金屬硫化物

金屬硫化物一般是有顏色、難溶於水的固體，只有鹼金屬硫化物、硫化銨易溶於水和少數鹼土金屬微溶於水。在分析化學上，常利用各種硫化物在水中的溶解性差異和特徵顏色進行鑑別和分離。

有硫化鈉、硫化鉀、硫化鋅、硫化鎂、硫化亞鐵、硫化錳等易溶於稀酸，其它硫化鉛、硫化鎘、硫化銻、硫化亞錫、硫化銀、硫化銅、硫化汞都不溶於稀酸。即鹼金屬硫化物易溶，鹼土金屬的硫化物；硫化鈣、硫化鍶、硫化鋇等微溶於水。 ^[1] 

由於氫硫酸為弱酸，因此，硫化物在水中都會有不同程度的水解性。例如，硫化鈉在水中幾乎完全水解：它的水溶液呈鹼性，俗稱“硫化鹼”，在工業上常用價格便宜的硫化鈉代替 NaOH作為鹼使用。鹼土金屬的硫化物遇水也可發生水解。 因此，這些金屬硫化物不可能用濕法從溶液中製備，而只能採用幹法，如將鋁粉和硫粉直接化合製得硫化鋁。鹼金屬或鹼土金屬的硫化物的水溶液能溶解單質硫生成多硫化物，多硫化物的溶液一般呈黃色，隨着硫原子數的增大逐漸呈黃色、橙色至紅色。 ^[1] 

金屬硫化物即為硫化某的形式（某為金屬）。金屬硫化物可由硫與金屬生成二元化合物，也可由硫化氫（或氫硫酸）與金屬氧化物或氫氧化物作用生成。

例如：

Cu（紅熱）+S（蒸汽）==（加熱）CuS

H₂S+CuO===CuS+H₂O

H₂S+2NaOH===Na₂S+2H₂O ^[1] 

1979年在北緯21度下加利福尼亞（墨西哥）岸外的東太平洋海隆，科學家在勘探洋底時發現位於硫化物丘上的煙囱狀黑色岩石構造，煙囱湧噴熱液，周圍的動物物種前所未見。後來的研究表明，這些黑煙囱體是新大洋地殼形成時所產生，為地表下面的構造板塊會聚或移動，和海底擴張所致。此外，這一活動與海底金屬礦牀的形成密切相關。

在水深至3 700米之處，海水從海洋滲入地層空間，被地殼下的熔岩（岩漿）加熱後，從黑煙囱裏排出，熱液温度高達400℃。這些熱液在與周圍的冷海水混合時，水中的金屬硫化物沉澱到煙囱和附近的海底上。這些硫化物，包括方鉛礦（鉛）、閃鋅礦（鋅）和黃銅礦（銅），積聚在海底或海底表層內，形成幾千噸至約一億噸的塊狀礦牀。一些塊狀硫化物礦牀富含銅、鋅、鉛等金屬，特別是富含貴金屬（金、銀）的事實，近年來引起了國際採礦業的興趣。在已沒有火山活動的地方，也發現了許多多金屬硫化物礦牀。 ^[2] 

多數礦點位於海洋中部，分佈於東太平洋海隆、東南太平洋海隆和東北太平洋海隆。已知大西洋中脊也有一些礦牀，但在印度洋海脊至今只找到一處。大西洋中脊和印度洋中脊的已知硫化物礦牀較少，主要原因是在這些地區內進行的勘探活動有限。全世界共有6萬公里的海脊，經過任何勘查的只有5%左右。

