海洋资源勘探 -海洋资源勘探技术的特点

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矿产资源是极其宝贵的自然财富，是人类赖以生存和发展的物质基础。海洋矿产资源的发现与勘查不仅需要新的技术方法，而且开辟了寻找矿物宝藏的新领域，因此，自然成为了学科前缘研究的热点问题，引起了世界各国的广泛关注。

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众所周知，地球表面由大陆和海洋这两个基本地貌单元构成。海洋面积约3.62×108km²，近地球表面积的71％。海洋中含有13.5×108km³ 以上的水，约占地球上总水量的97％。全球海洋一般分为四大洋，即太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋（有科学家又加上第五大洋，即南极洲附近的海域），大部分以陆地和海底地形线为界。在地球表面上大陆和洋底呈现为两个不同的台阶面，陆地大部分地区海拔为0 ～ 1km，洋底大部分地区深度为4 ～ 6km。整个海底可分为三大基本地形单元：大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊。大陆边缘为大陆与洋底两大台阶面之间广阔的过渡地带，约占海洋总面积的22％，通常将大陆边缘划分为大西洋型大陆边缘（也称被动大陆边缘）和太平洋型大陆边缘（也称活动大陆边缘）。大洋盆地位于大洋中脊与大陆边缘之间，它的一侧与中脊平缓的坡麓相接，另一侧与大陆隆（大西洋型大陆边缘）或海沟（太平洋型大陆边缘）相邻，约占海洋总面积的45％。大洋中脊是地球上最长最宽的环球性洋中山系，占海洋总面积的33％。太平洋内，山系位置偏东，起伏程度小于大西洋中脊，称东太平洋海隆。大西洋中脊呈S 形，与两岸轮廓平行。印度洋中脊歧分三支，呈“入”字形。三大洋的中脊南端在南半球相互连接，北端分别经浅海或海湾潜伏进大陆。中脊被一系列与山系走向垂直或稍斜交的大断裂错开，沿断裂带出现狭长的沟槽、海脊和崖壁，断裂带两侧海底被分割成深度不同的台阶。

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▲全球热液活动分布图（据International Cooperation in Ridge-Crest Studies 网站）.热液喷口和多金属硫化物矿点形成的板块构造位置多种多样，目前在全球洋中脊、岛弧、弧后扩张中心、板内热点或大陆裂谷等大多数构造环境下均有发现

同大陆地貌单元一样，浩瀚的海洋蕴藏着丰富的矿产资源。海洋矿产资源又称海底矿产资源，包括海滨、浅海、深海、大洋盆地和洋中脊底部的各类矿产资源。按矿床成因和赋存状况分为：①砂矿，主要来源于陆上的岩矿碎屑，经河流、海水（包括海流与潮汐）、冰川和风的搬运与分选，最后在海滨或陆架区的适宜地段沉积富集而成，如砂金、砂铂、金刚石、砂锡与砂铁矿，以及钛铁石与锆石、金红石与独居石等共生复合型砂矿；②海底自生矿产，由化学、生物和热液作用等在海洋内生成的自然矿物，可直接形成或经过富集后形成，如磷灰石、海绿石、重晶石、海底锰结核及海底多金属热液矿（以锌、铜为主）；③海底固结岩中的矿产，大多属于陆上矿床向海下的延伸，如海底油气资源、硫矿及煤等。根据目前的研究程度，海底油气资源、海底锰结核及海滨复合型砂矿的工作程度相对较高，资源勘查与开发已经不同程度地进入到实用化阶段。

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国际海底区域面积达2.517×108km²，占地球表面积的49％，是国家领土、专属经济区及大陆架以外的海底及其底土，不受任何国家管辖。这一广阔的海底区域内蕴藏着丰富的紧缺矿产资源，如多金属硫化物、多金属结核和富钴结壳等。随着深海调查技术的发展及陆地矿产资源的日益消耗，海底矿产资源的勘探开发即将成为现实，这也使其成为各国竞相研究开发的目标。

