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日志

 
 

海底“锰结核”的由来  

2012-04-15 00:56:58|  分类: 冶金知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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从太空中俯瞰地球是个蔚蓝色星球,它表面的71%被海水覆盖。在无边无际、美丽而富饶的大海中,生活着绚丽多彩的海洋生物,也蕴藏着极其丰富的矿物资源。无数宝藏中特别诱人的自然是沉睡了亿万年的海底奇珍——“锰结核”。

1873年2月18日,正在做全球海洋考察的英国调查船“挑战者号”,在非洲西北加那利群岛的费罗岛西南大约300公里的海域,用拖网采集洋底沉积样本时,采上来一些像土豆一样的深褐色“鹅卵石”,当时并不清楚它的来历,后来这些“鹅卵石”被大英博物馆当作海底珍品收藏起来。1882年,约·雷默和雷纳教授系统地对这些样品进行化验分析,发现这种沉甸甸的团块是由锰、铁等多种金属的化合物组成,其中以氧化锰为最多。于是他俩把这种“鹅卵石”命名为“锰结核”(即多金属结核)。

锰结核散布在深海海床上,外形多种多样,一般呈扁球、椭球形,都有一定浑圆度,直径从不足1毫米到几十厘米不等,小如沙粒,大如土豆,少数可达1米以上,重量从几克到几公斤,特大者甚至有几百公斤。外表颜色主要是褐黑色,不同的颜色取决于金属元素的含量,铁的含量较高时,多为褐色或红褐色;锰的含量较高时,呈黑色或蓝色。

锰结核的形成原因至今仍是海洋研究中的难题。一般认为它是沉降于海底的金属氧化物(氧化锰、氧化铁等)集合成细小颗粒,不断吸引溶解在海水中的矿物元素聚集而成。也有人认为是海底火山喷发的大量气体中伴随的锰、铁类元素,溶入海水中后,经过氧化富集,沉淀形成的矿物团块。后一种观点虽然提及锰结核与火山有关,但对它的生长机理解释存在许多不完备的地方。如果它是缓慢凝集形成(有人认为锰结核的生长速度是每几万年才生长1毫米),那么一些重达几十公斤的锰结核该生长多少年呢?

锰结核主要分布于各大洋4000—5000米的深海中,而大洋盆是地球上地质形成年代最晚,地壳最薄,火山活动和熔岩喷发最剧烈的部位。海底岩层勘探证实,大洋盆的年龄不到2亿年,南大西洋和印度洋只有1.3亿年,几大洋盆都是白垩纪末期地球大爆发后才形成。大陆地壳平均厚度约35公里,洋壳的平均厚度只有7公里,有的地方仅2~3公里。因此,洋壳是断层裂缝最多,熔岩最容易冲破的区域。那条首尾衔接横亘太平洋、大西洋、印度洋的海底山脉——大洋中脊,正是7000万年前白垩纪末期地球大爆发时地壳开裂的最后弥合缝隙。大洋中脊山脉就是从地幔中喷涌出的大量熔岩堆积而成。大洋中脊是地壳最不安宁的“火山故乡”,它中间部分那道又深又宽的凹槽(中央裂谷)和距离大洋中脊越近的海底岩石年龄越轻等现象便足以说明。

已探明大洋盆的山峰都是死火山和活火山。镶嵌在大洋中数不清的璀璨明珠——火山岛(如著名的夏威夷群岛)就是海底火山的产儿,它们原是由几千米深海底喷射的熔岩堆积而成。海洋中那些或孤峰耸立,或群峰成片的平顶山,则是被潮汐、海浪等外力作用削平的火山。还有那种由火山喷发的熔岩碎块和火山灰堆成的因为质地疏松结构脆弱经受不住海浪冲蚀而时隐时现,神出鬼没,充满神秘色彩的幽灵岛,也都是熔岩喷发的结果。这种喷发贯穿于地球演变的全过程。

其实锰结核的成因很简单,就是在白垩纪末期地球大爆发中和之后的7000万年中从未间断的大洋中脊山脉以及分散的海底火山不断喷发时,由于巨大压力和温差(岩浆温度大多高达1000℃以上,而深海水温一般只有4℃左右)引起的剧烈爆炸作用下,一些飞溅的分散岩浆,遇到冰冷的海水,冷却凝固为矿物质颗粒(像炼钢时沸腾飞溅的钢水滴冷却后凝固的钢渣)。锰结核——即从海底火山喷发的高温岩浆(主要是硅类)中由于元素熔点不同分离出来的,以地幔深处含量较多,熔点相近的金属元素为主(锰结核金属含量普遍达30%以上,其中最多的是锰、铁,各种金属元素的含量大约是锰25%、铁14%、镍1.9%、铜0.5%、钴0.4%,)与非金属元素混合构成的小块冷凝固结矿物。

锰结核往往沉积于一些玄武岩、红粘土和碎石浮屑的周围。玄武岩是熔岩冷却凝固而成;红粘土是火山灰尘的堆积物;碎石浮屑更是典型的火山喷发遗迹,这几种不同形态物质的共存恰恰证明了它们有着相同的形成原因。锰结核和大洋中脊裂谷底部的炽热岩浆从缝隙中缓慢流出时遇上冰冷海水骤然凝结形成的“海底热液矿”以及那种“海底多金属软泥”同样都是地球内部熔岩活动的产物,所以它们有着基本相同的元素构成,都处在几千米深的海底熔岩喷发频繁剧烈的区域。

