中海大海洋地质学课件第12章海底矿产资源-2第二十三讲

1海洋地质学(第二十三讲）2第十一章海底矿产资源海洋地质学3第十二章海底矿产资源12.1海底矿产资源的分布12.2油气资源12.3天然气水合物12.4大洋锰结核12.5富钴结壳12.6热液多金属硫化物412.3天然气水合物1、物理化学性质2、天然气水合物分布和资源量3、天然气水合物成藏类型4、勘探开发技术5、成因解释

512.3天然气水合物

(1)似海底反射层——(bottomsimulatingreflector)（BSR）海洋沉积物中存在天然气水合物的最重要证据是具有异常地震反射层，位于海底之下数十米到几百米处，与海底地形近于平行，通常称之为似海底反射层。早在20世纪60年代在地震剖面中就已观察到BSR。4、勘探开发技术612.3天然气水合物

(1)似海底反射层(BSR)——由于海洋沉积物中天然气水合物的存在受控于一定的温压条件，所以天然气水合物存在于沉积物中的深度下限是上部海水和地层压力近似的等压面（主要取决于地温梯度），这就使得天然气水合物一是只能存在于海底近表层沉积物中，二是界面一般近似平行于海底。4、勘探开发技术BSR712.3天然气水合物

(1)似海底反射层（BSR）——同时，天然气水合物可以有效的粘结碎屑颗粒，降低沉积物的孔隙度，故它的存在能提高水合物沉积层的声速，使得含天然气水合物沉积的声速大于含水或含气沉积的声速，所以在天然气水合物的底界面上会产生一种与海底反射波相位相反的反射波。由于它和海底反射在形态上相似，因此称作似海底反射层。4、勘探开发技术812.3天然气水合物(1)似海底反射层（BSR）——BSR的识别标志：①BSR一般与现代海底近于平行，并且与海底沉积层反射界面相交；②BSR相对于海底具有较强的反射振幅和极性反转的特征，它是一个从高速降至较低速的反射界面；③BSR在地震剖面上呈现一条亮点带，由于强反射界面影响，使在其上下常出现反射空白区；④BSR常分布于海底高地斜坡上；⑤地震剖面上BSR规模不等，小的有几公里，大的可延伸数百公里。4、勘探开发技术912.3天然气水合物(1)似海底反射层（BSR）——值得注意的是，BSR并非水合物存在的唯一标志，有BSR显示的地区往往有水合物，但是，有水合物存在的地区未必一定有BSR，有BSR的地区也未必一定有水合物。现已证实BSR代表海底沉积物中天然气水合物稳定带基底。随着多道反射地震技术的普遍采用，BSR现象在地震剖面上更为明显，极易识别。4、勘探开发技术1012.3天然气水合物(2)钻孔取心

——到目前为止，钻孔取芯仍然是证明地下天然气水合物存在的最直观和最直接的方法。通常采用钻杆或活塞式取样器采取天然气水合物样品，若能保持恒压取样更为理想。通过气相色谱分析可以确定天然气水合物的气体组成。4、勘探开发技术1112.3天然气水合物(3)测井方法

——是天然气水合物勘探的又一有效手段。测井法鉴定含天然气水合物层标志包括：①具有高的电阻率（大约是水电阻率的50倍以上）；②的声波传播时间（约比水低131μs/m）；③在钻探过程中有明显的气体排放（气体的体积浓度为5～10%）；④必须有两口或多口钻井加以确认。4、勘探开发技术1212.3天然气水合物(4)天然气水合物开发技术

——①热激发法：将蒸气、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入水合物地层，也可采用火驱法或利用钻柱加热器，促使温度上升达到水合物分解的方法称为热激发法。为了提高热激发法的效率，目前常采用井下装置加热技术，即在垂直（或水平）井中沿紧邻水合物带的上下（或水合物层内）放入不同的电极，再通以交变电流直接对储层进行加热。4、勘探开发技术1312.3天然气水合物(4)天然气水合物开发技术

——②化学试剂法：某些化学试剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度。当将上述化学试剂从井孔泵入后，就会引起水合物的分解。化学试剂法较热激发法作用缓慢，并且费用昂贵。4、勘探开发技术1412.3天然气水合物(4)天然气水合物开发技术

