张富元，章伟艳，任向文，张霄宇，朱克超

（1.国家海洋局第二海洋研究所海底科学国家海洋局重点实验室，浙江杭州310012；2.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012；3.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061；4.浙江大学地球科学系，浙江杭州310012；5.国土资源部广州海洋地质调查局，广东广州510075）

全球三大洋海山钴结壳资源量估算

张富元1，2，章伟艳1，2，任向文3，张霄宇4，朱克超5

（1.国家海洋局第二海洋研究所海底科学国家海洋局重点实验室，浙江杭州310012；2.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012；3.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061；4.浙江大学地球科学系，浙江杭州310012；5.国土资源部广州海洋地质调查局，广东广州510075）

钴结壳具有Co、Ni、Cu和Mn及其他金属的潜在矿产资源和储存在结壳层中古环境信息的双重意义。与深海多金属结核和热液硫化物矿床相比，具有较高Co、Ni和Pt含量的海山钴结壳有可能成为商业勘探的潜在目标。为合理地估算出全球三大洋海山钴结壳资源量，基于我国西太平洋海山钴结壳拖网采样调查资料和对太平洋海山钴结壳资源分布规律和钴结壳矿区圈定参数指标的深入研究，按海山不同高度、不同洋壳年龄赋予不同结壳厚度，进而计算出全球三大洋海山钴结壳分布面积为3 039 452.14 k m2和干结壳资源量为（1 081.166 1～2 162.332 2）×108t。太平洋海山钴结壳分布面积为2 123 087.12 k m2和干结壳资源量为（513.244～1 026.488）×108t，大西洋海山钴结壳分布面积为512 509.74 k m2和干结壳资源量为（116.503 2～233.006 4）×108t，印度洋海山钴结壳分布面积为403 855.28 k m2和干结壳资源量为（81.484 9～162.969 8）×108t。三大洋海山钴结壳的Mn、Co、Ni和Cu金属量分别为（138.848 0～277.696 0）×108t，（3.967 6～7.935 2）×108t、（2.793 6～5.587 2）×108t和（0.825 1～1.650 2）×108t。根据钴结壳的Co含量、Co通量和厚度相关分析，所赋予的钴结壳厚度占理论推测厚度的6.10%～12.20%，这与Ku等得出“钴结壳生长时间约占其整个生命史4%”的认识非常相近。三大洋海山钴结壳实测厚度与赋值厚度对比分析表明，太平洋海山钴结壳赋值厚度平均值为1.87 cm，实测厚度平均值为1.77 cm，相对误差为5.35%，大西洋和印度洋相对误差分别为18.18%和23.23%。研究数据表明按海山高度和洋壳年龄所赋的钴结壳厚度基本合理，估算出的钴结壳资源量基本可靠。本文首次估算出三大洋海山钴结壳资源量，为整个海盆和三大洋海山钴结壳资源量估算提供了新方法。

三大洋；海山；钴结壳；资源量；估算；矿产资源评价

张富元，章伟艳，任向文，等.全球三大洋海山钴结壳资源量估算［J］.海洋学报，2015，37（1）：88—105，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.010

Zhang Fuyuan，Zhang Weiyan，Ren Xiangwen，et al.Resource estimation of Co-rich crusts of seamounts in the three oceans［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（1）：88—105，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.010

1　引言

生长在洋底海山上钴结壳（Co-rich ferromanganese crust）是Mn、Cu、Co、Ni、Pt和其他金属的潜在矿产资源［1—2］，也是储存大量海洋环境信息的重要载体［3—4］。由于钴结壳集海洋资源和环境双重信息，各国对其调查研究方兴未艾。自20世纪80年代起，德国、俄罗斯、美国、法国、澳大利亚、韩国、日本、中国等国家投入大量经费进行钴结壳资源调查研究。1981年德国“太阳号”首次对太平洋莱恩群岛进行钴结壳资源调查，获得惊人发现，证实太平洋较大范围内存在具有经济潜力的钴结壳矿床［5］。1982年前苏联在大西洋、太平洋相继开展钴结壳资源调查［6］。1983-1984年美国对中太平洋、马绍尔群岛、专属经济区进行了详细的钴结壳资源调查［7—8］。大洋钴结壳资源勘查目的之一就是估算钴结壳资源量，然而迄今为止，国内外学者尚未估算出全球三大洋海山钴结壳资源量。究其原因，一是因为大洋幅员辽阔，水深大，海山分布浩瀚，举国之力也难以调查清楚钴结壳资源分布真实情况，二是对不同高度、不同年龄的每座海山不知如何赋予钴结壳厚度和对这一问题缺乏行之有效的解决办法。基于我国对西太平洋钴结壳资源调查资料和对太平洋海山钴结壳资源分布规律的深入研究［9—15］，结合对海山成因、最低含氧层和Co通量的深刻认识，利用国际互联网公布的高精度卫星测高得出的海山数据，对太平洋海山按不同高度、不同洋壳年龄分别赋予不同结壳厚度，计算出太平洋海山钴结壳资源量。同时将钴结壳生长的理论厚度与拖网获得的钴结壳厚度相比较，得出钴结壳Co沉积量约占Co通量的6%，这与“钴结壳生长时间约占其整个生命史4%”的认识很接近［16］，研究表明按海山高度和洋壳年龄赋予结壳厚度进而估算海山钴结壳资源量的方法基本可行，采用太平洋海山钴结壳资源量估算方法和成功经验，首次估算出三大洋海山钴结壳资源量，并对海山钴结壳赋值厚度和资源量估算进行可行性分析。

