深海海底采矿与保护竞赛

二月底，我们位于圣地亚哥海岸外 50 公里处，在 1000 米深的水域中保持位置。在我们的研究船“莎莉·莱德”号上，有八个集装箱，每个都像一辆紧凑型汽车那么大，里面装满了从太平洋深海海底疏浚出来的沉积物。今天早上，我们将沉积物与海水在一个巨大的水箱中混合，并在一个小时内，我们将全部内容物通过一根宽大的排放软管泵出，该软管从船舷延伸到水下 60 米处。

六个小时里，我们追踪了一股颗粒羽流，它在洋流的拉动下向下游和远离船只的方向扩散。一个悬挂在船上的精密传感器阵列使我们能够测量水柱中的羽流形状和沉积物浓度，信号越来越弱。

我们的目标是获取关于一个紧迫问题的海洋数据，这个问题可能很快会对海洋产生重大影响：深海海底采矿。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

经过多年的思考，世界各地的政府和公司开始探索深海海底的贵重矿物，其中最主要的是镍、铜和钴。一种矿藏类型——含有这些金属的拳头大小的结核——位于水下数千米处。机器人采集机，每台都像联合收割机那么大，将在海底爬行，吸起含有结核的顶部沉积物层，在其身后扬起一片沉积物云。采集机将把结核泵入宽阔的、数公里长的管道，输送到大型水面船只上。船只会筛选这些物质，每天分离出数百万个致密的金属结核，并将剩余的沉积物返回海中，向下排放羽流。

所有这些活动将如何影响海底和上方水域的生物？我们的排放测试是朝着解答这个问题迈出的早期一步。

全球对金属的需求正在无情地增长。一些品位较高的陆基矿山正在枯竭。几家公司，如全球海洋矿产资源公司 (GSR) 和英国海底资源公司，正在追求深海采矿，因为他们认为这可能比陆基采矿成本更低，尤其是在陆地生产商被迫转向品位较低且更难开采的矿址时。

某些陆地上矿产资源不多的国家，如日本和韩国，希望通过在海洋中勘探来参与竞争，那里的一些矿藏非常丰富。2017 年 9 月，日本石油天然气和金属国家公司进行了首次大型商业试验之一。一个原型挖掘机从冲绳附近 1600 米深处、日本专属经济区 (EEZ)——其国家水域内——的矿藏中收集了数吨锌和其他金属。汤加和库克群岛等自身资源有限的小岛国和地区，正在讨论是否将专属经济区内的采矿权提供给外部投资者。国际海底管理局 (ISA) 负责监管国际水域的商业活动，已向来自 20 个国家的机构颁发了 28 个勘探许可证，用于对海底矿物进行取样。

科学家们正在努力更多地了解潜在的破坏性影响以及可以采取哪些步骤来最大限度地减少这些影响。目前，政府、行业、国际海底管理局、大学和科学组织正在合作开展类似于我们的共同研究项目。与煤炭、石油、磷和其他自然资源的历史不同，科学界有机会与各方合作，在大型开采业形成之前建立有效的保障措施，并确定海基采矿与陆基采矿的相对影响。

镍、铜和钴的回报

瑞典探险家在一个半世纪前首次在西伯利亚附近的卡拉海发现了海洋矿藏。19 世纪 70 年代，在著名的 HMS 挑战者号远征期间，这些宝藏得到了证实，这次远征推动了现代海洋学的发展。在 20 世纪 70 年代，中央情报局策划了一个精心设计的骗局，表面上是为了在太平洋中潜水寻找锰结核，实际上是为了掩盖其挖掘沉没的苏联潜艇 K-129 的企图。但技术挑战和低廉的矿物价格阻碍了实际的商业勘探。

过去十年，人们的兴趣明显增加。全球人口增长、城市化、消费增加以及严重依赖某些金属的技术的积极发展，正在大幅推高市场预测。例如，目前全球每年对镍的需求约为 200 万吨，预计到 2030 年将增长 50%。陆基储量约为 7600 万吨。大致相同的数量以结核的形式存在于克拉里昂-克利珀顿断裂带 (CCFZ) 内的海底，这是一片从夏威夷延伸到下加利福尼亚半岛的细长深渊平原。钴的情况类似：该区域结核中的钴储量与陆地储量约 700 万吨相当甚至超过。

主要有三种有前景的矿藏形式。一种包括活跃和不活跃的热液喷口——由火山活动打开的裂缝，沿构造板块边界喷出热物质。这些所谓的“海底块状硫化物”是富含铜、锌、铅和金等矿物的局部矿藏。巴布亚新几内亚已授予加拿大公司诺蒂勒斯矿业公司许可证，在其专属经济区内的索尔瓦拉 1 号不活跃矿址开采这些硫化物。国际海底管理局已在国际水域的不活跃矿址授予了七份硫化物勘探合同。科学家呼吁暂停在活跃矿址进行采矿，因为那里有独特的生态系统。

第二种矿藏类型是钴结壳，它在海山的硬岩山顶和侧翼形成，因为金属自然地从海水中沉淀出来。这种结壳生长非常缓慢，每百万年仅生长几毫米，通常厚度达到 5 至 10 厘米。除了钴之外，它们还含有镍和其他所需的金属。尽管国际海底管理局已在西太平洋发放了四份勘探许可证，但钴结壳的开采具有挑战性，因为它很难从下面的岩石上剥离结壳，而且岩面通常陡峭且难以在水下通行。

