资源勘察-学生20098.ppt

1、资源勘察,资源勘察,锰结核的特性,锰结核的物理特性,形态 表面特征 粒径大小 颜色 硬度 ：摩式硬度1-4 密度：一般2.1-3.5g/cm3 平均2.2-2.4g/cm3,锰结核的核心,核心物质形态的多样性，决定结核形态的多样性。 在结核的生长空间中，各个方向提供金属物质不均一性，导致结核各个方向生长速度的不均一性。半埋藏型结核的“突缘”可能是两种物质来源叠加引起的。,锰结核的类型,光滑型(S型) 粗糙型(S) 光滑+粗糙型(R+S，中间型),锰结核的类型,锰结核的类型,表面光滑的结核多发生在山体周围，物质直接业源于底层海水； 表面粗糙结核的粗糙部分均埋藏于沉积物中，物质主要业源于沉积物中的

2、间隙水。,锰结核矿物特征,多矿物集合体，结晶程度都较差； 矿物颗粒十分细小，紧密随机地交织在一起； 按成分可把结核中的矿物分为锰矿物、铁矿物和铝硅酸盐(杂质)矿物。,锰结核的矿床特征,锰结核的丰度,海底沉积物上单位面积多金属结核的重量。,锰结核的品位,结核中CuNiCo的重量百分总量称作结核的品位。,锰结核的粒径,依据各站结核长轴的度量，可把结核分为大于6cm，36 cm和小于3cm三个粒级。,东、西区不同类型结核各粒级比较,锰结核的覆盖率,在海底表面单位面积内结核覆盖所占面积的百分比。,东、西区结核覆盖率,东、西区结核矿床特征对比,由东向西： 结核丰度增高 金属品位降低 结核个体变小 核心物

3、由老结核决变为火山岩为主 地质条件、沉积环境、地化环境等因素的影响。,东、西区结核矿床特征对比,南极底层流是一股含高氧、高营养盐、低温、高盐密度的底层流。,影响多金属结核区域变化主要因素,东、西区表层沉积物中某些地化要素对比,西区由于氧化程度强，形成以光滑型结核，此类结核中的锰矿物-MnO2为主，矿物中O：Mn离子数目比为2，锰离子为高价(Mn4+)；东区结核多为粗糙型，以钙锰矿为主，O：Mn离于数目比为1.741.87，锰离子为Mn3+、Mn4+价态。,地形的影响,影响多金属结核区域变化主要因素,海山区结核普遍较少或无结核。在无沉积物的基岩区常采到结亮与玄武岩块，在岩石表面有一层厚约12mm

4、铁锰氧化物。在海盆和丘陵区结核分布较普遍，但不同部位多金属结核的丰度、类型等亦有差异，一般在海盆中央处地形坡度小于0.3地区结核很少，在相对起伏明显处结核较多。在海盆与海山斜坡的下部，地形坡度转折的过渡区结核较多，而且结核个体较大，金属品位较高，结核也较富集，但变化较大。,水深的影响,影响多金属结核区域变化主要因素,在水深浅于4900m的洋底，结核分布较少，东、西区结核出现率分别为小1%与8.8%，而且均为个体小、金属品位低(1.80%)的光滑型结核。 在4 9005 300m水深区中不仅结核出现率高，而且结核最富集，它是多金属结核分布最主要区域。,本区碳酸盐补偿深度约在4 900m左右，此界

5、面由西向东有抬高的趋势。这告诉我们：本区碳酸盐补偿深度面与区域多金属结核分布富集的水深界线基本一致。,碳酸盐补偿深度carbonate compensation depth(CCD)海底富含碳酸盐的沉积和非碳酸盐沉积之间的岩相界面。海水到达某一深度时,碳酸盐的补给速率和溶解速率可大体得到补偿,故名。大约深海底的一半为钙质软泥所覆盖,另一半则为缺少碳酸盐的沉积物所覆盖。二者之间的界线大致随等深线变化,是因碳酸盐的溶解速度随海水深度的增加而增高的缘故。这种深度的连线便构成碳酸盐线或碳酸盐补偿面,根据补偿物质的不同,补偿深度又有方解石补偿深度、文石补偿深度及有孔虫补偿深度之分。一般在此补偿面之上保留