2　海山钴结壳资源量估算的重要参数

2.1钴结壳厚度、丰度和金属含量

钴结壳资源量计算和资源评价中涉及到的重要参数包括结壳厚度、丰度、金属含量、最低含氧层深度、水深、洋壳（海山）年龄。钴结壳厚度是指生长在基岩上的结壳厚度，通常用厘米表示。钴结壳丰度是指海山表面单位面积内湿结壳重量，用千克每平方米表示。钴结壳丰度计算公式F=10×ρ×D，式中F为结壳丰度（单位：kg/m2），ρ为结壳湿密度（单位：g/ cm3），D为结壳厚度（单位：cm）。Mn、Cu、Co、Ni是结壳中最有经济价值的金属元素。我国对西太平洋（5° N～25°S，150°E～165°W）海山钴结壳资源调查结果表明［14-15］，拖网采样结壳厚度为0～22 cm，平均3.08 cm；丰度0～431.2 kg/m2，平均65.39 kg/m2。Mn含量9.71%～33.32%，平均21.92%；Cu含量0.01%～0.31%，平均0.13%；Co含量0.14%～1.49%，平均0.60%；Ni含量0.18%～1.05%，平均0.44%。含水率14.40%～47.13%，平均28.13%。

2.2最低含氧层和钴结壳分布深度

钴结壳主要为水成成因［17—18］，钴结壳成矿作用主要发生在最低含氧层深度附近［19］，钴结壳生长与水深、最低含氧层和洋壳（海山）年龄密切相关，钴结壳主要分布在具有一定高度、年龄较老、最低含氧层发育的海山上。我国调查资料表明西太平洋最低含氧层深度为500～1 100 m（图1），太平洋其他海区的最低含氧层深度大致也是如此［20—22］。大西洋最低含氧层深度为300～700 m［23—24］。印度洋最低含氧层深度为300～1 100 m［23，25—26］。西太平洋海山钴结壳主要分布水深小于2 800 m，中太平洋海山钴结壳主要分布水深小于2 500 m［13］，东太平洋（夏威夷海山链）海山钴结壳主要分布水深800～2 400 m［27］。由东向西，结壳分布水深总趋势是随海底水深变深而变深。大西洋海山钴结壳主要分布在水深1 500～2 665 m［17，28］。印度洋海山钴结壳主要分布水深小于2 500 m，在印度洋Afanasiy-Nikitin海山1 600～3 200 m水深成功的采集到钴结壳［29］。

图1　西太平洋最低含氧层水深分布（5个测站）Fig.1 The water depth distribution of oxygen minimum zone in the western Pacific（five sites）

2.3钴结壳厚度与洋壳（海山）沉降深度、水深关系

洋壳（海山）岩石的冷却收缩作用导致洋壳（海山）发生沉降，Sclater等［30］建立海底水深d（单位：m）与洋壳年龄t（单位：Ma）的关系式为d=2 500+ 350t0.5［31］。据此关系式，洋壳或海山沉降（Δd）500 m，需要时间（Δt）2.04 Ma；沉降2 000 m，需要时间32.65 Ma；沉降3 000 m，需要时间73.46 Ma；沉降3 500 m，需要时间100 Ma。同时，采用结壳平均生长速率1.1 m m/Ma［3，32］，如果生长结壳的海山下沉3 500 m，对应的下沉时间为100 Ma，相应的结壳厚度从水深500 m的2.24 m m生长到水深4 000 m的110 m m（表1）。海山高受到最低含氧层成矿作用时间长，结壳生长时间长，结壳厚度大；海山低受最低含氧层成矿作用时间短，结壳生长时间短，结壳厚度小。因此，需要对不同高度海山赋予不同结壳厚度。

表1　钴结壳厚度与洋壳（海山）沉降深度关系Tab.1 Relationship between cobalt crust thickness and subsided depth of the ocean crust（seamounts）

2.4钴结壳厚度与洋壳（海山）年龄关系

Segl等［33］认为根据目前拖网调查资料不可能精确地测定海山钴结壳厚度，因为采集的结壳厚度变化很大，多数情况下没有能力建立起统计学上有效的平均值［27］。因此，许多学者［34—35］研究了钴结壳厚度与基岩年龄之间的关系。美国夏威夷东西方研究中心利用海山基底年龄赋予钴结壳厚度，对美国专属经济区及太平洋有关岛屿、海山区的钴结壳资源潜力进行了估算，他们对年龄大于40 Ma的海山赋予2 cm的钴结壳厚度，年龄小于40 Ma的海山赋予1.5 cm的结壳厚度，年龄小于2～5 Ma的海山不进行资源量估算［2］。由于夏威夷海岭火山年龄建立得非常好，含有结壳的拖网样品又沿海岭采集，所以结壳厚度随夏威夷海岭基底年龄增加而线性增加，钴结壳厚度与年龄基本呈正相关（图2）。

图2　钴结壳厚度与年龄关系（数据见表10）Fig.2 Relationship between the thickness of cobalt crust and its age（data from Tab.10）