——③减压法：通过降低压力而引起天然气水合物失稳分解，从而达到开采回收的目的。一般是通过在一水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气“囊”（由热激发或化学试剂作用人为形成），导致天然气水合物不稳定并且分解为天然气和水。其实，开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法。4、勘探开发技术1512.3天然气水合物5、成因解释

类似于其它矿产资源的生成，天然气水合物形成需要有物源和所必需的物理化学条件。首先，要有有机体（物质的聚集），通常要求才天然气水合物之下要有天然气富集层。1612.3天然气水合物5、成因解释

深部的天然气由于温度较高而呈气相向上运移，随着上升温度逐渐降低，当到达一定的深度，温度和压力正好满足天然气水合物凝结成固体时便在沉积物空隙中积聚起来形成固相的天然气水合物层。1712.3天然气水合物5、成因解释

18第十二章海底矿产资源12.1海底矿产资源的分布12.2油气资源12.3天然气水合物12.4大洋锰结核12.5富钴结壳12.6热液多金属硫化物1912.4大洋锰结核早在《挑战者》号（1872—1876）进行环球考察时就在大西洋海域采到了锰结核样品，应是人类最早发现的深海海底矿产资源，但并未引起重视。经过100多年的调查和研究，有关锰结核的形态、物理化学性质、金属元素含量、矿物组成、区域分布和潜在资源量等都已基本清楚。2012.4大洋锰结核对大洋锰结核资源，现已进入详细探查、圈定矿区、试采和商业性开发的阶段。联合国海底委会已批准中国、日本、法国、俄罗斯、印度等国家的海底矿区申请。2112.4大洋锰结核1－日本；2－法国；3－俄罗斯；4－中国；5－韩国；6－国际海金联；7－国际海底管理局；8－海洋采矿协会；9－海洋采矿公司1；10－海洋采矿公司2；11－洛克希得马尔丁公司2212.4大洋锰结核锰结核主要由Fe和Mn的氧化物和氢氧化物组成，大小从微型颗粒到土豆状块体，富含Cu、Ni、Co、Mo和多种微量元素。一般产于低沉积速率和水深大于4000m大洋盆地中区，常围绕核心在沉积物和水界面上生长，以红黏土和硅质软泥沉积区为富集。2312.4大洋锰结核锰结核一般呈黑色、绿黑色到褐色，由多孔的细粒结晶集合体、胶状颗粒和隐晶质物质组成，常为球状、菜花状、杨梅状、椭圆状、盘状、板状、葡萄状和肾状，直径多为3-6cm大小的块状体。1、物理化学性质

2412.4大洋锰结核结核的表面构造各种各样，其生长速率非常缓慢，多数为1—50mm/Ma，平均生长速率只有5mm/Ma，多数结核都有一个或多个核心，核心的成分可以是岩石矿物碎屑或生物骨骼，围绕结核核心形成同心状金属层壳构造是锰结核的重要特征。1、物理化学性质

2512.4大洋锰结核锰结核主要由隐晶质和极细粒的水合铁锰氧化物矿物组成，并含不等量的硅、碳酸盐、碎屑矿物和生物物质。结核中的微量元素，如Ni、Co、Mo和稀有、稀土元素主要受铁锰氧化物相控制。已知的锰矿物主要有钙锰矿、水钠锰矿、水羟锰矿（δ-MnO2）、拉锰矿（MnO2）等

。1、物理化学性质

2612.4大洋锰结核结核的化学组成十分复杂，含有几十种有色金属和稀有、稀土元素，其中Cu、Ni、Co、Mn、Mo达到工业利用品位。1、物理化学性质

元素含量范围太平洋印度洋大西洋南洋盆（1）（2）（3）（4）（5）（6）（3）（4）（5）（3）（4）（5）（4）（4）（5）（6）Mn0.04－50.324.217.9419.7820.118.314.7415.1015.2514.9315.7813.2514.6916.0218.6017.4Fe0.3－50.014.011.7211.9611.412.7713.0514.7414.2313.0820.7816.9715.7815.5512.4013.6Ni0.08－2.480.990.590.6340.760.630.4410.4840.430.4840.3280.320.4500.4800.660.55Cu0.003－1.900.530.390.3920.540.410.1730.2940.250.1550.1160.130.2100.2590.450.34Co0.001－2.530.350.330.3350.270.290.2540.2300.210.3230.3180.270.2400.2840.270.27Zn0.01－9.000.0470.0840.0680.16－0.0610.0690.1490.0660.0840.1230.0600.0780.12－Pb0.01－0.750.0900.110.0850.083－0.0700.0930.1010.1340.1270.14－0.0900.093－2712.4大洋锰结核锰结核在所有洋盆和某些海盆中都有发现,主要分布于太平洋，其次是印度洋和大西洋。近赤道带和南半球的三条纬度带（15—20°、30—40°和50—60°S）内结核最富集。2、锰结核分布