6、有大量碳酸盐沉积物,而此面以下则代之以大量非碳酸盐沉积物,主要为红粘土。补偿面的深度和形状因受海区碳酸盐补给量和溶解速率、地形、再沉积作用等的影响而变化。在全球范围内,碳酸盐补偿面的深度变化幅度在2000米左右。而各大洋不尽相同,如太平洋为4300米、大西洋为4900米、印度洋则为4850米。对其深度和形状的研究,有助于了解构造运动、海平面变化、海洋物理化学环境等的特点及其演变历史 。,微生物的影响,影响多金属结核区域变化主要因素,微生物依附在核心上面后就生长，它通过自身的生化作用，吸取锰等元素，堆积起来形成结核，同时有些细菌通过生物的催化和酶促使低价的Fe、Mn离子氧化成高价化合物而沉淀，也

7、可使高价Fe、Mn离子还原为低价的Fe、Mn离子而分离出来。微生物的生长、发育对洋底有用金属元素的富集、迁移有很大影响。,每克泥样中约有1001000个细菌，其形态为串珠状、树枝状等，它与结核中的菌、藻类生物形态相似，这表明结核中的菌藻生物来源于沉积物与水体中的生物。,锰结核的成因,Morgan(1967)计算了海水中Mn2+氧化的半周期为560年。与此相反，在微生物的作用下，可以大大提高Fe2+、Mn2+的氧化速率。,微生物对铁、锰的氧化和聚集,洋底水-岩-微生物生态系统系指洋底沉积物，多金属结核、孔隙水、大洋底层水及微生物所构成的多相相互作用的活的生态系统。,洋底水-岩-微生物生态系统,底

8、层水和表层沉积物富氧，沉积物为黄褐色、底层水中的pH值为7.498.0，Eh为419mV。沉积物底层水界面是一个中偏碱性有底流活动的氧化环境。 有利于氧化锰的生金菌、铁锰氧化菌、嗜盐菌等微生物的繁殖发育。 在底层水中铁细菌的数量在n103n108个/mL之间，个别达n1013个/mL，锰氧化菌及嗜盐菌都较多，高者达n1010n1015个/mL。,洋底水-岩-微生物生态系统,微生物成矿作用可分为直接或间接成矿两种方式。直接成矿包括微生物对成矿元素的聚集和对元素价态的转化，使其沉积成矿，间接方式包括微生物代谢活动中对环境物理化学条件的改变，生物分解和合成有机化合物而富集成。,洋底多金属结核微生物成

9、矿方式,微生物聚集成矿元素直接堆积成矿,生物在生长过程中需要不断从环境中摄取化学元素，以满足合成细胞物质和获得能量需要。这类元素包括Al、B、C、Cu、Fe、Mn、Mo、P、S、Be、Si、V、Zn等。有些铁、锰和某些金属矿物的聚集属于此种方式。,铁细菌、锰氧化菌、生金菌、嗜盐菌等微生物，经常在细胞壁上形成含有铁、锰氧化物的荚膜。,微生物聚集成矿元素直接堆积成矿,结核中微生物体内Fe、Mn、Cu、Ni、Co等元素含量皆高于大洋底层水。与底层水中同名元素浓度之比值(倍数)： Mn：(1.882.42)106 Fe：(0.121.15)106 Cu：(0.070.32)106 Ni：(0.1060

10、.5)106 Co：(0.0090.023)106 Ca：(0.0260.07)106 K：(0.0080.14)106 Si：(9.1311.9)103,微生物聚集成矿元素直接堆积成矿,富集成矿元素的微生物死亡后，以颗粒状形式沉积到海底沉积物中，遇到还原性细菌，可发生溶解，增加底层水和孔隙水中成矿元素的含量。这些富含成矿元素的孔隙水迁移至底层水沉积物界面处遇到氧和氧化性强的微生物，又可促使Fe、Mn氧化物的再沉积而形成多金属结核。,微生物作用改变环境的物理化学条件间接成矿,大洋各介质(底层水、沉积物及结核)中的铁细菌、锰氧化菌、生金菌、嗜盐菌及反硝化菌生金菌等微生物，在其代谢活动中都可以使介

11、质pH值升高、Eh值下降，改变介质的氧化还原条件，从而将可溶性低价的铁、锰等化合物氧化成难溶的氧化物而沉淀。,锰结核成矿阶段及成矿模式,多金属结核分布的洋底水沉积物界面上。在界面处多种因素的作用可使大洋中Fe、Mn等成矿元素氧化、吸咐和聚集，又可以由物理化学和生物作用使孔隙水中铁锰向沉淀物表面迁移，直至底层水，使底层水富集金属元素，从而使界面附近形成一个金属元素富集的界面系统。在这个系统中，微生物非常活跃，它们对主要成矿元素起催化、氧化、沉析作用，并加速Fe、Mn的分离及铁、锰氧化物的形成，利于结核的生成。,锰结核成矿阶段及成矿模式,成矿萌芽阶段:Fe、Mn氢氧化物的胶体微粒和胶团在溶液中呈絮