М амвеенков和Седов［38］划分出太平洋板内火山作用的4个活动期。第1期岩浆活动年龄为距今100～120 Ma，中太平洋海山区、马尔库斯-威克海山区、麦哲伦海山区的大多数海山是在这一时期形成的。第2期距今75～90 Ma，中太平洋海山区、马尔库斯-威克海山区、马绍尔群岛在这一时期形成。第3期距今40～50 Ma，马绍尔群岛和莱恩群岛一部分海山形成于这一时期。第4期距今20～30 Ma，这一时期产生南太平洋部分岛屿。太平洋8 264座海山的洋壳年龄约0.10～170.32 Ma，平均81.89 Ma。东太平洋壳年龄小，西北太平洋壳年龄大。洋壳年龄大的海山年龄一般也较大，海山年龄与洋壳年龄密切相关，两者都显示出由东向西变老的趋势（图3）。洋壳老、海山年龄相对较大，结壳生长时间长，结壳厚度大。据此可以对海山洋壳年龄分级，并对不同洋壳年龄的海山赋予不同的结壳厚度，然后计算钴结壳资源量。

图3　西太平洋洋壳（海山）年龄与经度关系（数据来自参考文献［36—37］）Fig.3 Relationship between ages of ocean crust（seamount）and its longitude（data from reference［36-37］）

3　全球三大洋海山面积

2001年，Wessel［37］提供的高度大于1 000 m的全球大洋海山数量为14 675座。2010年，Wessel等［39］利用ERS-1/Geosat网格化垂直重力梯度数据，研究板内火山作用形成的全球大洋海山数量，结果得出分布在不同板块内高度大于1 000 m的全球大洋海山数量为11 882座。两次海山数据对比表明，2001年 Wessel［37］公布的全球海山多计数2 793座，印度板块和非洲板块的两次海山数据相等，太平洋板块有1座海山计数2次，科科斯板块和纳兹卡板块的每座海山计数2次，南极洲板块、欧亚板块和南美板块的每座海山计数3次，北美板块多计数843座海山。本文钴结壳资源量估算采用2010年Wessel等［39］公布的全球大洋11 882座海山数据（见图4，表2）。

表2　全球各板块高度大于1 000 m海山分布Tab.2 Statistics of seamounts（1 000 m higher than adjacent ocean floor）of main tectonic plates in the world

续表2

图4　全球三大洋高度大于1 000 m海山分布图（据Wessel等［39］公布的11 882座海山数据绘制）Fig.4 Distribution of seamounts（1 000 m higher than adjacent ocean floor）in three oceans（drawn based on data for 11 882 seamounts publ ished by Wessel et al.［39］）

3.1全球三大洋海山面积

2010年Wessel等［39］公布的太平洋8 264座海山（表2）的经度为131.1500°～288.4170°，平均值为200.9131°；纬度为-69.9500°～58.1922°，平均值为-3.0466°；海山半径为3.22～100 k m，平均值为13.86 k m；海山高度为1 000～8 000 m，平均值为2 464 m；海山所在位置的洋壳年龄为0.10～170.30 Ma，平均值为81.89 Ma。太平洋8 264座海山中，高度1 000～2 000 m海山3 401座，占海山总数的41.15%，2 000～3 000 m海山3 352座，占40.56%，3 000～4 000 m海山1 039座，占12.57%，大于4 000 m海山472座，占5.71%。以海山为单位并根据投影面积计算公式πr2（r为海山半径）计算出单座海山投影面积为32.57～31 416 k m2，平均值为856.36 k m2，太平洋8 264座海山总面积为7 076 957.07 k m2。

表2　太平洋海山钴结壳资源量计算（按海山高度）（n=8 264）Tab.2 Resource estimation of of cobalt crusts on the seamounts in the Pacific Ocean based on seamount height

续表2

前苏联在1968年和1970年利用“Vitiaz”调查船对太平洋马尔库斯-内克尔海脊及中太平洋海山区进行钴结壳资源调查，西北太平洋3个钴结壳成矿省（夏威夷-皇帝海岭、莱恩群岛、马尔库斯）面积为3 290 300 km2和资源量为4 627.7 Mt［6］。美国对夏威夷群岛、马绍尔群岛、中太平洋海山区［7］海山分布面积计算出为491 520 km2。前苏联对太平洋钴结壳资源分布面积计算是比较粗略的，他们把生长钴结壳的海山区看作是一个整体，实际上太平洋大多数海山是热点成因而呈离散状孤立分布，海山之间是水深大、基本不长结壳的海底，钴结壳分布面积计算应排除海山之间的海底面积，这样才能得出较准确的结壳分布面积。

大西洋1 748座海山（表3）的经度为-69.517 0°～19.050 0°，平均值为-15.194 2°；纬度为-67.383 3°～55.316 7°，平均值为-12.411 3°；海山半径为3.72～58.29 km，平均值为14.82 km；海山高度为1 000～7 300 m，平均值为2 600 m；海山所在位置的洋壳年龄为2.40～177.10 Ma，平均值为80.59 Ma。大西洋1 748座海山中，高度1 000～2 000 m海山553座，占海山总数的31.64%，2 000～3 000 m海山798座，占45.65%，3 000～4 000 m海山278座，占15.90%，大于4 000 m海山472座，占6.81%。大西洋1 748座海山单座海山投影面积为43.47～10 674.29 km2，平均值为977.33 km2，总面积为1 708 365.79 km2。

