穿越千百万年的黑瑰宝—深海多金属结核

　　你是否想过，水深可淹没青藏高原的深海底被形似“土豆”的黑色椭球体密密麻麻地覆盖着，绵延数千米乃至数十千米，让患有密集恐惧的人们惊惶不已；你是否想过，这些黑“土豆”的年龄老的超乎你想象，随意捡起一颗，在它开始生长的时候，人类的祖先很可能尚未学会直立行走，但它却老骥伏枥，至今仍在不断生长壮大中；你是否想过，这些黑“土豆”蕴藏着海洋中诸多科学秘密，以及规模巨大的锰、铜、镍、钴和稀土等人类日常生活和高新技术产业发展所必需的多种关键金属，对它们进行开发利用关乎社会的发展和文明的延续。这就是深海赐予人类的黑瑰宝，多金属结核。

　　初识多金属结核

　　深海多金属结核外表多为黑色，形态各异，以椭球状居多，直径从小于1mm到大于20cm不等。因为铁和锰通常是多金属结核中含量最高的金属物质，所以多金属结核也被称为铁锰结核，又因为铜、镍、钴等关键金属主要蕴藏在锰氧化物内，所以又被称为锰结核。多金属结核除了裸露在海底面外，也可以部分或者全部被沉积物所掩埋，前者表面比较光滑，后者相对更粗糙。

　　像切开土豆一样切开它，你会发现，多金属结核通常分为内核和外层两部分（图2）。内核可以是岩石、固结的沉积物、海洋生物的骨骼、甚至是年龄较老的结核；而外层则主要由铁氢氧化物和锰氧化物，以及少量的石英和长石等碎屑状物质所组成。这些铁氢氧化物和锰氧化物的球状微小颗粒分布稀疏，孔洞裂隙随处可见（图3），导致结核密度很低，甚至不及松散的土壤。

　　多金属结核的形成条件宽松，因此在全球各深海大洋、滨浅海甚至湖泊中都可以见到它们的身影，但密集连片大范围分布且体内铜、镍、钴等关键金属含量高的结核主要分布在水深约4000～6500m的深海盆内。因为这些海域往往远离陆地，河流携带入海的物质也很少打扰结核的生长，因此不会给结核带来过多的其他物质稀释其体内的关键金属，从而导致铜、镍、钴关键金属含量之和可超过2.5%，每平方米海底堆积高达30kg结核的大面积出现。

　　高龄的秘密

　　想要知道多金属结核的年龄，先了解一下它的生长过程。作为多金属结核最主要成分的铁氢氧化物和锰氧化物分别带微弱的正电荷和负电荷，根据正负电荷相互吸引的原理，铁氢氧化物负责捕获海水或沉积物孔隙水中带负电荷的稀土配合物等阴离子，而锰氧化物则摄取带正电荷的钴、镍等金属阳离子。同时，结核内的众多孔隙，为吸附反应提供了大面积的场所，驱使反应持续进行下去。这些关键金属物质被吸附到多孔的结核表面后，再通过多种复杂的物理化学反应，最终将它们固定在结核体内

　　从海水或沉积物孔隙水中吸附出来的各种金属物质，逐层包裹内核，并且层层向外生长。其中，裸露在海底面的结核往往一百万年才能增厚1cm，被沉积物掩埋的结核因为与海水隔绝，且分布在沉积物孔隙间水体的金属含量通常比海水高的多，所以其生长速度可以快几倍到几十倍。所以，历经百万年甚至千万年，才能形成今日我们看到的土豆一样大小的多金属结核。

　　目前已知的年龄最老的结核分布在太平洋，它已在海底生长了1500万年，经历了沧海变桑田，目睹了海平面比现在低上百米的第四纪大冰期的出现，并将这些信息记录在了自己的圈层结构中，同时也见证了人类走出非洲丛林，建立现代文明。

　　小结核、大价值

　　形似土豆一样的身躯，生命力顽强的多金属结核，身价不菲。它像树的年轮一样，将历史变迁记录在自己的身躯里，具有重要的科学研究价值。科学家通过研究它有力地确认了白令海峡张开和巴拿马水道关闭的时间以及所带来的气候环境影响，详实地提供了南极底流的变迁、北美和西伯利亚古陆块遭受侵蚀的证据，以及大洋中脊和热点作用对全球海洋化学成分和分布的影响等。

　　近年来，我国关键金属进口量持续处于高位，约70%的铜、80%的镍和90%的钴依赖进口，每年仅进口铜矿石一项的花费就超过2000亿人民币。而在太平洋克拉里昂-克利伯顿断裂带（CC区）海底就分布着约211亿吨的多金属结核，其中镍、钴、锰等金属的规模比全球陆地目前已发现矿床的总量还要高。我国在国际海底区域拥有5块矿区，其中2块多金属结核矿区就位于CC区内。面对如今陆地大型、超大型矿床越来越难找，矿石地下开采深度越来越深的局面，世界各国纷纷把目光投向海洋，进军深海已是时不我待。我国也出台了多个法律规章制度和科技专项计划，吹响了进军深海的嘹亮号角，正在加快深海矿产资源开发利用的脚步。静静等待了人类千百万年的黑瑰宝亟待大家开展勘查、开发和利用，其体内蕴藏的大量科学秘密也期盼你我进行深入揭示和认知。

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