80年代中期，在西南太平洋又發現了一些硫化物礦牀，位置是在大洋邊緣，在大陸和火山島弧之間的海底，海盆和海脊形成的地方。在這些所謂弧後擴張中心，岩漿在會聚板塊邊緣上升到接近表層之處（在會聚板塊邊緣，通過俯衝過程，一構造板塊滑動到另一板塊之下）。這些發現引發了對西太平洋和西南太平洋邊緣海盆以及島弧和弧後體的大規模勘探，結果在澳大利亞東部的勞海盆和北斐濟海盆和日本西南的沖繩海槽又發現了其他礦牀。1991年在新喀里多尼亞北部的馬努斯海盆等地發現大量與長石火山活動（最強烈的一種火山活動，造成的火山灰流最多）有關的碌化物礦牀。伍德拉克海盆附近也發現了熱液礦牀，那裏的海底擴張延伸到巴布亞新幾內亞以東的大陸地殼。今天，已知有100多個熱液礦化點，包括至少25處有高温黑煙囱噴口。 ^[2] 

在對海底硫化物作了近1，300項化學分析比較後發現，位於不同的火山和構造環境的礦牀有不同的金屬比例。與缺少沉積物的洋中脊樣品相比，在弧後擴張中心的玄武岩至安山岩環境生成的塊狀硫化物（573個樣品）中平均含量較高的金屬有：鋅（17%）、鉛（0.4%）和鋇（13%），鐵含量不高。大陸地殼後弧裂谷的多金屬硫化物（40個樣品）的含鐵量也很低，但通常富含鋅（20%）和鉛（12%），而且含銀量高（1.1%，或2 304克/噸）。總的來説，各種構造環境的海底硫化物礦牀的總成分取決於這些金屬是從什麼性質的火山岩淋濾出的。

最近，在弧後擴張中心的硫化物樣品中發現金的含量甚高，而洋中脊的礦牀中金的平均含量只有1.2克/噸（1 259個樣品）。勞弧後海盆硫化物的含金量高達29克/噸，平均為2.8克/噸（103個樣品）。在沖繩海槽，位於大陸地殼內的一個後弧裂谷的硫化物礦牀含金量高達14克/噸（平均為3.1克/噸，40個樣品）。對東馬努斯海盆的硫化物進行的初步分析表明，金含量為15克/噸，最高達55克/噸（26個樣品）。在伍德拉克海盆的重晶石煙囱中發現高達21克/噸的含金量。迄今發現的含金量最豐富的海底礦牀位於巴布亞新幾內亞領水內利希爾島附近的錐形海山。從該海山山頂平台（基部水深1600米，直徑2.8公里，山頂水深1050米）採集的樣品含金量最高達230克/噸，平均為26克/噸（40個樣品），10倍於有開採價值的陸地金礦的平均值。 ^[2] 

對幾個洋中脊礦牀的估計顯示，其噸位在100萬到1億噸之間。但是，硫化物露頭的延展長度不易估算，關於礦牀厚度的資料缺乏。已發現的最大礦牀位於上覆大量沉積物，但依然有熱液活動的古海脊。國際大洋鑽探計劃對美國西北岸外的胡安德富卡海脊北部被沉積物覆蓋的中谷礦牀的鑽探顯示有800至900萬噸的硫化礦。在對位於北緯26度太平洋中脊水深3，650米處的Trans-Atlantic Geotraverse（TAG）活動熱液丘鑽進125米後發現，海底表面約有硫化礦270萬噸，表層內礦牀約有120萬噸（為網狀脈）。迄今在海底發現的塊狀硫化物礦牀規模，都比不上加拿大基德克里克（1.35億噸）或葡萄牙內維什科爾沃（2.62億噸）。

海底最大的已知硫化物礦牀為紅海的阿特蘭蒂斯II海淵，比東太平洋海隆的第一個黑煙囱早發現十多年。阿特蘭蒂斯II海淵的礦化物主要是金屬軟泥，不是塊狀硫化物。對面積40平方公里的礦牀所作的詳細評價顯示，礦牀有9400萬噸的貧鉛銀礦石，其中含鋅2%、銅0.5%、銀39克/噸和金0.5克/噸，貴金屬的總含量約為銀4，000噸和金50噸。在2000米深處試驗採礦證明，該礦牀可以成功開採。 ^[2] 