表3　大西洋海山钴结壳资源量计算（按海山高度）（n=1 748）Tab.3 Resource estimation of cobalt crusts on the seamounts in the Atlantic Ocean based on seamount height

续表3

印度洋1 870座海山（表4）的经度为20.816 7°～146.250 0°，平均值为72.271 7°；纬度为-60.983 3°～17.183 3°，平均值为-16.690 4°；海山半径为3.72～56.01 k m，平均值为12.76 k m；海山高度为1 000～7 300 m，平均值为2 241 m；海山所在位置的洋壳年龄为0.40～169.10 Ma，平均值为68.52 Ma。印度洋1 870座海山中，高度1 000～2 000 m海山900座，占海山总数48.13%，2 000～3 000 m海山811座，占43.37%，3 000～4 000 m海山115座，占6.15%，大于4 000 m海山44座，占2.35%。印度洋1 870座海山单座海山投影面积为43.47～9 855.58 k m2，平均值为719.88 k m2，总面积为1 346 184.27 k m2。

表4　印度洋海山钴结壳资源量计算（按海山高度）（n=1 870）Tab.4 Resource estimation of cobalt crust on the seamounts in the Indian Ocean based on seamount height

全球三大洋11 882座海山（见表5）的经度为0.016 7°～359.983 0°，平均值为186.141 6°；纬度为-60.950 0°～58.192 2°，平均值为-6.571 6°；海山半径为3.22～100.00 k m，平均值为13.83 k m；海山高度为1 000～8 000 m，平均值为2 449 m；海山所在位置的洋壳年龄为0.10～177.10 Ma，平均值为79.52 Ma。三大洋11 882座海山中，高度1 000～2 000 m海山4 854座，占海山总数40.85%，2 000～3 000 m海山4 961座，占41.75%，3 000～4 000 m海山1 432座，占12.05%，大于4 000 m海山635座，占5.34%。三大洋11 882座海山单座海山投影面积为32.57～31 416.00 k m2，平均值为852.68 k m2，总面积为10 131 507.13 k m2。

表5　全球三大洋海山钴结壳资源量计算（按海山高度）（n=11 882）Tab.5 Resource estimation of cobalt crusts on the seamounts in the three oceans based on seamount height

3.2按海山高度赋予不同结壳厚度及资源量计算

根据海山高度、结合钴结壳厚度变化规律资料，把海山高度分为0～2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、4 000～5 000 m、5 000～6 000 m和6 000～8 000 m共6个等级，分别赋予结壳厚度为1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3 cm和3.5 cm，相应的结壳丰度为18 kg/m2、27 kg/m2、36 kg/m2、45 kg/m2、54 kg/m2和63 kg/m2、平均丰度为30.78 kg/m2。按海山高度赋予太平洋、大西洋、印度洋和全球三大洋钴结壳平均厚度分别为1.73 cm、1.77 cm、1.54 cm和1.71 cm，相应的结壳丰度为31.14kg/m2、31.86 kg/m2、27.72 kg/m2和30.78 kg/m2。

根据海山高度、结壳面积和结壳丰度计算，太平洋海山结壳湿资源量为662.414 5×108t和干资源量为476.938 4×108t（见表2）。大西洋海山结壳湿资源量为163.466 9×108t和干资源量为117.696 2× 108t（见表3）。印度洋海山结壳湿资源量为111.646 8×108t和干资源量为80.385 7×108t（见表4）。三大洋海山结壳湿资源量为937.528 1×108t和干资源量为675.020 3×108t（表5）。

我国对西太平洋5个海山区拖网采样得出662个测站的钴结壳厚度为0～22 cm，平均厚度为3.08 cm。上述按海山高度对太平洋、大西洋和印度洋海山钴结壳赋值平均厚度为1.71 cm，总体偏低，因此对0～2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、4 000～5 000 m、5 000～6 000 m和6 000～8 000 m海山分别赋予两倍结壳厚度和两倍丰度，使平均厚度达到3.42 cm和平均丰度为61.56 kg/m2，使其略高于西太平洋海山钴结壳实际调查得出的平均厚度（3.08 cm）和平均丰度（55.44 kg/m2）。按两倍结壳厚度和两倍丰度计算得出太平洋海山湿资源量为1 324.828 9×108t和干资源量为953.876 8×108t（见表2）。大西洋海山湿资源量为326.933 8×108t和干资源量为235.392 3×108t（见表3）。印度洋海山湿资源量为223.293 6×108t和干资源量为160.771 4×108t（见表4）。三大洋海山湿资源量为1 875.056 3×108t和干资源量为1 350.040 5×108t（见表5）。

3.3按海山洋壳年龄赋予不同结壳厚度及资源量计算

根据海山的洋壳年龄、结合钴结壳厚度资料，把不同洋壳年龄分为0～30 Ma、30～60 Ma、60～90 Ma、90～120 Ma、120～150 Ma和150～180 Ma共6个等级（无洋壳年龄，太平洋平均值为81.89 Ma、大西洋平均值为80.60 Ma、印度洋平均值为68.52 Ma、三大洋平均值为79.52 Ma计算），分别赋予结壳平均厚度值为0.5 cm、1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm和3 cm，相应的结壳丰度为9kg/m2、18kg/m2、27 kg/m2、36 kg/m2、45 kg/m2和54 kg/m2。太平洋、大西洋、印度洋和三大洋的无洋壳年龄海山的平均厚度分别赋予2.00 cm、1.74 cm、1.55 cm和1.89 cm，平均丰度分别为36.00 kg/m2、31.32 kg/m2、27.90 kg/m2和34.02 kg/m2。

