富钴结壳研究进展

富钴结壳研究进展

0水下结壳的形成与加工富钴反应是继锰矿床之后发现的另一种深层矿产资源。广泛分布于大陆盆地的山海斜坡和平坦山丘山顶。据估计,海底有635万km2被钴结壳覆盖,可生产10亿t的钴。富钴结壳一般形成于400~4000m的水下,较厚及含钴较多的结壳位于800~2500m的洋底。陆地上钴矿含钴量一般低于0.1%,而钴结壳中钴的含量可达1%以上,虽然富钴结壳的化学成份与锰结核大致相同,但钴含量为锰结核的3~5倍。结壳不仅富含重要的金属钴,而且钛、铈、镍、铂、锰、铊、锑等稀有金属含量也较高(见表1)。钴结壳中的钴、锰、镍一般用于钢铁生产中,以增强其硬度、强度及抗腐蚀性。26%的钴用于生产航天领域的超合金。钴、锰、镍还可用于化学及其它高科技产业,如生产太阳能电池、超导体、高级激光系统及切削刀具。目前,钴的主要生产地为非洲的扎伊尔、赞比亚以及俄罗斯、澳大利亚和加拿大等国。世界每年钴消耗量目前为36900t,并且以4%左右的速度递增。因此,发达国家如美国、德国、日本、俄罗斯、法国等,以及发展中国家如中国、韩国等对大洋钴矿产展开了勘探和开采研究。1国外研究进展及现状发达国家对钴等战略金属的需求量大,又由于本身科技发达、资金充足,因此对大洋展开勘探的时间较早。1981年德国克劳斯塔尔-策勒费尔德工业大学(TechnicalUniversityofClausthal-Zellerfeld,TUC)的皮特·哈尔巴赫(PeterHalbach)率领的“德国中太平洋一号”(GermanMidpacI)巡航船对夏威夷南部的莱恩群岛(LineIslands)进行了第一次系统地调查。此次巡航使用了大型挖泥机、地震剖面测量及深海摄影,取得了突破性发现。调查结果表明富钴结壳富含钴、铁、铈、钛、磷、铅、铂等元素,但是与铁锰结核相比,锰、镍、铜、锌含量较低。后来德国又对太平洋和大西洋中的海底进行了调查,如表2。1989年以后,德国将注意力转到深海采矿的环境研究上。美国是世界上最大的钴消耗国,钴消耗量约占全球的35%,但是国内基本上没有生产,主要依靠进口。因此,美国早在1970年代就成立了以美国为首,英、德、意、日等国参与的海洋采矿联合公司(OMA)、肯尼柯特联合公司(KENCON)、海洋管理公司(OMI)以及海洋矿产公司(OMCO)等国际集团,投入巨资对深海资源(主要是锰结核)进行调查和勘探,并进行了海上试验。美国对富钴结壳的研究步伐随着1983年里根总统宣布200海里专属经济区而加快。1983~1989年美国地质勘探局(USGS)、夏威夷大学等对夏威夷、约翰斯顿、马绍尔群岛、加利福尼亚以及中太平洋的海山区等进行了8个航次的调查;随后的研究表明,太平洋的马绍尔群岛专属经济区、约翰斯顿岛、莱恩群岛及大西洋的布莱克海底高原最具铁锰结壳开发前景,其中莱恩群岛的钴含量达1%。据估计,仅美国专属经济区内就拥有3亿余吨的钴结壳,其中含有270万t的钴,150万t的镍,7400万t的锰,如果按1986年钴消费量7000t计算,则可供美国消费400a。而且美国在法定延伸大陆架内拥有世界上最大结核和结壳资源潜力(总量18.6亿t)。同时,美国在钴结壳切削特性、方法及采矿车方案上进行了大量研究。1987年,D.A.Larson等人受美国采矿局委托对富钴结壳进行了物理属性和机械切削特性研究,结果表明富钴结壳强度和中等硬度煤相当,易于切割开采;JohnE.Halkyard及其OTC公司在大量试验和资料整理基础上得出:钴结壳及其基岩最佳的破碎方法应为螺旋滚筒式截齿切削;1995年JohnE.Halkyard在“海洋工程及其环境”国际会议上提出了开采钴结壳的采矿车设计方案和有关技术问题,认为最佳的钴结壳开采方案应是包括由海底履带式采矿车、水力管道提矿运输系统和水面采矿船构成的采矿系统;作为商业性开采,每次采矿车实际生产能力的价值底线是1Mt/a,钴结壳的贫化率应控制在50%以内,低于上述数据的开采方案在经济上是不可行的。日本于1982年成立了深海资源开发公司(DORD),以调查深海矿物资源。20世纪80年代,日本金属矿业事业团(MMAJ)组织人员在夏威夷与日本之间的国际水域进行了钴结壳调查。从1988年起,日本每年进行一次钴结壳调查,目标是中太平洋海山区的50座海山。日本国家资源与环境研究所的Yamazaki和Sharma对其中的主要成果进行了总结。