年間吸收有關產品的能力和更嚴格的采礦假設，礦址進一步減至3到10個，產量減至1億至6億噸。此即所謂“推測估算資源量”。

結核的勘探技術

在勘探多金屬結核礦床的過程中，研究出了數(shù)種技術與方法。多年來，這些資源的探測和取樣技術有了長足進展。

1930年代以來，一直采用回聲測深（聲納）技術勘查洋底地形。傳統(tǒng)回聲測深儀在船底垂直發(fā)射寬束（40度）聲波。根據(jù)從發(fā)出聲脈沖到接收海底回聲之間的時間間隔，可以按照聲音在水中的傳播速度（每秒約1,500米）算出水深。在船只行進過程中所獲得的連續(xù)測深數(shù)據(jù)提供該船航跡下方的地形剖面圖。要準確地測繪海底某一區(qū)塊的地形，就必須行走等距平行航跡。

1970年代末，出現(xiàn)了多波束回聲測深儀。設備發(fā)射一系列窄束（2度）聲波信號，作扇形分布，與船體軸線正交排列。每次發(fā)射得出一系列同該船航跡下方及旁側各點相對應的測深數(shù)據(jù)。現(xiàn)代化多波束回聲探測儀（側掃聲納）每一掃描帶有150多個測量數(shù)據(jù)（平均每130米一個數(shù)據(jù)），覆蓋寬達20公里，水深至4,000米的范圍，可以辨別許多以前看不見的地形。在船上，一分鐘之內即可繪出地圖，從而得以實時“閱讀”海底某區(qū)段的地形。鄰接刈幅很容易用電腦拼接。加上精度達1米的全球定位系統(tǒng)，繪出的1：25,000比例尺地圖在準確度上堪與最佳的陸地地形圖相媲美。海面測量還以深拖聲納在海底上方測量作為補充。大多數(shù)勘探者還以帶照相機的無纜取樣器投入海底進行取樣、拍照。每次能從0.25平方米地區(qū)采集數(shù)公斤結核，并對2至4平方米地區(qū)拍照。根據(jù)所有這些資料，即可以估計海底結核豐度（公斤/平方米）。由電纜操作的抓斗和照相機提供的信息更為可靠，不過速度較慢。聲納技術的最新改進應能促進新裝置的開發(fā)，以更準確地測量結核分布的密度。這樣就能用較短時間勘測大范圍內的結核豐度。

結核的開采技術

采礦和加工技術在很大程度上決定了哪些地區(qū)適合開發(fā)結核。結核達到一定豐度，采礦設備才能高效作業(yè)。另外，結核須具備一定品位（有用金屬在礦石中所占比例），才能經濟合算地通過冶金流程提取有價值的商品。

1970年，在佛羅里達州岸外水深1,000米的大西洋布萊克高地進行了第一次結核采礦原型系統(tǒng)試驗。“深海探險”公司在6,750噸的貨輪“深海采礦者”號上裝置了一個高25米的吊桿和一個6米乘9米的中央池（采礦裝置即由此部署）。結核用曾在250米礦井試驗的氣舉系統(tǒng)提升。

1972年，30家公司組成的集團試驗了日本海運官員Yoshio Masuda發(fā)明的系統(tǒng)。連續(xù)鏈斗系統(tǒng)系在一條八公里長的回轉鏈上每隔一定距離掛一個戽斗。戽斗從前捕鯨船“白嶺丸”的船首投放，在船尾回收。采集到了一些結核，不過鏈索纏在一起，試驗遂告終止。1975年計劃進行新的試驗，不用一艘船而用兩艘船，終因缺少經費而取消。

1970年代末，三大美國財團在太平洋用水力采礦系統(tǒng)進行采礦試驗。海底結核由一挖掘裝置采集，傳送到懸在海面船只下方的提升管的底部。海洋管理公司（OMI）使用動力定位的鉆探船“SEDCO 445”號。船上裝有吊桿，用常平架支撐，以減少船體運動對提升管的影響。試驗的兩種升舉系統(tǒng)為：用裝在提升管內水深1,000米處的離心軸流泵吸送；在水深1,500米和2,500米之間注入壓縮空氣進行提升（氣舉）。提升管后邊拖著兩個采集裝置：一個帶噴水器的水力吸入式挖采裝置和一個配備反向傳送帶的機械采集器。第一個采集裝置不幸因操作失誤丟失。不過，在夏威夷以南1,250公里處進行的三次實驗共采集到約600噸結核。

1976年，海洋采礦協(xié)會（OMA）在20,000噸級運礦船“Wesser Ore號上裝備了月池（船體開口，供鉆探設備通過）、吊桿和旋轉式推進器。結核由水橇拖曳的抽吸式集礦頭進行采集，以氣舉裝置提升。該船后更名為“深海采礦者2”號，1977年在加利福尼亞州圣迭戈市西南1,900公里處進行了第一批試驗。由于管柱的電接頭并非絕對防水，試驗遂告暫停。1978年初，另外兩輪試驗再度受挫，首先是挖采裝置陷入海底沉積物中，后又遇上颶風。最后，1978年10月，在18小時內提升了550噸結核，最大能力為每小時50噸。由于吸入泵一個塊葉片折斷，電動機停轉，試驗由此終止。

1978年，海洋礦產公司（OMCO）向美國海軍租用了“格洛瑪探測者”（Glomar Explorer）號。這一動力定位船排水量33,000噸，長180米，利用精密系統(tǒng)部署管柱和電纜。船上的大月池（61×22米）有利于大采集器作業(yè)。該公司建造了配備阿基米德螺旋的電動采集器，可在松軟的沉積物上爬行。先在加利福尼亞岸外水深1,800米處做了好幾次試驗，后于1978年底在夏威夷以南進行第一批試驗，但因月池門打不開而告暫停。1979年2月，此項作業(yè)終于得以順利進行。此外，該船的先進電腦系統(tǒng)還搜集了許多數(shù)據(jù)。這些作業(yè)成功地說明：挖采和提升的基本做法是正確的。