表6　太平洋海山钴结壳资源量计算（按洋壳年龄）（n=8 264）Tab.6 Resource estimation of cobalt crusts resource amount on the seamounts in the Pacific Ocean（based on ages of underlying ocean crust age）

根据洋壳年龄、结壳面积和结壳丰度计算，太平洋海山结壳湿资源量为763.263 3×108t和干资源量为549.549 6×108t（表6）。大西洋海山结壳湿资源量为160.153 0×108t和干资源量为115.310 1×108t（见表7）。印度洋海山结壳湿资源量为114.700 2× 108t和干资源量为82.584 1×108t（见表8）。三大洋海山结壳湿资源量为1 032.855 4×108t和干资源量为1 487.311 8×108t（见表9）。

表7　大西洋海山钴结壳资源量计算（按洋壳年龄）（n=1 748）Tab.7 Resource estimation of cobalt crusts resource amount on the seamounts in the Atlantic Ocean（based on ages of underlying ocean crust ocean crust age）

注：带有*表示钴结壳资源量按2倍丰度计算，结壳平均厚度1.74 cm为面积加权平均厚度。

表8　印度洋海山钴结壳资源量计算（按洋壳年龄）（n=1 870）Tab.8 Resource estimation of cobalt crusts on the seamounts estimation of cobalt crust resource amount on the seamounts in the Indian Ocean based on ages of underlying ocean crust（based on ocean crust age）

续表8

表9　全球三大洋海山钴结壳资源量计算（按洋壳年龄）（n=11 882）Tab.9 Resource estimation of cobalt crusts on the seamounts estimation of cobalt crust resource amount on the seamounts in the three oceans based on ages of underlying ocean crust（based on ocean crust age）

McMurtry等［3］认为太平洋海山钴结壳生长速率为1 m m/Ma，西太平洋海山钴结壳年龄为70～80 Ma［40］，钴结壳厚度应是7～8 cm，而拖网得到的结壳平均厚度仅为3.07 cm。两种厚度巨大差异的原因有3个，一是因为拖网采样方法难以获得实际的钴结壳厚度；二是钴结壳水平分布不连续，有些地方被沉积物覆盖而中断生长；三是钴结壳生长时间不连续，结壳在生长过程中遇到沉积间断，或因构造运动使钴结壳厚度遭到破坏。地质稳定性对厚结壳生长也是必要的，因为海山上重力流和块体崩塌过程会破坏和刮掉结壳，因此限制了结壳的最终厚度，马绍尔群岛钴结壳资源调查结果支持这些结论［8］。另一方面，全球各大洋海山也确实存在厚结壳（表10），如马尔库斯-威克海山区CLD01和中太平洋CB12、CJ01钴结壳样品的厚度分别为8 cm、7 cm和8 cm，钴结壳年龄分别为81.8 Ma、78.1 Ma和77.7 Ma，对应的生长速率分别为0.98 m m/Ma、0.90 m m/Ma、1.03 m m/Ma［40］。韩国学者［41—42］研究表明西太平洋麦哲伦海山区、马绍尔群岛的拖网钴结壳厚度达11.5～19 cm。我国在西太平洋拖网采样中也获得过厚度达22 cm钴结壳，厚度7～8 cm的结壳屡见不鲜。

表10　全球大洋钴结壳厚度分布（拖网采样）Tab.10 Distribution of cobalt crust thickness on seamounts in the world-wide global oceans（based on data from dredge hauld samples）

鉴于海山普遍存在厚结壳的事实，上述赋予不同洋壳年龄的结壳厚度总体偏低（0.5～3 cm，平均为1.89 cm），因此对不同洋壳年龄海山赋予2倍结壳厚度。不同洋壳年龄段0～30 Ma、30～60 Ma、60～90 Ma、90～120 Ma、120～150 Ma和150～180 Ma共6个等级海山的结壳厚度赋值为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm和6 cm，平均厚度为3.78 cm，相应的结壳丰度为18 kg/m2、36 kg/m2、54 kg/m2、72 kg/m2、90 kg/m2和108 kg/m2、平均丰度为68.04 kg/m2。

同样，按两倍结壳厚度和两倍丰度计算出太平洋海山湿资源量为1 526.526 6×108t和干资源量为1 099.099 2×108t（见表6）。大西洋海山湿资源量为320.305 9×108t和干资源量为230.620 3×108t（见表7）。印度洋海山湿资源量为229.400 4×108t和干资源量为165.168 3×108t（见表8）。三大洋海山湿资源量为2 065.710 8×108t和干资源量为1 487.311 8×108t（见表9）。