海洋採礦在某些條件下似乎是可行的，理想的條件包括（1）高品位的有色金屬和/或金；（2）礦點離陸地不太遠；（3）水深較淺。雖然現在已有深水採礦技術，但以2000多米深為宜。在這些情況下，開採塊狀硫化物礦可具有經濟吸引力。考慮到整套採礦器具可以從一處搬運到另一處，因此，所投資的採礦系統和船隻不必像陸地採礦那樣固定在一個地方。在陸地上偏遠地點採礦往往需要大筆初始投資，包括全部基礎設施在內。

海底塊狀硫化物的開採可能集中於小塊海底區域，並主要限於表層（剝採）和淺次表層（挖採），以便回收海底的硫化物丘和煙囱場以及其下的網狀脈區中的交代礦體。

研究、勘探和開採前景

全世界的學術機構和政府機構正在對多金屬硫化物礦牀及其有關的生態系統進行科學研究。這一領域的領先國家是澳大利亞、加拿大、法國、德國、日本、俄羅斯聯邦、英國和美國。意大利和葡萄牙也制定了研究方案。

勘探需要高尖端的多用途科研船，使用先進技術，例如深海測繪設備、載人潛水器或遙控船隻、攝影和錄像系統，採樣和鑽探裝置。鑽探和巖芯取樣設備必須改進，以便能鑽探到100米的深度。尚未專門設計用於回收硫化物的採礦系統，但開發努力可能集中於連續回收系統，採用旋轉式截割頭，配以揚礦設備，將礦石運到採礦船，再運往加工廠。 ^[2] 

與塊狀硫化物礦牀相關的熱液噴口為科學上前所未知的多種動物提供了生活環境。與陸地上直接或間接靠陽光和光合作用獲得能量的其他生命形式不同，熱液噴口動物羣落能在沒有陽光，充滿硫化氫的熱液中繁衍。而硫化氫對大多數其他動物是則致命的化合物。在這種環境中生活着長達二米的蠕蟲，它們居住在自造的棲管，沒有消化系統，從氧化甲烷和氧化硫的微生物獲得能量。在這些有多樣化生物的熱液噴口區，已發現500種左右前所不知的動物物種。

在規劃礦物的勘探和開採時，必須考慮這種地理上不集中的生態系統的獨特而脆弱性質，及其對代謝、進化和適應方面的基礎生物研究所具有的價值。研究表明，現有的生物種羣具有很強的恢復力可適應火山活動區環境的急劇變化。這一恢復能力可能是由於存在着某種“母種羣”，有能力再進入被擾動區。如果這一基礎“母種羣”遭到採礦活動的破壞，則有可能導致稀有物種的滅絕。

開採硫化物的許多環境影響問題與開採多金屬結核所造成的環境問題相似，包括破壞動物棲息處的表層、被擾動沉積物掩埋動物，底層水因懸浮的顆粒羽流而發生化學變化。另一方面，硫化物顆粒的高密度會使採礦設備所造成的任何硫化物碎屑立即重新沉積。由於與海水的接觸面大，一些釋放出的硫化物碎屑會氧化，如同許多海底礦牀的非活性塊狀硫化物的氧化過程一樣。在陸地硫礦開採中通常造成重大環境問題的礦山酸性污水排泄在海底則無須擔憂，因為周圍海水有淡化作用。此外，大多數海底硫化物礦牀通常沒有顯著的上覆沉積物。因此，應當可以選擇性地開採礦牀，尤其是那些沒有任何噴口動物生息的非活性礦牀，因為在這些地方開採所造成的環境影響可能不會大於建造一個普通港口設施。 ^[2] 

國際海底管理局理事會正在審議國家管轄範圍以外的深海多金屬硫化物和富鈷結殼的探礦和勘探活動的問題。相關條款考慮了管理局於2000年就該問題舉行的研討會及有關專題會上專家的意見。其中就深海多金屬硫化物問題，研討會特別強調的是必須保護有關生態系統，使之不受到勘探和最終的採礦活動的有害影響。管理局理事會在2006年繼續審議這一規章。 ^[2]