【自然资源】采矿业挺进深海

责任编辑：罗凯

这可能是人类有史以来第一次在疯狂开采前就制定出了相关的管理规范。

撰文 托马斯·皮科克（Thomas Peacock） 马修·尔福德（Matthew Alford）翻译 韩喜球

摄影 布雷克·史蒂文斯（Brett Stevens）

托马斯·皮科克是麻省理工学院环境动力学实验室主任、机械工程学教授。

马修·尔福德是物理海洋学教授，在斯克里普斯海洋研究所海洋物理实验室（Marine Physical Laboratory）担任副主任。

精彩速览

世界对部分金属的需求正在快速增长，当一些有经济价值的陆地矿床消耗殆尽，政府和企业很有可能选择到海底采矿。

在4000米深的海底，不同的位置上储存着存在大量富集镍、铜、钴等元素的结核，体积有拳头大小。

大型机械在沿着海底收集结核时，会扬起沉积物。海面上的工程船也会把随着结核一起收集起来的沉积物重新排回大海。不过，即便在陆地上采矿，也会对环境产生影响。

如果海底采矿持续发展，并且继续推动相关研究，就可以在寻找使环境影响降到最低的方法时，建立合理的规章制度。

今年2月下旬，我们来到距离圣迭戈约48千米的海面上，这里深约1000米。在我们的科考船萨利号（RV Sally Ride）上，有8个小汽车一般大小的大容器，里面装满了从太平洋海底采回的沉积物。这天早上，我们在一个巨大的水槽里将沉积物与海水混合在一起。随后，我们又花了一个多小时，将水槽里的泥浆通过直径0.2米的排水软管排到60米深的海水里。

排出的泥浆在洋流的带动下向远处扩散，在接下来的6个小时里，我们一直追踪这些羽状流微粒。悬挂在船壳上的复杂传感器阵列可以测量水柱中的羽流的形态和沉积物的浓度，随着时间的推移，我们能检测到的信号也越来越弱了。

深海采矿可能对海洋造成巨大影响，而我们的目标，就是为这类迫在眉睫的问题收集一手的数据。

经过多年的考虑，世界各国政府和公司开始勘探深海海底有价值的矿物，关注点主要是矿物中的镍、铜和钴。而在数千米水深的海底，有一种拳头大小的结核，它们就蕴藏这些金属。当收割机一般大的机械采集车沿着海床爬行时，不仅会采集包含这种结核的表层沉积物，还会在经过之处搅动起巨大的沉积物灰层。

在沿途，机械采集车会通过一个数千米长的宽管道，把结核送到海面的船舶上。送到船上的混合物会被分拣筛选，剩余的沉积物则会被排回海洋，形成一个向下扩散的羽状流。

目前，这艘船每天可以挑出数百万个致密的金属结核。采集和排放的过程会对海底和海洋中的生物产生什么样的影响？我们的排放测试，就是为寻找答案所做出的初步尝试。目前，各国想在短期内收集大量信息。因为全球对金属的需求量不断攀升，一些陆地上的高品位的矿产资源正在枯竭，像全球海洋矿产资源（Global Sea Mineral Resources）和英国海底资源（UK Seabed Resources）之类的公司已经开始从事深海采矿工作。他们认为，当生产商们不得不面对难以开采且品位又低的陆地矿床时，深海采矿能比陆地采矿更廉价。

像日本和韩国这样的国家，陆地上矿产很少，所以他们也想参与深海探矿，毕竟海洋里有丰富的资源。2017年9月，日本国家石油天然气金属矿产资源公司（Japan Oil, Gas and Metals National Corporation）首次开展了大型商业试采。一台原型挖掘机进入日本专属经济区（EEZ）内的冲绳海域作业，在1600米深的海底采出了数吨锌和其他金属。

像汤加和库克群岛等资源有限的小岛国家和地区也想参与这场勘探，但他们很难独立建造大规模的工业设施，所以正在讨论是否把专属经济区内的采矿权提供给外界。目前，管理国际水域商业活动的国际海底管理局（ISA）已向20个国家的机构颁发了28份勘探许可证，用于在全球部分海域的海底采样。

现在，科学家正在努力研究，试图更详尽地认识海底采矿对环境产生的潜在影响，以及用什么办法可以将这种影响降到最低。政府、企业、ISA、大学和科学组织也在合作开展与我们类似的风险研究。与煤炭、石油、磷和其他自然资源的开发历史不同，科学界有机会与各方合作，在大型开采工业开始之前建立有效的保障措施，并对海基采矿与陆基采矿产生的影响进行比较。