4　全球三大洋海山钴结壳资源量

计算全球大洋海山钴结壳资源量和金属量之前，还要提到钴结壳覆盖率这个参数指标。钴结壳覆盖率是指海山表面单位面积内被钴结壳覆盖的面积，用百分数表示。钴结壳矿区覆盖率一般采用25%～60%，Hein等［46］认为覆盖率采用25%～45%比较可行，如中太平洋Horizon海山钴结壳覆盖率为52%，莱恩群岛SPLee海山为24%［47］，夏威夷群岛专属经济区为22%［27］，我国西太平洋海山调查资料为36.88%。根据不同学者提出的覆盖率指标和我国调查资料，再考虑到目前钴结壳资源调查精度，钴结壳覆盖率采用30%是比较合适的。上述计算出太平洋、大西洋和印度洋的海山面积分别为7 076 957.07 k m2、1 708 365.79 k m2和1 346 184.27 k m2，三大洋海山面积为10 131 507.13 k m2。采用海山结壳覆盖率为30%，计算出太平洋、大西洋和印度洋海山结壳分布面积分别为2 123 087.12 k m2（7 076 957.07 k m2×0.3）、512 509.74 k m2和403 855.28 k m2，三大洋海山钴结壳分布面积为3 039 452.14 k m2。

我国西太平洋海山钴结壳资源调查得出钴结壳平均含水率为28%。太平洋海山钴结壳的Mn、Co、Ni、Cu平均含量分别为21.27%、0.644%、0.432%和0.124%，大西洋海山钴结壳的Mn、Co、Ni、Cu平均含量分别为15.23%、0.365%、0.280%和0.085%，印度洋海山钴结壳的Mn、Co、Ni、Cu平均含量分别为14.65%、0.291%、0.307%和0.110%，三大洋海山钴结壳的Mn、Co、Ni、Cu平均含量分别为19.89%、0.578%、0.402%和0.117%（表11）。

表11　三大洋钴结壳赋值厚度和实测厚度对比分析Tab.11 Comparison of between endowed thickness and sampling thickness of cobalt crusts in the three oceans

据太平洋海山高度、洋壳年龄分别计算出干结壳资源量为（476.938 4～953.876 8）×108t（见表2）和（549.549 6～1 099.099 2）×108t（见表6），取两者平均值为（513.244 0～1 026.488 0）×108t。然后据太平洋海山结壳的金属含量（表11），分别得出结壳锰、钴、镍、铜和钼金属量为（109.167 0～218.334 0）×108t、（3.305 3～6.610 6）×108t、（2.217 2～4.434 4）×108t、（0.636 4～1.272 8）×108t和（0.220 7～0.441 4）×108t，铂金属量为17 707～35 414 t（表12）。

用同样方法得到大西洋海山干结壳资源量为（116.503 2～233.006 4）×108t，锰、钴、镍、铜和钼金属量分别为（17.743 4～35.486 8）×108t、（0.425 2～0.850 4）×108t、（0.326 2～0.652 4）×108t、（0.099～0.198 0）×108t和（0.030 3～0.060 6）×108t。印度洋海山干结壳资源量为（81.484 9～162.969 8）× 108t，锰、钴、镍、铜和钼金属量分别为（11.937 5～23.875 0）×108t、（0.237 1～0.474 2）×108t、（0.250 2～0.500 4）×108t、（0.089 6～0.179 2）×108t和（0.032 6～0.065 2）×108t，铂金属量为2 648～ 5 296 t。三大洋海山干结壳资源量为（1 081.166 1～2 162.332 2）×108t，锰、钴、镍、铜和钼金属量分别为（138.848 0～277.696 0）×108t、（3.967 6～7.935 2）×108t、（2.793 6～5.587 2）×108t、（0.825 1～1.650 2）×108t和（0.283 6～0.567 2）×108t，铂金属量为20 355～40 710 t。这些数据与俄罗斯安德列耶夫1））谢·依·安德列耶夫.俄罗斯对大洋国际海底矿物资源研究与开发问题的构想建议，广州海洋地质调查局编译（非公开出版物）.2006.计算出的全球大洋铁锰氧化物矿的数量具有可比性（表12）。Manheim［7］计算得出全球陆地锰、钴、镍、铜资源量分别为20×108t、0.085×108t、0.54 ×108t和4.6×108t，这说明全球大洋海山钴结壳金属资源量与全球陆地金属资源量相比是非常可观的。

5　海山钴结壳赋值厚度和资源量估算的可行性分析

5.1钴结壳实测厚度与赋值厚度相关分析

为说明所赋结壳厚度的可行性和合理性，我们对三大洋海山钴结壳实测厚度与赋值厚度进行对比分析（见表11）。太平洋按海山高度赋值平均厚度为1.73 cm，按洋壳年龄赋值平均厚度为2 cm，两者平均为1.87 cm，实测厚度为1.77 cm，相对误差为5.35%，大西洋、印度洋相对误差分别为18.18%，23.23%，三大洋相对误差仅为3.33%。虽然我国对西太平洋5个海山区钴结壳资源拖网采样得出662个测站的钴结壳厚度为0～22 cm，平均厚度为3.08 cm，与三大洋海山钴结壳赋值平均厚度1.80 cm和国际海底管理局网站提供的实测平均厚度1.74 cm有明显差异，这是因为西太平洋海山区是全球大洋海山钴结壳资源远景区，其结壳厚度明显大于全球大洋海山平均厚度是正常的。反过来这也说明我们按海山高度和洋壳年龄所赋的结壳厚度值是基本合理和可行的。

表12　全球三大洋海山钴结壳平均品位和资源量Tab.12 Averaged content and resource amount of cobalt crust resource on the seamounts in the three oceans