2812.4大洋锰结核整个太平洋大约储藏有1500-3000Gt锰结核，其中按丰度10kg/m2，Cu+Co+Ni>1.76%圈定的矿区资源量为14-99Gt。位于东北太平洋克拉里昂断裂带和克里帕顿断裂带之间的C-C区（7—15°N，114—158°W）是最有开采价值的矿区。3、大洋锰结核资源量C—C区2912.4大洋锰结核关于锰结核的成因解释，至今没有统一的学说。主要有三种观点:(1)化学成因说——海水中的Fe、Mn等金属的络合离子（极性分子）在电子引力作用下，以其他物体的细小颗粒为核，不断聚集而成。该理论缺陷在于①无法解释海水中锰的含量并不高，为什么会在特定的大洋海底沉淀形成如此规模的锰结核？②锰结核为什么只存在于海底表层？4、成因解释3012.4大洋锰结核(2)生物化学成因说——在化学成因说的基础上加上了生物作用，生物细菌一方面对海水中的Fe、Mn等金属离子起到了富集作用，另一方面又使得结核处于滚动状态，从而不至于被沉积物所掩埋，因而只存在于海底表层。(3)火山成因说——火山喷发为锰结核的形成提供了丰富的物质来源，然后在陆源沉积物供应不充分的深水大洋海区，经生物化学作用，围绕火山碎屑沉淀形成多金属结核。4、成因解释31第十二章海底矿产资源12.1海底矿产资源的分布12.2油气资源12.3天然气水合物12.4大洋锰结核12.5富钴结壳12.6热液多金属硫化物3212.5富钴结壳富钴结壳，又叫多金属结壳或铁锰结壳，是指裸露生长在大洋底部海山上的壳状、以铁锰为主、同时富含钴等多种金属的固体沉积物。富钴结壳生长在硬质基岩上，富含Mn、Co、Pt等金属元素，通常产于太平洋海山、海岭和海台上，厚可达25cm，是重要的Co、Ni、Pt、Mn、Tl、Te、REEs等金属的潜在资源。3312.5富钴结壳富钴结壳是在20世纪80年代才被人们认识并加以重视的海底矿产资源。富钴结壳之所以引起海洋科学家的密切关注是因为它具有重要经济价值。结壳含有Mn、Co、Pt、Ni、Pb、Ce等多种金属，其中Co含量特别高，Pt也相当富集。3412.5富钴结壳结壳产于海山和火山群岛水深不到2000m的浅水区，有些只有几百米，无论从开发技术和投资效益方面都较锰结核优越。我国1997年开始结壳的前期调查，近年来在中太平洋海山区发现资源前景良好的富钴结壳矿区。3512.5富钴结壳富钴结壳主要分布在中南太平洋海山区，在印度洋和大西洋的局部海区也有发现，其中以中太平洋海山区富钴结壳最为丰富。从地理纬度分布看，仅限于赤道带附近的低纬度区，即在南、北纬度5-15°之间，一般不超过20°。结壳产于海山、海岭、海丘、海底台地顶部和上部、坡度不大斜坡区，基岩长期裸露，缺乏沉积物或沉积层很薄的部位最富集。1、分布和产状3612.5富钴结壳在水深1000-3000m、沉积速率很低、远距环礁、块体运动和重力流不发育的海区有利于结壳的形成。结壳覆盖率一般超过50%，平均丰度可达20kg/m2。麦哲伦海山结壳产于1600－3000m水深，结壳厚度最大可达24cm，平均5cm,平均丰度为64.5kg/m2，最高可达185.4kg/m2，平均钴含量0.5%。1、分布和产状3712.5富钴结壳富钴锰结壳大多呈层壳状生长于各种硬质基岩面上。基质岩石以碱性玄武岩及其蚀变岩石和火山角砾岩（夏威夷岩）最常见。少数结壳包裹有岩块、砾石，成不规则球状。结壳的平均厚度只有2-4cm，在水深1100-1500m的结壳富集区，壳厚可增加到8-10cm，最厚可达24cm。由于结壳的生长速度十分缓慢，所以只能在年龄超过25Ma的基岩面上才有可能发育生成

