觀賞過馬里亞納海溝的獅子魚，今天再來看看中國科學家如何在大洋中脊找礦

礦產資源是極其寶貴的自然財富，是人類賴以生存和發展的物質基礎。海洋礦產資源的發現與勘查不僅需要新的技術方法，而且開闢了尋找礦物寶藏的新領域，因此，自然成為了學科前緣研究的熱點問題，引起了世界各國的廣泛關注。

眾所周知，地球表面由大陸和海洋這兩個基本地貌單元構成。海洋面積約3.62×108km2，近地球表面積的71％。海洋中含有13.5×108km3 以上的水，約佔地球上總水量的97％。全球海洋一般分為四大洋，即太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋（有科學家又加上第五大洋，即南極洲附近的海域），大部分以陸地和海底地形線為界。在地球表面上大陸和洋底呈現為兩個不同的台階面，陸地大部分地區海拔為0 ～ 1km，洋底大部分地區深度為4 ～ 6km。整個海底可分為三大基本地形單元：大陸邊緣、大洋盆地和大洋中脊。大陸邊緣為大陸與洋底兩大台階面之間廣闊的過渡地帶，約佔海洋總面積的22％，通常將大陸邊緣劃分為大西洋型大陸邊緣（也稱被動大陸邊緣）和太平洋型大陸邊緣（也稱活動大陸邊緣）。大洋盆地位於大洋中脊與大陸邊緣之間，它的一側與中脊平緩的坡麓相接，另一側與大陸隆（大西洋型大陸邊緣）或海溝（太平洋型大陸邊緣）相鄰，約佔海洋總面積的45％。大洋中脊是地球上最長最寬的環球性洋中山系，占海洋總面積的33％。太平洋內，山系位置偏東，起伏程度小於大西洋中脊，稱東太平洋海隆。大西洋中脊呈S 形，與兩岸輪廓平行。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連接，北端分別經淺海或海灣潛伏進大陸。中脊被一系列與山系走向垂直或稍斜交的大斷裂錯開，沿斷裂帶出現狹長的溝槽、海脊和崖壁，斷裂帶兩側海底被分割成深度不同的台階。

同大陸地貌單元一樣，浩瀚的海洋蘊藏著豐富的礦產資源。海洋礦產資源又稱海底礦產資源，包括海濱、淺海、深海、大洋盆地和洋中脊底部的各類礦產資源。按礦床成因和賦存狀況分為：砂礦，主要來源於陸上的岩礦碎屑，經河流、海水（包括海流與潮汐）、冰川和風的搬運與分選，最後在海濱或陸架區的適宜地段沉積富集而成，如砂金、砂鉑、金剛石、砂錫與砂鐵礦，以及鈦鐵石與鋯石、金紅石與獨居石等共生複合型砂礦；海底自生礦產，由化學、生物和熱液作用等在海洋內生成的自然礦物，可直接形成或經過富集後形成，如磷灰石、海綠石、重晶石、海底錳結核及海底多金屬熱液礦（以鋅、銅為主）；海底固結岩中的礦產，大多屬於陸上礦床向海下的延伸，如海底油氣資源、硫礦及煤等。根據目前的研究程度，海底油氣資源、海底錳結核及海濱複合型砂礦的工作程度相對較高，資源勘查與開發已經不同程度地進入到實用化階段。

國際海底區域面積達2.517×108km2，佔地球表面積的49％，是國家領土、專屬經濟區及大陸架以外的海底及其底土，不受任何國家管轄。這一廣闊的海底區域內蘊藏著豐富的緊缺礦產資源，如多金屬硫化物、多金屬結核和富鈷結殼等。隨著深海調查技術的發展及陸地礦產資源的日益消耗，海底礦產資源的勘探開發即將成為現實，這也使其成為各國競相研究開發的目標。