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▲洋中脊热液循环系统及热液沉积模式（黄威等，2016）

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海底地形与陆地地形一样，是由内、外动力地质营力的共同作用而形成的，不过，海底大地形通常是内力作用的直接产物，与海底扩张、板块构造活动息息相关。大洋中脊轴部是海底扩张中心，宏伟的中脊地形实际上是上涌的热膨胀地幔物质的反映。海底在向两侧扩张的过程中伴随着冷却下沉。海底扩张慢，有充分时间冷却沉陷，中脊两坡较陡，如大西洋中脊；海底扩张快，则两坡较缓，如东太平洋海隆。自中脊轴带向两侧，随着海底年龄变老，水深加大，沉积层加厚；相应地，大洋中脊过渡为大洋盆地，中脊顶部崎岖的地形被深海丘陵以至深海平原代替。自大洋盆地向大陆一侧，出现两种情况：一是未发生板块俯冲活动，形成宽缓的大西洋型大陆边缘；二是板块的俯冲形成深邃的海沟与伴生的火山弧（太平洋型大陆边缘），地形高低悬殊，火山弧陆侧可因弧后扩张作用形成边缘盆地。与海底热液活动相伴生的多金属硫化物富含Cu、Zn、Pb、Au 和Ag 等金属元素，广泛分布于大洋中脊、岛弧和弧后盆地等不同构造环境。Hannington 估算全球多金属硫化物总含量达到1×108t，铜和锌含量约3×107t，与陆地上新生代块状多金属硫化物矿床发现的铜、锌含量相当。海底多金属硫化物资源具有巨大的开发潜力和远景，将成为人类未来可开采的海底矿产资源的重要组成部分，是21 世纪人类可持续发展的战略替代资源之一。2011 年7 月国际海底管理局第17 次会议核准了中国关于西南印度洋中脊上10000km² 硫化物矿区的申请，包含12 个区块组，共100 个区块，我国获得了该区的专属勘探权和优先商业开采权。根据国际海底管理局的章程，10 年后我国只能保有25％的面积的勘探开采权，因此，勘探区资源评价和区域放弃工作刻不容缓。深海硫化物资源因其特殊的海洋环境，由于受其特殊的自然环境和物理化学条件限制，调查和实地勘探难度很大，与陆地同类型多金属硫化物矿床研究程度相比，调查程度及资料精度亦相对较低。数百年以来，人们在陆域找矿积累了丰富的理论和经验，而对于大洋深处的找矿与勘查，从理论到方法都急需创新性的研究。

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▲南大西洋研究区示意图

“发展是硬道理，创新是发展的硬道理”。进入21 世纪，大数据科学成为新的科学范式。中国科学院院士赵鹏大提出，大数据时代需重视数字地质研究，认为大数据时代数字地质推动地质找矿新发展，要重视数字地质与矿产资源评价研究。成矿预测新方法应将矿床学家和数学地质学家的预测方法结合起来，总结成矿规律与成矿模式、建立区域成矿模型，并尽可能多地建立定量评价模型，对地质、地球物理、地球化学等综合信息进行深入的信息挖掘和知识发现，根据成矿地质模型和实际勘探资料圈定缩小靶区，真正实现定量分析与地质找矿的有机结合。

