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本研究通过整合多波束测深、光学成像及地质采样数据，系统揭示了西CCZ A-5区块多金属结核的空间分布与成因机制。结果表明，结核类型（低覆盖高镍、中覆盖高镍、高覆盖低镍）与地形单元（盆地、平台、过渡带）显著相关，水动力强度和沉积速率是主控因素，并提出二次迁移机制以降低生态影响。
张泽仁|李正刚|王浩|韩希斌|刘宇伟|曾轩|董艳辉|朱志民|杨克宏|李杰|李怀明|李晓虎
自然资源部第二海洋研究所海底地球科学国家重点实验室，中国杭州310012
摘要
本研究针对克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）西部多金属结核的空间分布和遗传控制机制这一未解决的科学问题进行了探讨，重点关注中国五矿集团合同区内的A-5区块。通过整合多波束测深、光学成像和地质采样数据，系统阐明了海底地形、沉积动力学与结核形成之间的耦合关系。研究结果表明，该区域的结核可分为三类：低覆盖率高镍结核（钴含量<30%，镍含量>1.1%）、中等覆盖率高镍结核（钴含量=30–40%，镍含量>1.1%）和高覆盖率低镍结核（钴含量=40–60%，镍含量=0.5–0.9%）。这三类结核分别对应三种地貌单元：盆地（区域I）、平台（区域II）和过渡带（区域III）。主成分分析表明，结核的空间分带主要受地形与底流相互作用形成的沉积动力框架控制。水动力强度（PC1）驱动沉积物的侵蚀-搬运-再沉积过程，并促进粘粒从区域II向区域I的侧向搬运；沉积速率（PC2）影响氧化还原条件，使得区域I/II以氢成因混合型结核为主，而区域III则以氢成因型结核为主。这种局部流速-地形相互作用导致CCZ内结核形成的时空异质性显著，总体上西部以氢成因作用为主，东部则以成岩作用为主。此外，底流与地形的耦合还导致矿化羽流沉积物的二次搬运，使得远端区域的矿化羽流沉积厚度明显减弱，从而有效降低了羽流再沉积带来的生态风险。
引言
多金属结核是一种富含锰（Mn）、铜（Cu）、钴（Co）、镍（Ni）、锂（Li）、铊（Tl）、碲（Te）、稀土元素（REE）和铂族元素等关键金属的深海矿产资源（Hein和Koschinsky，2014）。它们广泛分布于全球深渊平原，具有巨大的资源潜力。仅东太平洋克拉里昂-克利珀顿断裂带（CCZ）的干结核资源量就达2.1×10^10吨，其中锰、钴和镍的储量是陆地资源的1–3倍（Hein等，2013；Hein等，2020；Mizell等，2022）。与海底块状硫化物和富钴地壳相比，多金属结核在资源规模、采矿技术成熟度以及环境影响评估方面具有显著优势，使其成为优先开发的深海矿产资源类型（Hein等，2020）。
目前，深海多金属结核的开发正处于从勘探向商业开采的关键转型阶段。这一过程亟需完成两项核心任务：（1）通过详细的矿体 delineation 提高将资源转化为储量的地质信心（Parianos等，2021）；（2）基于采矿试验支持环境影响评估（Simon-Lledó等，2019；Mu?oz-Royo等，2022；Gazis等，2025），以优化采矿路径（最小化生态扰动）并制定采矿后的栖息地恢复策略（Gausepohl等，2020；Weaver等，2022）。实现精确的矿体 delineation 不仅需要高密度的勘探网格，还需要深入理解结核空间分布的异质性和连续性。
作为分布在海底表面的二维矿体，结核的分布受海底地形显著影响（Kuhn等，2017；Li等，2021）。从20世纪80年代到21世纪初，研究人员利用多波束/侧扫声纳和自由落体抓取采样等声学检测方法（Usui等，1987；Skcrnyakova和Murdmaa，1992；Jung等，2001；Lee和Kim，2004）建立了结核分布与地形和地貌之间的概念模型。氢成因结核通常出现在底流强劲、沉积速率低的海底平台/高地，而成岩结核则积聚在沉积速率较高的深海盆地/凹陷处（例如，Usui和Moritani，1992）。近年来，借助基于船舶的多波束和自主水下航行器（AUV）的声光集成调查技术，高精度定位和大量多源数据使得对微地形对结核分布影响的深入研究成为可能（Gazis等，2018；Peukert等，2018；Alevizos等，2022）。然而，由于结核的空间变异性复杂，目前尚未建立明确的覆盖率/丰度与地形参数之间的线性关系。仅确认结核主要出现在坡度<5°的区域（不同区域的最佳坡度存在差异；Gazis等，2018；Gazis等，2024；Peukert等，2018），这表明对结核分布模式的理解仍存在局限。