1979年，法國工程師考慮到海洋底部地形障礙（如斷塊、階地、懸崖和凹陷等）帶來的困難，決定海底采集器需要有更大的活動余地。他們提出自由穿梭采礦系統(tǒng)的概念；該系統(tǒng)由一系列能自行潛入海底的獨立采集器組成。到達海底之后，采集器會排出壓載物，妥善安身，然后開始采集結核。采集器由鉛電池驅動，利用履帶爬行，并通過排放壓載物調整其高度；在裝載250噸結核后將進一步排放壓載物，開始浮上水面；到達水面后，被拖至浮動港。遺憾的是，在可行性研究期間發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)過于昂貴，因為穿梭器重1,200噸，遠遠高出其250噸的裝載能力。問題在于現(xiàn)有浮力材料性能差和（或）鉛電池重量/能量比高。

水力系統(tǒng)現(xiàn)在似乎潛力最大。1988年法國GEMONOD（開發(fā)結核采礦集團）提出此系統(tǒng)的概念。系統(tǒng)包括：半潛式雙體船水面平臺長4,800米的剛性鋼管柱；和長600米，內徑38厘米的軟管，把管柱底部和海底挖采裝置連接在一起。軟管成弧狀，使挖采裝置可以為避開障礙物而偏離海面平臺的航跡。自行式挖采裝置長18米，寬15米，高5米，重330噸，浮力78噸。裝置在海底爬行時采集結核并予以處理，以便通過軟管輸送。

運礦船將結核從采礦船運至港口的加工廠。結核將作為稠泥漿經由軟管輸入、輸出裝載船船艙。在加工場所，泥漿存儲蓄池。

印度目前正在研制一種采礦車，打算在2007-08年試驗。國家海洋技術研究所主任在2001年國際海底管理局舉辦的研討會上指出，該研究所已在410米水深處試驗原型，計劃于2002年在6,000米水深處進一步試驗。該裝置3米寬，以塑料軌道在海底爬行。前置的采集裝置采集結核，由傳送帶將其送入軋碎機。按照設計，系統(tǒng)會有振動動能，避免淤泥進入軋碎機。軋碎結核經由直徑10厘米的軟管以提升泵輸送至水面船只。另一臍帶連接為供電纜和通訊電纜。爬行器雖然以系纜與水面船只聯(lián)系，但在海底可以獨立活動。開發(fā)人員稱，該系統(tǒng)比先前的更注重環(huán)境問題。

結核的加工技術

為處理多金屬結核已開發(fā)研究了不少工藝流程。起初，只考慮提取鎳、銅、鈷這三種金屬。1978年后，也考慮提取錳，以提高總收入、減少浪費。技術分兩類：濕法冶金法——用酸性（鹽酸或硫酸）或堿性（氨）試劑把金屬從結核中浸出；熔煉法——將氫氧化物還原（去氧），以重力分離金屬熔液。下面試舉三例。

Cuprion氨浸出法

Cuprion氨浸出法是肯尼科特（Kennecott）公司開發(fā)的。結核被磨碎成漿，在攪拌桶內以一氧化碳加氨低溫還原。經一系列加稠器進行逆流傾析后，銅、鎳、鈷處于可溶狀態(tài)。然后再通過液體離子交換劑以電解冶金法（以電解作用分離）萃取鎳和銅；鈷以硫化沉淀法除去。不過，從鐵錳渣回收錳有一定難度。

硫酸浸出法

這一流程是菲爾斯特瑙于1973年提出的，其后法國原子能委員會通過研究，對之作了重大改進。軋碎結核所含金屬在攝氏180度高溫和1,200千帕高壓下以硫酸溶解。用硫化氣預先還原一些結核，將得出的二價錳離子注入壓熱器（蒸汽壓力加熱器），以提高鈷回收量。以硫化氫沉淀所余溶液中的銅、鎳和鈷。硫化銅經焙燒成為氧化銅精礦，鎳鈷精礦則以硫化礦形式保存。

在提煉廠，氧化銅精礦以硫酸浸析，再用電解冶金法萃取金屬。硫化鎳鈷精礦在氯和水中溶解。在去除鐵和鋅之后，剩余的兩種金屬由離子交換溶劑分離。鈷以氯化物的形態(tài)產出送至煉鈷廠；鎳電解萃取。鐵錳渣在電爐內烘干煅燒后進行熔煉，磷和部分鐵在此過程中被去除。

熔煉法

好幾家公司研究了應用傳統(tǒng)鎳和銅熔煉法來處理多金屬結核的問題。結核在旋轉窯中烘干和煅燒，然后送入埋弧電爐還原，產出富錳爐渣和鐵鎳銅鈷合金。合金經過轉爐精煉，氧化作用排除大部分剩余的錳和鐵。加硫后產出鎳銅鈷锍。

鎳銅鈷锍可用鎳礦業(yè)所用的幾種方式處理。例如，可在磨碎后以氯選擇浸出。從銅溶液中除去硫后，以離子交換和電解法提取鎳。在以離子交換法萃取鈷和鎳之前，先除去鎳鈷溶液中的鐵和鋅。

富錳爐渣趁熱直接送進電弧爐，在除去磷和剩余重金屬（鎳、銅、鈷）及大部分鐵后，產出硅錳鐵合金。