。2、基本特征3812.5富钴结壳在电子显微镜下可观察到结壳层的分带性，从表面的光滑、多丘、松软状构造向内逐渐过渡为比较致密状、贝壳断口状和浸染状铁锰氧化物，内部有球状、纤维状、贝壳状和网络状（颗石藻等）构造。2、基本特征3912.5富钴结壳根据测年资料，水成富钴结壳的生长速率为2.5-5mm/Ma，与大洋锰结核的生长速率（1-10mm/Ma）相近，但比热液成因铁锰结核的生长速率（1000-2000mm/Ma）要缓慢得多。一般来说，富钴锰结壳的新层壳生长速率为1-3mm/Ma，比老层壳的生长速率（5mm/Ma）更加缓慢。2、基本特征4012.5富钴结壳富钴锰结壳的矿物组成有细粒锰矿、铁氧化物和氢氧化物、非晶质铝硅酸盐、碳酸盐、磷酸盐和碎屑矿物等。其中最主要的矿物是水羟锰矿（δMnO2）和隐晶质针铁矿（FeOOH·nH2O）。自生矿物有沸石、蒙皂石、方解石和磷灰石，以及少量的石英、重晶石、斜长石、钾长石、辉石和粘土矿物等。3、矿物与化学成分4112.5富钴结壳3、矿物与化学成分主要矿物常见矿物少量矿物δMnO2(Fe-水羟锰矿)Fe氢氧化物碳氟磷灰石石英，斜长石蒙皂石钙十字沸石，针铁矿，钠水锰矿，方解石，钾长石，辉石，蛋白石，重晶石，磁铁矿，角闪石，隐晶质铝硅酸盐矿物太平洋富钴结壳的矿物组成4212.5富钴结壳富钴锰结壳含Mn、Fe、Co、Ni、Pb、Ti、Cu、Pt、Mo、Zn、Cd、Be、Ba、W、Sn、Bi、As、Sb、V、Ag、Sr、Ce、Y、La、Se、Yb、Ta、U、Zr、Ge,、Ga、Li、In、Tl等多种元素。其中钴含量高达2.3%，比大洋锰结核中的钴含量高3-5倍。铂的含量0.2-1.2x10-6，比海水的铂浓度富集106倍，最高含量可达0.8mg/t。3、矿物与化学成分4312.5富钴结壳多数金属元素在海水中呈无机络合物形式存在。海水中的金属（Co、Ni、Zn、Pb、Cd、Tl

等）离子被吸附在氢氧化锰胶体粒子表面，由于Co2+被氧化，形成难溶稳定的Co3+，而更为富集。低电价的大络合物元素V、As、P、Zr、Hf等则吸附在氢氧化铁表面。吸附金属的铁锰混合胶体可能通过细菌的催化作用在硬质岩石表面沉淀形成隐晶质氧化物氢氧化物。4、成因和资源量4412.5富钴结壳金属通过共沉淀或吸附离子的扩散作用进入铁锰氧化物氢氧化物的晶格。Co由Co2+氧化为Co3+在结壳表面大量富集，也富集Pb、Ti、Tl和Ce等元素。有关富钴锰结壳的形成过程和机制目前还不很清楚，大多数学者主张水成成因，金属元素来源于海水，是纯粹的胶体化学沉积过程。4、成因和资源量4512.5富钴结壳有关富钴锰结壳的资源量迄今尚未有准确的评估，只限于局部富集区的估算。推测海底富钴结壳中Co的资源量有3Gt。尽管该值是粗略估算的，但太平洋岛屿区马绍尔群岛、基里巴斯、密克罗尼西亚和玻利尼西亚海区及麦哲伦海山区是最具有经济开发潜力的资源远景区。4、成因和资源量4612.5富钴结壳4、成因和资源量俄罗斯加拿大赞比亚俄罗斯加拿大芬兰47第十二章海底矿产资源12.1海底矿产资源的分布12.2油气资源12.3天然气水合物12.4大洋锰结核12.5富钴结壳12.6热液多金属硫化物