5.2钴结壳资源量和金属量与国外学者估计值对比

安德列耶夫1）对全球大洋钴结壳资源和多金属结核资源未细分，统称为铁锰氧化物矿。据他分析研究得出全球大洋铁锰氧化物矿物的金属资源量为：锰金属量209.59×108t，钴金属量3.58×108t，镍金属量6.57×108t，铜金属量4.27×108t，钼金属量0.39 ×108t，铂金属量14 798 t（表12）。本次研究得出三大洋海山钴结壳锰金属量为（138.848 0～277.696 0）×108t，钴金属量为（3.967 6～7.935 2）×108t，镍金属量为（2.793 6～5.587 2）×108t，铜金属量为（0.825 1～1.650 2）×108t，钼金属量为（0.283 6～0.567 2）×108t，铂金属量为20 355～40 710 t。除了铜金属数据相差较大外，其他金属量都处在具有可比性的同一个数量级上。这也说明我们的结壳厚度赋值数据基本合理，得出的三大洋海山钴结壳资源量和金属量数据基本可靠。

5.3Co通量与钴结壳Co沉积量和厚度的相关分析

上述按不同高度海山赋予结壳厚度1～7 cm（平均厚度为1.71～3.42 cm），按不同洋壳年龄赋予结壳厚度0.5～6 cm（平均厚度为1.89～3.78 cm）。那么按海山高度、洋壳年龄所赋予结壳厚度是否合理和有据可依，可通过Co通量与钴结壳Co沉积量和厚度的相关分析给予说明。Halbach等［48］对中太平洋海山钴结壳Co通量及其生长速率研究表明，钴结壳平均Co通量为（2.95±0.45）μg/（cm2·ka），多金属结核Co通量为（2.94±0.43）μg/（cm2·ka），两者大体相当。大洋水柱中单位时间单位面积内Co供给量基本为常数，Co不是局部来源。根据洋壳年龄及其赋予的结壳厚度，并采用结壳Co含量0.60%、结壳Co通量2.95μg/（cm2·ka），结壳湿密度1.80 g/cm3，计算出不同年龄段的结壳Co沉积量。由表13可知1 Ma结壳Co通量为0.029 5 kg/m2，180 Ma结壳Co通量为5.31 kg/m2。如果Co通量没有任何丢失，结壳Co沉积量等于Co通量，这意味着沉到海底的Co全被结合到结壳中。但是，我们对不同洋壳年龄所赋予结壳厚度中的Co沉积量只占Co通量的6.10%（如赋予两倍厚度，占理论厚度的12.20%）。例如，30 Ma的Co通量为0.885 kg/m2，赋予结壳厚度为0.5 cm，30Ma的结壳Co沉积量为0.054 kg/m2，结壳Co沉积量占Co通量的6.10%，如果占100%，理论推测结壳厚度应为8.2 cm。

表13　Co通量与钴结壳Co沉积量和厚度的相关分析Tab.13 Relationship between Co flux and Co deposited amount and thichness of cobalt crust

Ku等［16］对采于赤道大西洋和北太平洋两个拖网结壳样品的研究表明，两个结壳生长速率为1.5 m m/Ma，两个结壳10Be沉积速率为2×104个10Be原子/（cm2·a），约为全球10Be平均生产速率的4%。结壳Mn沉积速率为0.05 mg/（cm2·ka），也只占（38个深海沉积岩芯）平均Mn通量［1.30 mg/（cm2·ka）］的4%，这些数据与我们得出结壳Co沉积量占Co通量6.10%非常接近。Ku等［16］认为大多数10Be和Mn被结合到沉积物中，或者是结壳生长不连续，钴结壳整个生命史的大约4%时间在生长。以上不同数据资料对比表明按海山高度、洋壳年龄赋予结壳厚度的做法基本可行，得出的钴结壳资源量基本正确。

6　结论

（1）全球三大洋海山高度大于1 000 m的海山有11 882座，其中太平洋8 264座，大西洋1 748座和印度洋1 870座。全球大洋海山基本参数是：海山高度为1 000～8 000 m，平均值为2 449 m；海山半径为3.22～100 k m，平均值为13.83 k m；海山洋壳年龄为0.10～177.10 Ma，平均值为79.52 Ma；单座海山面积为32.57～31 416 k m2，平均值为852.68 k m2。

（2）三大洋海山面积为10 131 507.13 km2，其中太平洋为7 076 957.07 km2，大西洋为1 708 365.79 km2和印度洋为1 346 184.27 km2。按钴结壳30%覆盖率计算出三大洋海山钴结壳分布面积为3 039 452.14 km2，其中太平洋为2 123 087.12 km2，大西洋为512 509.74 km2和印度洋为403 855.28 km2。

（3）三大洋海山干结壳资源量为（1 081.166 1～ 2 162.332 2）×108t，锰、钴、镍和铜金属量分别为（138.848 0～277.696 0）×108t、（3.967 6～7.935 2）×108t、（2.793 6～5.587 2）×108t和（0.825 1～1.650 2）×108t。太平洋海山干结壳资源量为（513.244 0～1 026.488 0）×108t，锰、钴、镍和铜金属量分别为（109.167 0～218.334 0）×108t、（3.305 3～6.610 6）×108t、（2.217 2～4.434 4）×108t和（0.636 4～1.272 8）×108t。大西洋海山干结壳资源量为（116.503 2～233.006 4）×108t，锰、钴、镍和铜金属量分别为（17.743 4～35.486 8）×108t、（0.425 2～0.850 4）×108t、（0.326 2～0.652 4）×108t和（0.099～0.198）×108t。印度洋海山干结壳资源量为（81.484 9～162.969 8）×108t，锰、钴、镍和铜金属量分别为（11.937 5～23.875 0）×108t、（0.237 1～0.474 2）×108t、（0.250 2～0.500 4）×108t和（0.089 6～0.179 2）×108t。

