西太平洋麦哲伦海山群富钴结壳记录的新生代海水钴浓度的重建

钴是一种高熔点和稳定性良好的磁性硬金属，在现代工业中应用广泛，是一种重要的战略物资。但我国钴矿资源少，品位低，现状堪忧。西太平洋麦哲伦海山群我国调查区内富钴结壳的Co资源能够解决我国面临的Co资源危机。在目前勘查中，因富钴结壳Co品位时空分布不均一，所以制约富钴结壳Co品位及其时空变化的控矿要素的研究是需要解决的核心科学问题。除生长速率和"稀释效应"外，海水Co浓度是制约富钴结壳Co品位的关键控矿要素。富钴结壳是通过"扩散-吸附-氧化-替代"这一动力学过程富集Co的，其中"扩散"是制约该过程进行速率的关键。本研究拟基于菲克扩散第一定律，推导海水Co浓度的重建公式；并通过对研究区现代海水和富钴结壳的观测，确定该公式的参数；然后，辅以富钴结壳剖面的地球化学、矿物学和年代学数据，重建富钴结壳形成时周围海水的Co浓度；最终，系统评价我国调查区富钴结壳Co品位控矿要素的时空分布规律。

Co在富钴结壳中是最具有经济价值的金属元素，在电池、高温合金和永磁铁制造中应用广泛。深海富钴结壳的Co资源，无论品位还是金属量，都明显高于陆地Co矿床，因此，富钴结壳是一种重要的潜在Co金属资源。在勘探和采矿阶段，结壳中Co的含量（或品位）都是一个重要的参数。然而，结壳Co含量的分布却具有时空不均一性，所以查明富钴结壳Co含量变化的控制因素具有重要意义。课题包括三个基本研究内容：（1）建立“海水Co浓度重建公式”；（2）重建西太平洋麦哲伦海山区新生代海水Co浓度演化曲线；（3）研究富钴结壳Co品位控矿要素的时空分布规律。本课题基于菲克扩散第一定律，首次建立了富钴结壳Co含量与海水Co含量、海水Co离子扩散系数、海水Co离子扩散距离、富钴结壳比表面积、生长速率、一个分子层厚度之间的定量函数关系式（公式见正文2.2部分）；测试了麦哲伦海山我国富钴结壳合同区现代海水Co离子含量、富钴结壳表层生长速率、主微量元素含量、比表面积，并根据海水温度计算了海水Co离子扩散系数，基于这些参数，首次估算了海水Co离子扩散距离为279-69 μm；利用钙质超微化石颗石藻和Os同位素，对麦哲伦海山群富钴结壳底层剖面时代进行了综合限定，并根据本研究建立的“海水Co浓度重建公式”，首次重建了富钴结壳形成地质时代古海水Co含量；最后，依据本课题提出的“海水Co浓度重建公式”，对富钴结壳Co含量的“水深控制”进行了理论解释，并提出富钴结壳高精度的定年技术、比表面积对吸附反应的制约和现代海水痕量金属元素含量的观测是下一步需要深入研究的方向。本研究对深海铁锰成矿理论研究和调查勘探都具有重要意义。