本研究聚焦中国五矿集团合同区A-5区块内的代表性区域。通过整合广泛的多波束测深数据、远程光学观测和均匀分布的地质采样结果（包括结核覆盖率、化学成分、沉积物地球化学成分、粒径分布和总有机碳（TOC）等参数），系统量化并分析了CCZ西部结核的遗传类型和空间分布模式，并将这些发现推广到整个CCZ，探讨其成矿控制机制。此外，基于对CCZ底流驱动沉积物再分布的关键理解，提出了矿化羽流沉积物二次迁移的概念，并讨论了这一机制的环境影响。
地质背景和样品
CCZ位于中太平洋东部，是全球重要的多金属结核带。目前有19家承包商持有勘探合同（图1a），旨在系统评估其资源分布和开发潜力。CCZ主要由古代太平洋海底扩张过程形成，玄武岩质洋壳基底年龄从东部的15 Ma到西部的120 Ma不等（Müller等，2016），反映了该区域的扩张历史。
多波束测深数据
研究区域的地形数据由研究船“向阳红6号”搭载的12 kHz Kongsberg EM 122多波束回声测深仪（Kongsberg Maritime，挪威）采集。原始MBES数据使用CARIS HIPS和SIPS 9.1软件（Teledyne CARIS，加拿大）进行处理，包括导航误差消除、噪声去除和声速校正。最终处理后的测深网格被重新采样为间距为100米的均匀网格。
海底地貌
研究区域的水深范围为4565–5452米，地形起伏为887米，主要受南北向构造线控制，形成了两种一级地貌：海底平台和盆地（图1）。利用测深位置指数（BPI）、坡度和曲率（图3）进行定量地貌分析，识别出四种二级地貌类型：
PCA揭示的主要控制因素：水动力强度和沉积速率
对12个变量进行了主成分分析（PCA），包括多金属结核特征（覆盖率、镍含量、锰铁比值、δCe异常值）、地形因素（水深、坡度、BPI）和沉积物性质（粒径分布、地球化学特征、总有机碳（TOC），以确定结核类型分带的主要控制因素（数据处理过程见文本6）。使用Origin 2024 – ArcGIS 10.8集成框架（分析工作流程见文本6），建立了PCA-空间模型。
结论
本研究阐明了海底地形通过与底流动力学的耦合，对CCZ西部多金属结核的形成和空间分布的主导控制作用。通过整合测深、光学成像和地质采样数据，我们发现结核特征——特别是覆盖率、镍含量和遗传类型（氢成因 vs. 成岩成因）——在三种地貌单元（盆地、平台）中存在系统性的空间分带。
CRediT作者贡献声明
张泽仁：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论制定、数据分析、数据管理。李正刚：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资金获取、数据分析、概念构思。王浩：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。韩希斌：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。刘宇伟：撰写 – 审稿与编辑、项目协调。曾轩：撰写 – 审稿与编辑、项目支持。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
我们感谢“大洋耀号”（R/V “Dayangyihao”）上DY79航次的船长和船员们为多金属结核和沉积物的采集所做的贡献。同时，非常感谢编辑Natascha Riedinger以及两位匿名审稿人的细致审稿和建设性反馈，这些工作显著提升了本文的清晰度和质量。本研究的资金支持来自国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2811305）。