很多国家和企业开采过浅海的石油、砂子和钻石。现在，他们开始开发深海海底，目的是为了寻找镍、钴等贵重金属。研究人员在国际海域中绘制了三种类型的矿床。目前看起来面积相当大（有颜色的区域）。锰结核似乎是经济上最具开发价值的一类。

管理国际海域的国际海底管理局在太平洋海底的克拉里昂-克利珀顿断裂带上（面积加起来可以达到欧洲一般大），颁发了16张锰结核勘探许可证。其中大多数矿石都集中海底的某些区块中，海水深度大约为4000米。管理局在颁发许可证的同时，会留出一块禁止采矿的区域，以便继续开展相关研究。当然，一些国家也在勘探他们自己的经济开发区的矿床。

镍铜钴是重点

一个半世纪以前，瑞典探险家第一次在西伯利亚的卡拉海发现海底矿产。19世纪70年代，著名的HMS挑战者号在海底的探索证实了这个矿床的价值，从而推动了现代海洋学。20世纪70年代，美国中央情报局精心策划了一场骗局，他们执行的下潜任务表面上是为了太平洋的锰结核，实际上却是试图挖掘沉没的苏联潜艇K-129。不过，当时技术上的挑战和矿石价格的低迷都从现实的角度阻碍了商业性的勘探。

在过去的几十年中，人们对海底矿产再次产生了兴趣。全球人口的增加，人均消费的增加，以及严重依赖某些金属材料的技术（从手机到电动车）蓬勃发展，都在大幅推动市场预期。例如，现在全球镍需求量约为200万公吨，未来将会大幅攀升。据估计，陆上镍的储量约为7600万公吨。仅仅在克拉里翁-克利珀顿断裂带（CCFZ，一条从夏威夷延伸至下加利福尼亚州半岛的细长的深海平原）间的海底多金属结核中，就储存着几乎同等量级的镍。钴的情况也类似：陆地钴储备量约为700万公吨，与该区结核中钴的储量相当，或者更少。

可以说，目前有三种矿床类型具有开发潜力。其中一种包含活动和非活动的热液喷口。热液喷口是指，在构造板块的边界，由火山活动形成的旧裂缝在海底喷射出含金属的流体。周围所谓的海底块状硫化物富含铜、锌、铅和金等矿物资源。巴布亚新几内亚已向加拿大鹦鹉螺矿业公司（Nautilus Minerals）授予在境内的专属经济区（Solwara 1）开采硫化物的许可证。国际海底管理局也在大西洋和印度洋的国际水域中授予了7份硫化物勘探合同。

第二种矿产资源类型是富钴结壳。这种资源由海水中沉淀下来的金属组成，形成于海山的硬岩峰顶和侧翼上。结壳的生长非常缓慢，每百万年生长几毫米，目前通常能达到5到10厘米的厚度。除了钴之外，它们还含有镍和其他人类需要的金属。虽然ISA已经为西太平洋颁发了4张勘探许可证，但是富钴结壳的开采也许最具挑战性，因为从岩石上将结壳剥离有很大的难度，并且岩石表面地势陡峭，在水下操作的难度也很大。

大多数深海采矿企业在作业时，主要针对多金属锰结核（本文的后续部分也仅涉讨论这种类型的矿床采矿）。它们裸露地分布在数千米深的海底表面，或者被沉积物覆盖了一部分。当海水里的金属元素围绕碎屑核心沉淀时，会逐渐形成结核，而形成一颗直径一厘米的结核约要100万年的时间。ISA在CCFZ授予了16张结核勘探许可证。虽然不同区域的结核化学成分有所差异，但典型的结核样品约含3％的镍、铜和钴，这三种金属是人们需要的东西。在结核中，锰的含量大约为25％，不过这种金属在陆地上相对丰富。另外，结核中还含有部分经济价值尚不明确的金属成分。

另外，要调查一个具有开发潜力的区域，需要使用船基仪器、自动水下航行器和船载箱式取样器，花费时间也长达数月。由于勘探区域非常巨大，科学家引入了统计方法，利用已经测试的样品推断整个区域的情况。如果结核的丰度超过10千克每平方米，很少或没有沉积物覆盖，海底的坡度不到10％，而且方便带有重金属履带的机械采集车爬行，那么探矿者就会认为采矿是经济可行的。

采矿作业的核心是采集车，车由连接到船上的脐带缆供电。它会在海底开展采矿工作，每天覆盖约50千米（按路程计算）。采集车最有可能的行进路线，是在一个结核区内以千米级的格子来回走动。自动潜水器则会引导采集车，并监控周围的环境。