洋中脊熱液循環系統及熱液沉積模式（黃威等，2016）

海底地形與陸地地形一樣，是由內、外動力地質營力的共同作用而形成的，不過，海底大地形通常是內力作用的直接產物，與海底擴張、板塊構造活動息息相關。大洋中脊軸部是海底擴張中心，宏偉的中脊地形實際上是上涌的熱膨脹地幔物質的反映。海底在向兩側擴張的過程中伴隨著冷卻下沉。海底擴張慢，有充分時間冷卻沉陷，中脊兩坡較陡，如大西洋中脊；海底擴張快，則兩坡較緩，如東太平洋海隆。自中脊軸帶向兩側，隨著海底年齡變老，水深加大，沉積層加厚；相應地，大洋中脊過渡為大洋盆地，中脊頂部崎嶇的地形被深海丘陵以至深海平原代替。自大洋盆地向大陸一側，出現兩種情況：一是未發生板塊俯衝活動，形成寬緩的大西洋型大陸邊緣；二是板塊的俯衝形成深邃的海溝與伴生的火山弧（太平洋型大陸邊緣），地形高低懸殊，火山弧陸側可因弧後擴張作用形成邊緣盆地。與海底熱液活動相伴生的多金屬硫化物富含Cu、Zn、Pb、Au 和Ag 等金屬元素，廣泛分布於大洋中脊、島弧和弧後盆地等不同構造環境。Hannington 估算全球多金屬硫化物總含量達到1×108t，銅和鋅含量約3×107t，與陸地上新生代塊狀多金屬硫化物礦床發現的銅、鋅含量相當。海底多金屬硫化物資源具有巨大的開發潛力和遠景，將成為人類未來可開採的海底礦產資源的重要組成部分，是21 世紀人類可持續發展的戰略替代資源之一。2011 年7 月國際海底管理局第17 次會議核准了中國關於西南印度洋中脊上10000km2 硫化物礦區的申請，包含12 個區塊組，共100 個區塊，我國獲得了該區的專屬勘探權和優先商業開採權。根據國際海底管理局的章程，10 年後我國只能保有25％的面積的勘探開採權，因此，勘探區資源評價和區域放棄工作刻不容緩。深海硫化物資源因其特殊的海洋環境，由於受其特殊的自然環境和物理化學條件限制，調查和實地勘探難度很大，與陸地同類型多金屬硫化物礦床研究程度相比，調查程度及資料精度亦相對較低。數百年以來，人們在陸域找礦積累了豐富的理論和經驗，而對於大洋深處的找礦與勘查，從理論到方法都急需創新性的研究。

南大西洋研究區示意圖

「發展是硬道理，創新是發展的硬道理」。進入21 世紀，大數據科學成為新的科學範式。中國科學院院士趙鵬大提出，大數據時代需重視數字地質研究，認為大數據時代數字地質推動地質找礦新發展，要重視數字地質與礦產資源評價研究。成礦預測新方法應將礦床學家和數學地質學家的預測方法結合起來，總結成礦規律與成礦模式、建立區域成礦模型，並儘可能多地建立定量評價模型，對地質、地球物理、地球化學等綜合信息進行深入的信息挖掘和知識發現，根據成礦地質模型和實際勘探資料圈定縮小靶區，真正實現定量分析與地質找礦的有機結合。

混合驅動定量預測評價流程

由此可見：海洋礦產資源勘查，特別是國際海底區域內豐富的緊缺金屬礦產資源的發現與勘查，總體面臨著這樣一個客觀的現實：各類資料少、可借鑒的經驗不多，工作程度低、難度大，交通運輸不便，技術方法受限，海域工作時間與周期受各種條件限制，等等。因此，開展這樣一個新領域的礦產資源勘查研究，必須首先解決以下幾個關鍵問題：理論創新，借鑒陸域礦產勘查的理論與方法，針對國際海洋礦產資源管理的有關公約，即公海專屬合同區申請，到隨後8 年和10 年後分別放棄50％和75％勘探區的三個勘查（找礦）階段的實際需求，建立海洋礦產資源勘查（找礦）的技術方法體系；方法創新，應用大數據分析的理論與方法在充分收集和應用海洋礦產資源調查的有關資料和數據的同時，充分利用現有國際公開發布的各類數據，以信息挖掘和綜合分析技術為海洋礦產資源勘查不同階段的預測與評價提供科學依據；實踐檢驗，這樣的技術方法不僅是學科理論的創新與發展，更重要的是需要具有可行性和可操作性，能夠直接為國際公海的找礦實踐提供服務。這樣的三個關鍵科學問題的研究和成果積累，就構成了《洋中脊多金屬硫化物成礦定量預測》（陳建平 任夢依 方捷 邵珂 劉露詩 等著. 北京：科學出版社，2017.4，以下簡稱「本書」）一書的三個篇章。