1974年法、美两国的科学考察深潜器,深入亚速尔群岛西南约124公里的大西洋中脊裂谷中时看到一幅美妙的海底奇观,炽热的岩浆从地壳深处顺着裂缝缓慢流出,遇上冰冷的海水骤然凝结,形成奇形怪状的岩石。有的像被打破的鸡蛋流出的蛋黄,有的似一卷卷棉纱,有的如同刚挤出的牙膏,这种岩石的玻璃质外壳显示了与锰结核相同的岩浆在水里迅速冷却的特征。

1972年,美国科学家在加拉帕戈斯群岛附近海底还发现了喷涌热流的海底热泉和形如烟囱冒出高达数十米滚滚浓烟的巨大石管。这些热液中含有丰富的铁、锌、铜等矿物质,它们喷出后迅速冷却,在热泉口周围形成一系列红、黄、棕、白、黑色的金属小丘。这种海底热液矿床,分布在火山活动集中的洋中脊裂谷处或与火山有关的断裂带上,应是火山周期性喷发中形成的副产物。

熔岩喷发活动除了形成团块状物质外,还有火山灰尘形成的海底软泥。从1948年瑞典“信天翁”号考察船在幽深的红海发现富含重金属的沉积构造后,各种有关多金属软泥矿的消息接踵而来。这种软泥中金属含量特别高,主要是一些氧化铁、氧化锰、硫化物等,它们和锰结核一样连续地铺在海底表层。

    从锰结核的元素构成和物质结构的融合性、致密性可以看出它们不会是海水中矿物质在常温下的凝结沉淀物。锰为银灰色金属,表面极易生锈,与氧接触即变成灰蒙蒙没有光泽的二氧化锰,锰和铁是“生死与共的战友”。锰、铁、镍、铜、钴是熔点相近、比重相似、非常坚硬的金属,这些元素(包括其它金属和非金属元素)的熔点都在1000℃以上,只有在高温高压下才可能融合在一起。况且海水中锰、铁类元素的平均含量微乎其微,1升海水里所溶解的锰仅有10万分之2克,整个海洋总储量也不过27亿吨,怎么会凝结沉淀这么多含锰的矿物呢?在又苦又咸的海水中溶解的化学元素主要是氯化钠(77.91%)、氯化镁(10.60%)、硫酸镁(4.87%)、硫酸钙(3.57%)、硫酸钾(3.57%)等,其它微量元素的含量还不到盐类的0.015%,为什么海水中含量最多的钠、钾、镁元素在锰结核里却反而含量极少呢?,因此,毫无疑问锰结核是高温熔融矿物质——即熔岩喷发过程中从岩浆里分离出来的结晶体。

至于剖开看一些锰结核内部像树木年轮一样层层环绕的同心层结构,究其成因是:许多海底火山爆发是持续时间相当长的过程,熔岩喷发时,最早冷却凝固的较小岩石颗粒,在海水中下落接触到仍处于熔融状态的岩浆时,受正在向上喷发岩浆的涌升力推动,又被喷发上去,同时外层粘上一层岩浆,就这样在海水中反复上下翻滚对流,当达到一定重量时,熔岩喷发的顶托作用减弱,结晶颗粒便落在海底,于是形成了一层包裹一层的同心层结构。

这与冰雹的形成原理基本相同,在高空形成的小冰晶颗粒下降时,由于地面热空气的顶托,在云层中反复上下翻滚,一层一层加大直到落地为止。因此,大型冰雹的特征——有中心核的雹胚和核外多层结构与锰结核的特征十分相似。< XMLNAMESPACE PREFIX ="O" />

另外各种菜花状、葡萄串状的锰结核则是一些小颗粒矿物结晶在炽热岩浆中互相粘合形成的团块。还有在锰结核中发现的动物骨骼,是因为海底火山喷发时,有一些受害动物的残骸(如古鲸耳石、鲨鱼牙齿等)混合在岩浆中,冷却后被包裹在锰结核里自然也在所难免。

就整个海洋来说,锰结核储量是巨大的,但它的分布并不均匀。锰结核的分布区域、数量与地质构造密切相关。海底熔岩大规模喷发频繁的海底山脉、地壳裂缝区域,锰结核覆盖面积大,密集度高,可以叠连成片。在极少有海底火山的大陆架和内海区域,缺乏形成锰结核的地质环境,所以基本上没有锰结核的分布。

锰结核的物质构成则取决于喷发区域地幔深处的物质构成,不同海区地层中的元素含量不完全相同,因此太平洋与印度洋、大西洋的锰结核化学成分各有区别。锰结核的形状、硬度等因熔岩喷发强弱程度而存在差异。能量大、温度高的强烈喷发中生成的锰结核个体大,质地较硬;反之能量小、温度低的喷发形成的锰结核个体较小,硬度低。

海洋开发是一个内容广泛意义深远的事业,具有极其广阔的发展前景。通过卫星的高空遥测,考察巨轮的海面勘探,深水潜艇的海底观察等最新技术的立体作业,海底世界已不再深奥莫测。随着我们认识的深入,锰结核成因的疑惑一定会彻底解开。


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