当采集到结核及周围的沉积物时，采集车会对混合物进行粗略的分离，将不需要的沉积物排出，造成沉积物扬尘。通过一根带着一系列泵的长软管（一种基于石油、天然气和疏浚行业所使用的立管系统），结核和泥浆会被送到作业船。作业船将结核分离出来后，又会通过排水软管将不需要的沉积物送回大海。随后，大型货船把结核运到陆地上的加工厂，提取所需的金属。

通过论证经济可行性，研究人员发现，为了实现盈利，公司每年需要收集300万公吨干燥结核，产生约37000公吨镍、32000公吨铜、6000公吨钴和750000公吨锰。

在一次样品采集活动中，鹦鹉螺公司正在太平洋海底抓取富含重要金属元素的锰结核。

生态影响

目前ISA可以为承包者提供15万平方千米的勘探许可证。由于签约国（167个国家和欧盟）将国际海底视为“人类共同继承的财产”资源，ISA也想防止富裕的国家变得更加富有，贫穷国家却依然贫穷。所以他们共同协商，要求勘探公司必须找到赞助国，并且必须与发展中国家合作。调查完成后，勘探公司会将调查区分成两部分，由ISA决定将哪一半发放给发展中国家以便进行可能的开发活动。

勘测工作可能对海底影响不大，但后续的采矿工作却引发了人们对环境的担忧。研究表明，开发公司可能会发现，75000平方千米的调查区内约10000平方千米具有经济可采性。采集器会从海底表面移除10~15厘米厚的沉积物，然后把海床压实。在被移除的这层沉积物中，约20％的生物是尺寸超过50微米的无脊椎动物，这些生物中的大多数将会在冲刷中死亡，或者在被搅起的沉积物中窒息。

除了那些无脊椎动物，就是细菌之类的微生物，我们还不清楚它们会遭遇什么样的命运，不过，它们会随着被搅起的沉积物一起在数千米外的区域逐渐沉降下来。而依附在结核上的细菌可能会过得很糟糕。鉴于结核需要数百万年的时间才能形成，远离深海热液喷口的生物群落发展又缓慢，采矿的区域不可能在任何人类时间尺度上恢复原状。大约30年前，德国研究人员在秘鲁盆地4100米的海底挖掘了模拟采矿轨道，当调查人员在2015年重新审视这些轨道时，它们看起来像是新修建的一样。

另一个值得关心的问题是采集器造成的沉积物羽流。在深海环境下，微弱的背景洋流每秒可以流动几厘米，在漫长的沉积过程中，可以把沉积物颗粒物从采集器所在的位置，运移到几千米远之外的地方。大部分沉积物颗粒非常细小，直径约0.02毫米，通常沉降速度约为每秒1毫米。通常认为，背景洋流可以将采集器扬起的沉积物（高度10米左右）搬运到距离采矿地点10千米远的地方。

这种估计可能过于简单，因为细小的沉积物会聚集成较大的絮状物，它们的沉降速度会比单颗粒快，不过这可能会限制羽流的水平移动范围。然而，深海的背景沉降速度非常低，大约维持在每一千年增高一毫米的数量级。所以，采集器只排放了非常少量的沉积物，就可能会让海底生物窒息，即便稍远处的生物也不例外。另外，压实海床也是一个问题。研究偶尔发生的深海风暴对海底沉积物的冲刷作用，或许可以获得有价值的信息。

要评估船上排出的沉积物羽流对环境的影响，很有挑战性。上层洋流流速更快，而且有更多的湍流。排放软管最好可以向水面以下延伸数百米。从排放软管释放出来的羽流会形成一个大致的锥形形态，最下端可扩展到几十米左右，这些洋流会每天扭曲着移动数千米。

今年2月，在圣迭戈的实验中，我们用声学仪器追踪了排放的羽流。洋流使羽流形态歪歪扭扭，就像盘根错节，相互缠绕一样。随后，水下的仪器还从卷曲的羽流中取回了样本。我们还需要一两个月的时间，分析所有的数据，确定接近和远离软管的位置的沉积物浓度分布。

与此同时，研究人员正在设法确定采矿区内生物的死亡情况，以及这种情况对当地和邻海区域甚至数千米以外的海域生态系统的影响。目前，CCFZ和ISA已经指定了9个大型保护区，并且在设法让每个大型勘探许可区建立保护区协议。专家们会监测这些地方，看看会产生什么影响。目前，在缺乏实测数据的情况下，我们根本不知道会发生什么。