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▲混合驱动定量预测评价流程

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由此可见：海洋矿产资源勘查，特别是国际海底区域内丰富的紧缺金属矿产资源的发现与勘查，总体面临着这样一个客观的现实：各类资料少、可借鉴的经验不多，工作程度低、难度大，交通运输不便，技术方法受限，海域工作时间与周期受各种条件限制，等等。因此，开展这样一个新领域的矿产资源勘查研究，必须首先解决以下几个关键问题：①理论创新，借鉴陆域矿产勘查的理论与方法，针对国际海洋矿产资源管理的有关公约，即公海专属合同区申请，到随后8 年和10 年后分别放弃50％和75％勘探区的三个勘查（找矿）阶段的实际需求，建立海洋矿产资源勘查（找矿）的技术方法体系；②方法创新，应用大数据分析的理论与方法在充分收集和应用海洋矿产资源调查的有关资料和数据的同时，充分利用现有国际公开发布的各类数据，以信息挖掘和综合分析技术为海洋矿产资源勘查不同阶段的预测与评价提供科学依据；③实践检验，这样的技术方法不仅是学科理论的创新与发展，更重要的是需要具有可行性和可操作性，能够直接为国际公海的找矿实践提供服务。这样的三个关键科学问题的研究和成果积累，就构成了《洋中脊多金属硫化物成矿定量预测》（陈建平 任梦依 方捷 邵珂 刘露诗 等著. 北京：科学出版社，2017.4，以下简称“本书”）一书的三个篇章。

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▲印度洋研究区示意图

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本书上篇为基础理论，针对矿产资源勘查（找矿）的三个不同阶段，以现代成矿理论和矿产勘查学为指导，以各种数据综合信息的定量分析为技术手段，建立应用于各阶段海洋矿产资源勘查的完整理论和技术方法体系，即第一阶段公海区域专属合同区的快速评价（区块申请建议），第二阶段专属合同区内有利成矿区带圈定（8 年后减持50％勘探区的部署建议），第三阶段成矿区带中的找矿靶区优选（10 年后减持75％勘探区的部署建议）。本书中篇为方法验证，选择国际公认的研究程度相对较高的大西洋为方法验证区，系统开展洋中脊多金属硫化物找矿的定量预测与评价，结果表明了方法的可行性和有效性。本书下篇为应用实例，选择我国在西南印度洋脊上拥有专属勘探权和优先商业开采权的10000km² 为研究应用区，通过系统的应用分析进一步明确了找矿靶区，并分别为我国在2019 年和2021 年放弃50％和75％的勘探区面积的工作需要提供了科学依据和部署建议。

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▲印度洋研究区后验概率及各国合同区位置示意图

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上述成果的取得历时5 年，是一个研究团队共同努力、集体智慧创造与辛勤劳动的结晶。团队成员包括：陈建平教授、任梦依博士、于淼博士、于萍萍博士、李珂博士，以及方捷硕士、邵珂硕士、刘露诗硕士、常慧娟硕士、尹晓云硕士、柴福山硕士、孙海雪硕士等。这一成果是在中国地质大学（北京）、北京市国土资源信息研究开发重点实验室、国土资源部非传统矿产资源开放研究实验室、国家海洋局第二海洋研究所、中国地质科学院地质研究所以及矿产资源研究所领导和专家的指导帮助下取得的。还要特别感谢赵鹏大院士、李裕伟教授、陶春辉研究员、侯增谦研究员、苏新教授、李振清博士、张盛博士、裴英茹博士、张柏松硕士等。

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本文摘编自《洋中脊多金属硫化物成矿定量预测》（陈建平 任梦依 方捷 邵珂 刘露诗 等著. 责任编辑：王运　陈姣姣. 北京：科学出版社，2017.4）一书“前言”。

ISBN 978-7-03-052553-6

矿产资源是极其宝贵的自然财富，是人类赖以生存和发展的物质基础。21 世纪以来，陆域矿产资源面临难识别、难发现和难开发的局面，海洋矿产资源作为矿产资源的新类型和新领域，已成为学科前缘研究的热点。《洋中脊多金属硫化物成矿定量预测》在多年矿产资源成矿定量预测研究成果的基础上，针对海底多金属硫化物的海洋调查工作需求，系统地建立了海底多金属硫化物资源定量预测评价的方法体系，并成功地应用于大西洋和印度洋海底多金属硫化物的成矿预测研究中，采用二维成矿定量预测方法到三维成矿定量预测方法再到双向预测评价的创新技术方法，实现逐步缩小找矿靶区范围的定量化评价过程。研究成果为海底多金属硫化物的勘探规划提供了科学依据，对于开展其他类型的海洋矿产资源找矿预测研究具有较大的参考意义。

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