另外,1985年日本政府和南太平洋应用地学委员会(SOPAC)开始了一个为期5年的合作研究项目,该项目由MMAJ执行,深海资源开发公司和海洋工程开发公司(OEDC)参与,调查船为RVHakureiMaruNo.2。该项目的目的是确定SOPAC各成员国专属经济区(EEZ)内的深海矿产资源(如锰结核、钴结壳等)。但该项目因故两次延长,直到2000年才结束。笔者将其中钴结壳调查情况整理为表3。1987年12月17日日本深海资源开发公司在国际海底管理局注册为先驱投资者;日本已将开采多金属结核的连续绳斗法(CLB)用于开采钴结壳。1985年日本海洋资源委员会在夏威夷群岛东南用CLB法进行了富钴结壳开采试验。试验海域水深4300~4900m,聚丙烯缆绳直径85mm,全长13000m,每隔60m挂一个网状桶斗,尺寸为长1.4m、宽0.8m、高0.4m。连续开采4h,共采出4t结壳,每斗平均75kg。另外,俄罗斯也进行了30余次的巡航调查,其中重点区域为麦哲伦海山区,并率先于1998年9月向国际海底管理局申请钴结壳矿区“先驱投资者”资格。法国海洋开发研究所(IFREMER)于1986年对玻利尼西亚进行了钴结壳调查,新西兰海洋协会(NZOI)于1986、1988年对库克岛等进行了调查,澳大利亚地质勘探局(AGSO)于1992、1995年对圣诞岛、塔斯马尼亚岛等进行了勘探。2富联邦主、副海的海洋研我国钴金属资源量约为140万t,绝大多数为伴生资源,单独的钴矿床极少。而且钴矿品位较低,均作为矿山副产品回收,金属回收率低、生产成本高。近几年我国钴的年消费量稳定在1200t左右,国内钴产量每年总计约600~700t,每年约有半数需进口,到2010年将主要依靠进口(预计年需求量3000t)。因此,对富含钴、镍、锰等金属的大洋钴结壳进行勘探和开采具有很大的现实意义和战略意义。我国对富钴结壳的调查起步较晚,l987年“海洋四号”科学考察船首次采获富钴结壳样品。1997~1998年“大洋1号”和“海洋4号”两艘科考船在对我国圈定的多金属结核矿区进行勘探的同时,对中太平洋富钴结壳进行了初步勘查,并从海底拖出3吨钴结壳样品,随后科研人员对结壳的物质组成、金属品位及丰度、有关物理参数性能等作了初步研究。1997年以来,中国大洋协会组织“大洋一号”和广州海洋地质调查局“海洋四号”船在中、西太平洋进行了8个航次、数十座海山的富钴结壳前期战略性探查工作(具体见表4),在麦哲伦海山区和中太平洋海山区都已发现资源前景较好的结壳矿区。1999年我国获得了在东太平洋中部克拉里昂—克林帕顿断裂带(Clarion-ClippertonFractureZone)海域一块面积为7.5万km2的国际海底矿区的专属勘探权和优先开采权,并初步圈定出部分富钴结壳的申请候选区。另外,大洋协会正组织相关单位(如中南大学、长沙矿山研究院等)对破碎方法和采矿系统如采矿头、采矿车、提升设备等进行设计研究和试验。韩国从1983年起,由韩国科学技术部及韩国商工能源部资助的韩国海洋开发研究院(KORDI)开始进行深海采矿研究。韩国富钴结壳勘测基本上是和锰结核调查一起进行的,调查共分两个阶段,第一阶段进行初期勘测,执行时间为1989~1998年;第二阶段进行区域性探测,从1999年开始。1989~1991年韩国海洋开发研究院与美国地质勘探局对克拉里昂—克林帕顿断裂带及西太平洋区进行了联合勘探。1992年韩国政府召开经济部长会议,并授权新的巡航船Onnuri展开研究工作,从而加快了深海开发步伐。1994年8月2号,韩国政府在国际海底管理局登记注册了先驱投资者,2002年已获得在7.5万km2专属开发区开发深海矿物资源的权利。1999年韩国政府将钴结壳开采定为长期项目,海洋水产部为其提供资助;2000年韩国科学技术委员会批准其长期工作计划,该计划的第二阶段(2005~2010)主要任务是调查具有开发潜力的矿区,并准备矿区申请注册。从2000年开始,韩国每年执行一次为期一个月左右的钴结壳调查,地点为麦哲伦海山区及中太平洋海山区。2001年的调查是在马绍尔群岛北部的国际区域进行的,共选择了6座海山,初步研究结果表明,在深度低于2000m的海底,钴结壳厚度较大,其中钴含量为0.5%~0.8%,镍为0.4%~0.5%,锰为20%~22%。到2002年为止,各国共进行了50多航次的钴结壳调查。德国、美国、英国、法国已经结束了野外调查。目前调查活