海底谜团

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所属分类:百科知识2011年

想必是创世之初,上帝童心大发,和我们开了个玩笑:他趁大洪水时,把大批金属“土豆”撒在洋底;但又不说破,笑眯眯地看着我们何时才能采用。这些“土豆”,就是神秘的海底锰团块。

  1873年,英国“挑战者号”科学考察船在加那利群岛海面调查时,偶然从网中拣出几块锃亮的“黑色鹅卵石”。船上的科学家都不知道这是何方神圣,它们被大英博物馆当作奇珍收藏。9年后,英国科学家约·雷默和雷纳经化验,确认它们是硅酸盐、高锰酸盐和多种氧化物的混合体。但不少地质学家仍不以为然,认为那不过是载有锰矿石的船只偶然沉没的遗物。直到1959年,美国科学家约翰·梅罗发表了有关它们的系统的分析报告,“锰结核”或“多金属结核”才被人们刮目相看。更严格地说,此类矿物应分为锰铁结核和锰铁结壳两种,通称为锰团块。

  现在我们知道,各大洋1~6千米深的海床上,锰团块的分布相当广泛。它们是些不规则的团块,有的光滑如扁球,有的多孔如炉渣,有的状如葡萄,有的覆盖如被状。小的如沙砾,大的如土豆,超大的几吨重。

  那可是一笔让人眼红耳热的超级财富,总储量估计在3万亿吨以上。按照目前人类的消耗水平,其中的铜、镍、锰、钴等分别可用600年~13万年不等。

  然而,锰团块又身处重重谜雾之中,让我们不断探寻。

  

  成因之谜

  

  锰团块究竟因何生成?这是第一个不解之谜。

  对此,智者见智仁者见仁,有多种不同的解释和假说。但是,又皆不能自圆其说。此类假说有:

  生物摄取说有人用电子扫描显微镜观察锰结核的表面和内部,发现其细微结构中包括很多空管和微孔隙,这些管、孔均由大量底栖微生物构成。科学家据此猜测,是这些底栖微生物摄取了海中大量的二氧化锰等氧化物,日积月累形成了这些锰结核。

  锰结核内常发现碎骨、牙齿等,有人便认为这正如珍珠和蚌壳的生长,佐证了生物成因说。不过,锰团块不仅储量巨大,还在不断生长——全球每年大约增长1000万吨!这些小小的微生物,难道真有如此巨大的“生产力”吗?

  水成沉积说这种假说认为,海水中溶解的锰和铁本就处于饱和状态,由于降水和河流的冲蚀,地表的矿物质又被冲入海内。过饱和的锰、铁等金属元素不断增加,导致了胶体状含水氧化物的沉淀。沉淀后由于成岩和催化作用及静电引力,多方吸附锰、铁等金属离子及多种氧化物极性分子,锰离子和二氧化锰等就不断聚集,并与岩屑、土块、生物遗骨等形成结核体沉到海底。随后便像滚雪球一样越滚越大,最终形成了大小不等的锰团块。

  然而,令人不解的是:锰在海水中的含量微乎其微,1升海水里仅溶解有0.00002克,为什么却会在锰团块中独占鳖头呢?

  气体凝聚说火山爆发时会产生大量气体。气体从熔岩中析出时,又伴随着大量的锰、铁、铜及其他微量金属进入海水。这种假说认为,这些微量金属大多数呈溶解的络合物或离子态。它们进入海水后,先沉淀出铁的含水氧化物,进而由于静电作用,凝聚、富集液相中的锰和其他金属离子,最终形成了锰团块结构。

  对此,又有人质疑说:事实上,很多非火山活动的海域内,也存在着大量的锰团块,这又如何解释呢?

  熔岩凝固说这种假说认为,海底火山喷发时,由于巨大的压力和温差(岩浆温度高达1000℃以上,深海水温一般只有4℃左右),飞溅、爆炸的高温岩浆遇到冰冷的海水,迅速冷却凝固成矿物质颗粒,亦即锰结核。由于最早凝固的较小颗粒下落时,再次受向上喷发的岩浆的推动,外层又被黏上一层凝固的岩浆。如此反反复复,锰结核内就形成了一层层的同心结构。

  但是,许多锰结核内包裹着小块的动物骨骼、牙齿等等。也就是说,它们在温度高达千度以上的岩浆中竟能无烧损全身而退。又是为什么呢?

  

  物质来源之谜

  

  且不说成因,更神秘的是这些锰团块还在不断“生长”。利用同位素测定,科学家得知其平均增长速率为每百万年几毫米至几厘米。以此估算,全球每年竟增长1000万吨,简直取之不尽。那么,这些成矿物质究竟来自何处?这是第二个不解之谜。

  其实,成因和成矿物质的来源息息相关。主张生物摄取说的科学家认为来自海水;主张水成沉积说的科学家认为来自地表和海水;主张气体凝聚说或熔岩凝固说的科学家则认为来自地幔。于是就产生了海水说、地表说和地幔说三种来源。不过,三种说法都不能服人。

  海水说认为,海水本身是盐类溶液,含有各种金属元素。所以,成矿物质主要来自海水;此外,也有沉积物成岩因素的贡献。可是,海水中除水之外的主要成分是氯、钠、钾、镁、钙、硫、碳、氟、硼等常量元素,锰属于微量元素,实在是微乎其微。这么一点点锰,竟成了锰团块的主角,实在是令人匪夷所思。

  地表说认为,大陆或岛屿上的岩石风化后,分解出了各种金属及其氧化物;它们被雨水或河流冲入海洋,成为锰团块的主要物质来源。可是,地表(岩石圈)中的主要元素是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁。锰仅仅是地壳中的微量元素,天然风化量每年为380万吨,向海洋输送的只有30万吨。而锰团块每年明明增长1000万吨,地表说对此又该做何解释?