4812.6热液多金属硫化物海底热液多金属矿床主要是指热液活动成因的多金属硫化物，有时有Fe、Cu和Zn的氧化物、Fe的硅酸盐以及Mn的氧化物等矿物。某些情况下，可有重晶石、二氧化硅和硬石膏等。4912.6热液多金属硫化物迄今所发现的热液多金属矿藏多数位于大洋中脊扩张中心（包括红海在内），少数见于弧后盆地、火山弧区和板内热点火山。5012.6热液多金属硫化物海底热液多金属矿床大多是海水通过裂隙进入海底岩石并淋滤其中的金属元素，从而变成成矿溶液，并最终回到海底沉淀其中淋滤的金属元素而形成的。这种反应的驱动力是侵入地壳的岩浆所提供的热。5112.6热液多金属硫化物如果热液在上行的过程中遇到相当数量的冷的下行海水，其中大部分的金属物就会沉积下来，在洋壳的上部形成网状矿脉。5212.6热液多金属硫化物如果上行通道中没有海水注入，则会在海底形成喷溢未经稀释的热液的烟囱，分选良好的热液沉积悬浮物发生沉淀而形成热液矿床。5312.6热液多金属硫化物尽管迄今在世界大洋中已发现100多个热液活动区或500多个热液活动点，但不是所有热液活动点都形成有具有经济价值的热液矿床。控制海底大型硫化物矿床的因素有很多，例如：扩张速率、火山活动的强度和频率、岩石渗透率等。1、海底热液矿床的分布5412.6热液多金属硫化物在慢速扩张脊上，热液矿床主要出现在的火山地形高地、地堑壁的基部与顶部以及非转换性断层区。在快速扩张脊上，除轴部附近外，离轴海山是潜在的分布区。弧后盆地有着更复杂的构造活动历史，从而有利于形成大型矿床所必须的几个因素的联合，该环境下形成的矿床可能与陆上的大规模块状硫化物矿床最为接近。1、海底热液矿床的分布5512.6热液多金属硫化物控制热液矿床产状与大小的因素很多，包括：（1）热液扩散——在开放海域，热液流体由于混合作用被快速稀释，金属总量的97%扩散到周围海水中，不利于大型硫化物矿床的形成；（2）混合作用——冷海水与上升热液流体的混合将导致金属硫化物的快速沉淀，混合作用的强弱对某些元素(如金)的富集很重要，非渗透性岩盖的存在使得热液流体在喷出海底之前，沉淀出硫化物矿体；1、海底热液矿床的分布5612.6热液多金属硫化物（3）渗透性——海底岩石的渗透模式对热液流体的集中喷溢具有重要作用，而这种集中喷溢对大型沉积矿床的形成很重要。在非渗透性的火山岩层中，大部分流体只能沿着大型断层流出，主要集中的洋脊轴部，其在对流系统稳定的慢速扩张脊上极有可能形成大型丘状沉积；（4）热液系统的稳定性——热源的深度与大小及其结构的稳定性对喷溢区的寿命有着重要影响，从而对沉积矿床的规模也有重要影响；1、海底热液矿床的分布5712.6热液多金属硫化物（5）沸腾水深——典型的热液流体温度为350℃，在3000m水深的压力下该温度低于沸点，流体在喷出时会有硫化物作为冷却产物沉淀出来。在浅水中则可能发生沸腾作用，不利于大型矿床的形成；（6）地质圈闭/岩盖——热液沉淀物将先前系统密封，从而导致更多的金属沉淀出来，有利于大型矿床的形成。1、海底热液矿床的分布585912.6热液多金属硫化物目前，还无法对全球海底热液矿的资源价值给出令人信服的评价。但在红海，由于调查详尽，其资源评价结果具有一定的参考价值。红海AtlantisII海凹是一个潜在的Zn、Cu、Ag其次是Au和Co的矿床。海凹中的沉积矿床覆盖面积约62km2，厚度从几米到25m，平均厚度7-11m，在10000