印度洋研究區示意圖

本書上篇為基礎理論，針對礦產資源勘查（找礦）的三個不同階段，以現代成礦理論和礦產勘查學為指導，以各種數據綜合信息的定量分析為技術手段，建立應用於各階段海洋礦產資源勘查的完整理論和技術方法體系，即第一階段公海區域專屬合同區的快速評價（區塊申請建議），第二階段專屬合同區內有利成礦區帶圈定（8 年後減持50％勘探區的部署建議），第三階段成礦區帶中的找礦靶區優選（10 年後減持75％勘探區的部署建議）。本書中篇為方法驗證，選擇國際公認的研究程度相對較高的大西洋為方法驗證區，系統開展洋中脊多金屬硫化物找礦的定量預測與評價，結果表明了方法的可行性和有效性。本書下篇為應用實例，選擇我國在西南印度洋脊上擁有專屬勘探權和優先商業開採權的10000km2 為研究應用區，通過系統的應用分析進一步明確了找礦靶區，並分別為我國在2019 年和2021 年放棄50％和75％的勘探區面積的工作需要提供了科學依據和部署建議。

印度洋研究區後驗概率及各國合同區位置示意圖

上述成果的取得歷時5 年，是一個研究團隊共同努力、集體智慧創造與辛勤勞動的結晶。團隊成員包括：陳建平教授、任夢依博士、於淼博士、於萍萍博士、李珂博士，以及方捷碩士、邵珂碩士、劉露詩碩士、常慧娟碩士、尹曉雲碩士、柴福山碩士、孫海雪碩士等。這一成果是在中國地質大學（北京）、北京市國土資源信息研究開發重點實驗室、國土資源部非傳統礦產資源開放研究實驗室、國家海洋局第二海洋研究所、中國地質科學院地質研究所以及礦產資源研究所領導和專家的指導幫助下取得的。還要特別感謝趙鵬大院士、李裕偉教授、陶春輝研究員、侯增謙研究員、蘇新教授、李振清博士、張盛博士、裴英茹博士、張柏松碩士等。

面對全球化、網路化和「大數據」蓬勃發展的新世紀的到來，這一成果的完成表現出我國的地質研究已把科學前沿與國家需求緊密相結合，由實驗分析邁向實際應用，從技術引進轉變為自主開發，從定性綜合分析提高到數據挖掘與知識創新。因此，這一成果不僅對我國海洋礦產資源勘查與開發具有重要參考價值，而且其技術方法在「大數據」廣泛應用的其他領域也將具有推廣和借鑒意義。

中國科學院院士

2016 年7 月21 日

本文摘編自《洋中脊多金屬硫化物成礦定量預測》（陳建平 任夢依 方捷 邵珂 劉露詩等著. 責任編輯：王運陳姣姣. 北京：科學出版社，2017.4）一書「前言」、趙鵬大院士「序」，有刪減，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-052553-6

礦產資源是極其寶貴的自然財富，是人類賴以生存和發展的物質基礎。21 世紀以來，陸域礦產資源面臨難識別、難發現和難開發的局面，海洋礦產資源作為礦產資源的新類型和新領域，已成為學科前緣研究的熱點。《洋中脊多金屬硫化物成礦定量預測》在多年礦產資源成礦定量預測研究成果的基礎上，針對海底多金屬硫化物的海洋調查工作需求，系統地建立了海底多金屬硫化物資源定量預測評價的方法體系，並成功地應用於大西洋和印度洋海底多金屬硫化物的成礦預測研究中，採用二維成礦定量預測方法到三維成礦定量預測方法再到雙向預測評價的創新技術方法，實現逐步縮小找礦靶區範圍的定量化評價過程。研究成果為海底多金屬硫化物的勘探規劃提供了科學依據，對於開展其他類型的海洋礦產資源找礦預測研究具有較大的參考意義。

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（本文編輯：劉四旦）

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