  地幔说认为,海底火山活动和熔岩喷发时的熔岩和气体为锰结核提供了所需的各种金属元素。然而,上地幔亦即岩浆中含量最多的金属元素依次为氧、硅、铝、铁、钴、钠、钾、镁,锰的含量实在少之又少。氧化物的含量依次为:二氧化硅45.16%、氧化镁37.47%、氧化亚铁8.04%、氧化铝3.54%、氧化钙3.08%、氧化钛0.71%、氧化钠0.51%、氧化铁0.46%、氧化铬0.43%、氧化镍0.2%,氧化锰仅占0.14%。而锰结核中最多的却是锰。岂非咄咄怪事?

  因此,上述三种来源说各有道理但又都有失偏颇。把它们合三为一、相辅相成,就圆满了。换句话说,锰团块中的元素很可能是大自然从地幔的熔岩和气体、地表的冲蚀物以及海洋的沉积和溶解物中选择富集而来的。

  至于究竟是以何种方式富集的,人类至少目前还不得而知。

  

  形态分布之谜

  

  前面已经提到,锰团块分为锰铁结核和锰铁结壳两种。奇怪的是,不但这两者的形态、结构和分布大不相同;就是同一种矿物,也有较大差异。

  锰铁结核的矿物主要为水羟锰矿(δ- MnO2)、钡镁锰矿和钠水锰矿;锰铁结壳则主要是水羟锰矿。

  锰铁结核主要由锰铁氧化物、氢氧化物外壳和核心两部分构成。有裸露形、半埋藏形和埋藏形三种形态。海底的老结核碎块、岩屑、黏土块和生物遗骨、牙齿等,皆可成为其核心。其内部有生长构造和生长间断构造两种。锰铁结核的生长构造中,微纹层交替,呈现出典型的韵律性;又有平行纹层、柱状、多核同心圆和斑杂多种纹层。不过,它们大都像树木年轮一样为层层环绕的同心结构。生长间断构造常为薄薄的黏土夹层或其他明显不同的夹层,又将整个结核分为两到三个大层级。

  锰铁结壳则有被状、类球状和砾状三种,表面形态以光滑状为主,但也常见粗糙状及瘤状突起等。前者由锰铁氧化物氢氧化物直接沉淀在海山裸露基岩上,形成被状的连续覆盖。类球状的外部形态和核心类似结核。后者亦呈结核状,个体较大,但其核心主要是岩石碎块。形态与核心岩石碎块的大小和形状有关。其内部也分为生长和生长间断构造,生长间断构造为淡黄色磷酸盐薄层。

  锰铁结核主要分布于各大洋4000~5000米的深海中。以北太平洋分布面积最广,储量占全球一半以上,约为1.7万亿吨。尤其是北纬6度到北纬20度、西经110度到西经180度之间宽约200千米、面积约1080万平方千米、水深3200~5900米的海底,75%以上被锰结核覆盖。密集之处,每平方米面积上就有100多千克,因此被日本人誉为“锰结核之银座”。大西洋的德雷克海峡和斯科特海以及北大西洋西南海域、印度洋中的许多深海盆地,也都有锰结核密布。

  锰铁结壳则主要产出于海底的高地、高原、陡坡和阶地上,一般分布于水深1000~3000米之间。其中被状结壳主要分布在海山斜坡上部及台地等较浅处;类球状结壳主要分布在海山坡脚深水区及平顶海山顶部有沉积物覆盖的浅水区域;砾状结壳主要产出于核心岩石剥落处及其附近。

  

  成分差异之谜

  

  在锰团块中,目前发现的元素有80余种,几乎囊括了周期表中自然界存在的全部元素。其中包括27%~30%的锰,约6%的铁、5%的硅和3%的铝,还有1.25%~1.5%的镍、1%~1.4%的铜、0.2%~0.25%的钴等30多种金属,弥足珍贵。

  然而,其化学成分又因种类、产地和水深等因素而差异巨大。其原因无人能解释清楚,这又是一个不解之谜。

  比如说,结核中锰、铁、铜、镍、钴、REEs(稀土元素)等已经高度富集;但结壳中钴、铂、REEs、磷灰石的含量则更为集中,而锰、镍和钴等明显降低。在美国约翰斯顿岛附近海域,有些结壳的磷灰石含量高达50%以上。

  再比如,与大西洋和印度洋相比,太平洋的结核和结壳中有用金属的品位最高。在800~1300米的水深范围内,结壳中钴的含量高;而在4800 ~5400米水深范围内,结核中的镍、铜含量高。在相对年轻的薄结壳层中,钴较富集;而在相对较老的厚结壳层中,铂更富集。

  这究竟是何原因?迄今无人能说得清楚。

  其实,关于锰团块的谜题可谓数不胜数。诸如:上帝为何厚太平洋而薄大西洋、印度洋?结核为何常与海底软泥共生?为何此海山结壳而彼海山不结壳?等等。

  锰团块恰如海底的一个个谜团,正等着人们一一破解。上帝依然在笑眯眯地看着我们呢!

  【责任编辑】赵 菲

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