12、状、悬浮状态存在 浮游植物和菌藻，它们可以从表层水中吸收金属元素 由细菌作用形成的Fe、Mn颗粒在重力作用下向深海底层运移富集 当运移到洋底水沉积物界面的氧化环境时，好气性铁细菌、锰氧化菌、生金菌、好气性的异氧菌等微生物的代谢活动便使铁、锰形成高价态的氧化物及氢氧化物胶体 胶体迁移过程中可以继续形成铁、锰氢氧化物絮状物，并缓慢向大洋底部迁移。,锰结核成矿阶段及成矿模式,2.成矿物质分异富集阶段:微生物活动加速高价铁、锰氧化物的不断富集 好氧的铁细菌生金菌等微生物代谢作用促进铁率先形成氢氧化铁沉淀，pH值升高，形成更有利于氢氧化铁沉淀的“微域” 氢氧化铁凝胶吸咐海水中的Mn2+，在铁锰氧化细菌生

13、物化学催化作用下又将二价锰氧化成四价锰，形成高价锰氧化物沉淀 好氧细菌和厌氧细菌的生态演替作用，加速Fe和Mn的分异作用，使Fe和Mn呈现氧化还原再氧化的交替现象，出现富Fe和富Mn矿物的交替沉积，形成多金属结核的纹层构造。,锰结核成矿阶段及成矿模式,3.成核阶段 :微生物活动加速高价铁、锰氧化物的不断富集 在水沉积物界面上，好氧细菌在发育过程中逐渐消耗溶解氧，使沉积物表层的Eh值降低，在沉积物浅层造成局部还原环境的“微域”，在这里，好氧性细菌为厌氧的硫酸盐还原菌所替代。这类厌氧细菌的代谢活动产生H2S，使介质Eh值继续降低，固相中高价铁、锰氧化物还原溶解的作用加强，又使孔隙水富集成矿元素。当

14、孔隙水向上运移，到达沉积物顶部氧化层时，溶解的低价态Fe、Mn等元素又被铁细菌代谢活动氧化沉淀，形成富含微量元素的多金属铁锰结核,锰结核成矿阶段及成矿模式,3.成核阶段 :洋底好气与厌气微生物参与再氧化作用 在此阶段内好气性的铁细菌、生金菌、锰氧化菌和嗜盐菌等的代谢活动加强，使前阶段生成的悬浮状态的氢氧化铁及二氧化锰胶团在液相中逐渐消失，沉淀到系统底部，过量的溶解物质几乎全部转变为晶核。Fe、Mn等元素都形成高价氢氧化物及氧化物沉淀。这些难溶的铁、锰氢氧物颗粒组成皮壳沉淀，由于这些颗粒物质(介质pH6)带负电荷，它们可吸附带正电荷的微量成矿元素Cu、Ni、Co、Pb、Zn等，形成富含微量金属的

15、多金属结核。,锰结核成矿阶段及成矿模式,锰结核内层及核心均分离培养出了许多菌种的活体，表明在结核内部仍保存有地质历史时期环境中的微生物。据此可以推断，在锰结核沉积成矿过程中，微生物始终是积极的参与者。 洋底环境存在着现代微生物的强烈活动，进一步证明现今洋底环境条件下，多金属结核的微生物成矿作用仍在持续发生着。,在洋底水-岩-微生物生态系统中微生物的代谢活动及物理化学因素的综合作用，促使成矿元素得以阶段式的氧化沉淀-还原溶解-再氧化沉淀，最终形成多金属结核的成矿模式。,锰结核成矿阶段及成矿模式,锰结核的勘查方法,90年代以前，地质矿产部和国家海洋局以“海洋四号和“向阳红16号” 船对中太平洋和东

16、太平洋海盆进行了较大规模的调查研究，取得了极其丰富的地质、地球物理和多金属结核的数据资料和样品。通过对近200万km2面积的调查，圈定了30万km2以上的远景矿区。,1992年和1994年，“海洋四号”和“向阳红9号”相继进行了勘探，1995年，“大洋一号” 运用多波束测深系统和深拖系统对开辟区的地形、地貌和多金属结核的分布进行了详细的调查，并进行了深海水下机器人的试验及开辟区内的环境基线调查。,1999年3月5日我国登记矿区八年届满时，中国多金属结核开辟区50%区域放弃工作全部顺利完成。7.5万平方公里保留区域内的结核资源量，在目前可预期的回来率条件下，可以满足年产300万吨干结核，开采20