海陆对比

衡量深海采矿和陆地采矿对环境的影响非常重要。例如，刚果民主共和国为全球提供约60％的钴。然而这个国家因为陆地采矿导致森林砍伐，水和空气受到污染，还涉及童工问题。在一些国家，相对容易开采的矿床逐渐耗尽，因此他们准备向较难开采的矿床转移，这需要消耗更多能源，利用更多的化学处理方法，还可能导致更大的环境影响。

即便从海底获得了结核，进行处理的过程也会对陆地产生影响。通常一个结核只有30％是我们需要的金属，70％通常是我们不需要的废物，例如泥浆。陆地上的采矿工人经常将这种泥浆送回他们采矿的矿坑中，而数百万个深海结核带出来的泥浆，也必须妥善处理。

为了减少开采量和对环境的影响，制定有效的废旧金属全球回收计划对整个社会至关重要。但是，仅靠回收无法满足不断增长的需求。更麻烦的是，我们很难明确说出，海底采矿与同等程度的陆基采矿，哪个对环境影响更大，或者说对环境更友好。

当然，规章会影响结果。位于牙买加金斯敦的ISA管理着地球上一半以上的海洋——国际海域，也就是所谓的“公海”。ISA并没有船只监管国际海域的活动，只有与投资国共同承担这一责任。如果确定一个地区的采矿对环境的影响超过了标准，这个公司或国家的许可证可能会被吊销。消费国也可以拒绝接受违反规则的勘探国家提供的结核或金属。

ISA是根据“联合国海洋法公约”（UNCLOS）设立的，该公约要求签字国采取一切措施保护海洋环境。目前，联合国有14个成员国签署了“联合国海洋法公约”，但公约本身还没有获批，其中最引人注目的是，美国以及另外15个成员国还没有签署这份公约。如果公约一直不通过，这些国家可能会在国际水域中进行开采，并藐视ISA法令。ISA将不得不呼吁全球政府共同解决这种状况。

目前，ISA已经发布了国际海底区域的开发规章草案，这个规章的目的是想涵盖所有问题，包括政府如何批准或拒绝规定承包者义务，以保护海洋环境的勘探、开发合同。ISA预计，将在2020年发布开发规章。各国也不得不为各自的陆基结核加工设施编写规章。

另外，国家专属经济区内发生的事情也很引人关注。全球各国海上专属经济开发区占世界海洋三分之一以上的面积。有些国家在200海里（370千米）的专属经济区内没有“深海”，但有些国家，比如太平洋岛国。像帕劳这样的少数国家，会直接拒绝任何海底采矿活动，因为这些行为可能会影响本国的渔业或旅游业。其他一些国家和地区，比如包括汤加、基里巴斯和库克群岛等，则在寻找国际合作伙伴的同时，制定自己的法规。目前，库克群岛已经与海洋矿业公司和美国签署了一份合同，在23000平方千米的海域勘探和开发钴矿。

这些行动表明，海底采矿可能会成为现实。根据日益增长的经济和战略利益，一些国家可能会在未来5到10年内开始勘探性的工作。而像日本这样的国家，已经开始采矿了。

对感兴趣的各方来说，合作仍然是最好的办法。就像现在所做的那样，将小规模工业测试与必要的科学研究结合起来。事实上，CCFZ的大量生态系统和资源信息都来自承包者的研究。例如，我们在圣迭戈进行的调查，就是由麻省理工学院和斯克里普斯海洋学研究共同资助的，并且，这个项目也与ISA、美国地质调查局及全球海洋矿物资源部有合作。2019年，欧洲海洋健康与生产联合项目（Europe’s Joint Programming Initiative Healthy and Productive Seas and Oceans）也会在CCFZ开展其他项目。

关于商业运营的部分准则和标准，未来可能会从现有的工业传统中继承一部分，而另一部分规则可能是全新的。如果各方能够继续合作，深海采矿可能是一座全球性的里程碑。

从历史上看，现有的规章已经落后于工业开采了。例如，在面对全新的液压破碎技术时，这些新技术带来的新影响都会迫使规章制定者和公民要迎头赶上。正如皮尤慈善信托基金会的康恩·纽加特（Conn Nugent）所说：“这是历史上的重要时刻，我们第一次有机会在开采进行前就编写规章，管理开采活动。”GS

扩展阅读

Biodiversity, Species Ranges, and Gene Flow in the Abyssal Pacific Nodule Province: Predicting and Managing the Impacts of Deep Seabed Mining. ISA Technical Study No. 3. International Seabed Authority, 2008.

International Seabed Authority: www.isa.org.jmPlumes Experiment at the Scripps Institution of Oceanography:www.mod.ucsd.edu/plumexJourney to the Bottom of the Sea. Mark Schrope; April 2014.