（4）Co通量与结壳Co沉积量、厚度的相关分析表明，本次研究所赋予的结壳厚度占理论厚度的6.10%～12.20%，这与Ku等得出“结壳10Be和Mn的沉积速率约为10Be、Mn生产速率的4%，结壳生长时间只占其整个生命时间4%”的认识非常相近，表明按海山高度、洋壳年龄所赋予的结壳厚度基本合理、得出的结壳资源量基本正确。

（5）三大洋海山钴结壳实测厚度与赋值厚度对比分析表明，太平洋按海山高度赋值和按洋壳年龄赋值的平均厚度为1.87 cm，实测厚度为1.77 cm，相对误差为5.35%，大西洋和印度洋相对误差分别为18.18%和23.23%，三大洋相对误差为3.33%。这说明按海山高度和洋壳年龄所赋的结壳厚度值基本合理，估算出的结壳资源量基本可靠，结壳资源量估算方法基本可行。

本文首次估算出三大洋海山结壳资源量，研究成果为我国在掌握全球大洋海山钴结壳资源量的同时，积极参与国际海底管理局制定国际海底区域钴结壳资源开发利用规章制度提供基础研究参考资料，为全球三大洋海山钴结壳资源量估算提供了新方法，也有助于认识钴结壳生长史，具有非常现实和科学意义。

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Resource estimation of Co-rich crusts of seamountsin the three oceans

Zhang Fuyuan1，2，Zhang Weiyan1，2，Ren Xiangwen3，Zhang Xiaoyu4，Zhu Kechao5

（1.Key Laboratory of State Oceanic Ad ministration for Submarine Sciences，State Oceanic Ad ministration，Hangzhou310012，China；2.Second Institute of Oceanography，State Oceanic Ad ministration，Hangzhou310012，China；3.FirstInstitute of Oceanography，State Oceanic Ad ministration，Qingdao310012，China；4.Department of Eeosciences，Zhejiang University，Hangzhou310027，China；5.Guangzhou Marine Geological Survey，Ministry of Land and Resources，Guangzhou510760，China）

Marine cobalt（Co）-rich ferromanganese crusts are important because they are potential mineral resources for Co，Ni，Cu，Mn and other metals，and the paleoenviron ment signals have been stored in their stratigraphic layers.Compared with pelagic polymetall ic nodules and hydrothermal deposits，the Co-rich crust has higher Co，Niand Pt contents，which make it possible for com mercial exploitation.Based on Chinese surveyed data for Co-rich ferromanganese crust on some seamounts in the western Pacific，we performed a series of detail studies on the distribution of Co-rich ferromanganese crust and parameter indexes for del ineation of Co-rich ferromanganese crust resources on seamounts.Then，each seamountis endowed with the crust thickness according to its height and age of underlying ocean crust，and therebywe calculated the amount of dry crust resources in the three oceans（1 081.166 1～2 162.332 2）×108t and distributed areas of crusts on seamounts（3 039 452.14 k m2）.And，the area covered by Co-rich ferromanganese crusts on seamounts in the Pacific，Atlantic，and Indian Ocean is 2 123 087.12 k m2，512 509.74 k m2and 403 855.28 k m2，respectively，and the dry Co-rich ferromanganese crustresources in the Pacific，Atlantic，and Indian Ocean are（513.244～1 026.488）×108t，（116.503 2～233.006 4）×108t and（81.484 9～162.969 8）×108t，respectively.The contents of manganese，cobalt，nickel，and copper in the Co-rich ferromanganese crusts on seamountsin three oceans are（138.848～277.696）×108t，（3.967 6～7.935 2）×108t，（2.793 6～5.587 2）×108t and（0.825 1～1.650 2）×108t，respectively.Based on analyzing the relationship among Co-contents，Co-fluxes and Co-crustthickness，the endowed crustthickness accounts for 6.10%～12.20%of the theoretical deductive thickness，which supports Ku's conclusion thatthe crusts were actually growing for 4%of their l ifetime.The average of endowed thickness is 1.87 cm and the average of measured thickness is 1.77 cm of Co-rich ferromanganese crusts on seamounts in the Pacific，and the relative error between endowed thickness and measured thickness is 5.35%.Correspondingly，the relative error in Atlantic and Indian Ocean is 18.18%and 23.23%，respectively.It shows thatthe endowed value for crustthickness on seamountsin the Pacificis reasonable and the obtained resource amount may be rel iable.Finally，this paper provides a new method for estimating the resource amount of Co-rich ferromanganese crust on seamounts in global deep-sea basins.

three oceans；seamount；Co-rich ferromanganese crust；resource amount；estimation；evaluation of mineral resources

P744

A

0253-4193（2015）01-0088-18

2013-12-03；

2014-01-16。

中国大洋协会国际海域资源调查与开发“十二五”研究项目——全球大洋富钴结壳成矿对比与资源潜力评价（DY125-13-R-06）；首采区多金属结核资源评价（DY125-14-R-01）。

张富元（1952—），男，浙江省宁波市人，研究员，主要从事海洋地质研究和海洋矿产资源评价。E-mai l：fyzhang2003@163.com