17、年的目标要求。 “八五”、 “九五”期间，中国共进行了十个航次的海上勘查。,勘查原则,在调查中采用综合的调查方法和由概查到详查的工作原则。 先由多频探测或地质取样的区域性概查，在此基础上选出结核分布的富集地区进行加密取样，深入详查。运用地质取样、多频探测和深海照相等多种先进的设备和技术进行调查。,勘查原则,测站网距为 7.57.5，测线网距大3.75 3.75。 测线布设一般力求与区域构造线、地形走向相垂直。 C-C区构造线主要为近东西向，因此测线走向近南北。 调查区风浪多为北东向，有时因风浪过大，为考虑船只的安全和调查效果，对测线方向作适当调整。 东、西区测线以水深测量和多频与浅剖探测为主，

18、适当布设重力、地磁和单道地震探测。,勘查原则,测站网距为 7.57.5，测线网距大3.75 3.75。 测线布设一般力求与区域构造线、地形走向相垂直。 C-C区构造线主要为近东西向，因此测线走向近南北。 调查区风浪多为北东向，有时因风浪过大，为考虑船只的安全和调查效果，对测线方向作适当调整。 东、西区测线以水深测量和多频与浅剖探测为主，适当布设重力、地磁和单道地震探测。,勘查方法,测站是用经纬度表示的进行地质取样或海底照相的位置。有时也延伸为进行地质取样的一个小区域。 根据多频探测和普查取样资料确定测站的布设区。在结核较富集的地区布设测站，结核富集区和丰度变化较大的地区适当加密取样，了解结核丰

19、度变化。 测站间航线的方向一般与概查时测线方向相垂直。 每个测站取样前，先由多频探测预报该站结核的丰度，以便两者对比与参考。在取样器投放时与投放约80min后(取样器触地时)均进行船只定位，测水深和结核丰度，对所测的数据进行统一处理和校正，提高准确性。,地质采样方法及设备,深海地质采样是指通过深海地质采样器直接获取海底结核和沉积物样 品，它是大洋多金属结核调查的基本 方法。,吊放设备,万米深海绞车 倒L型吊架 由液压驱动，运转稳定可靠，配有自动排缆器、速度 计、钢缆长度计和张力计，钢缆的收放可以无级调速，并有应急报警装置和电动、手动刹车装置 。,抓斗(Grab sampler),大洋50型抓斗

20、,取样面积 ：0.5m0.5m(0.25m2) 重量：约 200 kg,电视抓斗,电视抓斗浅海试验成功,电视抓斗在浅海试验中,取样面积： 0.5m0.5m(0.25m2) 重量：约440kg,箱式取样器(Box corer),重力岩芯取样器,拖网 Chain dredge haul,箱式、管式或袋式装置的加长，在船只慢速走航时进行海底拖曳作业。,无 缆 取 样 器,地质采样器的工作特点,海底视像探测技术,海底视像探测包括海底照相、海底电视和深施系统（光学系统）。,深海照相系统,海底照相在测站上有两种工作方式，一种是连续照相，另外一种是单次照相 。,连续照相：由照相机、闪光灯、声脉冲发生器、触发

21、器、直流电源、同步控制器及组装框架组成。在照相机镜头离海底3m时，每张照片画面最大可覆盖3.9m2.6m的海底面积。通过控制绞车收放钢缆，使触发拍照的重锤接触海底或离开海底。,单次照相：相机安装在自返式抓斗上在相机上用1.5m的细绳悬挂一个小重锤，当抓斗接近海底时，重锤先着地，同时拍摄一张海底照片，在照片上重锤落地的位置即为抓斗采样的位置，故相片与抓斗采样同域，抓斗的开口面积为0.4m0.5m，照片所覆盖的面积约为(2m1.5m)。拍摄单次照片的目的在于验证和校正抓斗采样结果 。,声学拖体作业示意图 光学拖体作业示意图,声学探测广泛应用于水深、地形、沉积层及多金属结核分布情况的探测。 多频探测系统探测深海底结核的粒径和丰度，是通过声波频率与反射率的关系而推算出来。 大洋沉积层的声学探测技术利用声波在沉积层中波阻抗面上的反射进行勘探，即利用反射波法地震勘探。常采用的勘探方法是：多道地震调查、单道地震调查和浅层剖面调查。,声学探测,旁侧声纳技术,旁侧声纳技术,反射波法的地球物理研究系统,调频浅层剖面仪,Seabeam2112多波束测深系统,多波束测深系统工作示意图,深潜器具,我国研制的7000米载人深潜器,Sigsbee Sounding Machine - invented by C