大多数深海采矿企业的目标是多金属“锰”结核矿藏。（本文的其余部分仅讨论这种采矿。）结核散布在海底，或部分埋在许多大片区域的沉积物中。它们在数千米深处形成，当金属围绕一块碎屑从海水中沉淀出来时，形成一个核心，其直径以每百万年约一厘米的速度增长。

国际海底管理局已在 CCFZ 颁发了 16 份结核勘探许可证。尽管成分各不相同，但典型的结核中含有约 3% 重量百分比的镍、铜和钴，这些才是真正的宝藏。约 25% 是锰，如果大规模开采，将大大增加全球供应量。其余大部分是没有经济价值的硬化材料。

结核是新黄金

对潜在矿址的勘测需要数月时间，使用船载仪器、自主水下航行器和从船上放下的箱形采集器来收集样本。由于勘探区域非常大，测试样本在整个区域内进行统计外推。如果结核浓度超过每平方米约 10 公斤，结核被少量或没有沉积物覆盖，因此易于拾取，并且海底坡度小于 10%，使得采集机易于管理（采集机通常在重型滚动履带上爬行），勘探者认为该矿址在经济上是可行的。

采矿作业的核心将是采集车，它由来自船上的电脐带电缆供电。它将巡视海底，每天覆盖约 50 公里，最有可能在结核矿区以公里级的网格模式来回行驶。自主潜水器将帮助引导它并监测周围环境。

当采集器吸取或舀起结核和伴随的沉积物时，它将对结核进行一些粗略的分离，将其身后不需要的沉积物以云状排出。一根带有串联泵的长软管会将结核浆液输送到作业船上——一种基于石油、天然气和疏浚行业成熟技术的海上立管系统。船只会分离结核，通过排放软管将不需要的沉积物送回海中。大型货船将把结核运送到陆地上的加工厂，在那里提取所需的金属。

经济可行性研究表明，为了实现盈利，公司每年需要收集 300 万吨干结核，产生约 37,000 吨镍、32,000 吨铜、6,000 吨钴和 750,000 吨锰。

对生物的影响

国际海底管理局是根据《联合国海洋法公约》(UNCLOS) 设立的，该公约要求缔约国采取一切措施保护海洋环境。国际海底管理局授予面积为 150,000 平方公里的区域的勘探许可证。由于批准或加入《联合国海洋法公约》的国家（167 个国家和欧盟）将国际海底视为“人类共同遗产”的资源，因此想要采矿的公司或组织必须由已批准该公约的国家赞助。在勘测完成后，公司将一个区域分成两半，国际海底管理局决定将哪一半保留给发展中国家以供可能的开发。

研究表明，在公司 75,000 平方公里的区域中，很可能找到约 10,000 平方公里（约占 CCFZ 的 0.2%）在经济上可行的采矿区域。采集器将移除海底顶部 10 至 15 厘米的沉积物，并压实该区域的海底。各种尺寸为 50 微米或更大的生物生活在结核上或沉积物中。这些生物中的大多数将因冲刷而死亡，或被沉积物云沉降时窒息而死。

较小的微生物（如细菌）占生物量的其余部分。目前尚不清楚这些微小物种的状况如何。它们将被沉积物扬起，并在数公里外沉降下来。那些依赖结核作为其生存基质的物种可能会表现不佳。鉴于结核需要数百万年才能形成，并且远离深海热液喷口的生物群落发展非常缓慢，因此，在任何人类时间尺度上，开采区域都不可能恢复。近 30 年前，德国研究人员使用雪橇在秘鲁盆地 4100 米深处的海底挖掘了模拟采矿轨迹。当研究人员在 2015 年重新访问这些轨迹时，这些轨迹看起来好像是刚刚创建的。

采集器沉积物羽流的影响是另一个令人担忧的问题。深海中微弱的背景流（以每秒几厘米的速度移动）可能会将沉积物颗粒输送到远离采集器作业地点的数公里之外。大部分沉积物都很细，直径约为 0.02 毫米，典型的沉降速度约为每秒一毫米。来自高达 10 米左右的背景流中的采集器羽流的这种沉积物可能会传播到离矿区约 10 公里远的地方。

这种估计可能过于简单化，因为细沉积物倾向于聚集成较大的絮凝物，絮凝物的沉降速度将快于单个颗粒，从而可能限制羽流的水平范围。然而，深海中的背景沉积速率非常低——大约每 1000 年一毫米——生物学家认为，即使是采集器排放的痕量沉积物也可能使更远处的海底生物窒息。压实海底也是一个令人担忧的问题。研究偶尔发生的深海风暴（深海风暴会冲刷海底沉积物）的影响可能会提供有价值的见解。

估计来自船舶的沉积物羽流对海洋环境和生态的影响具有挑战性。上层海洋流速更快，湍流更多。排放软管可以延伸到水下数百米。从中排出的沉积物羽流将呈大致圆锥形，规模为数十米，洋流会稀释、扭曲和每天输送数公里。在我们二月份在圣地亚哥海岸外进行的实验中，我们用各种仪器追踪了排放羽流。洋流使其呈蜿蜒状，并形成相互缠绕的卷须。一种拖曳式水下设备从卷须中采集了样本。我们将需要一两个月的时间来分析所有数据，并找出关键信息，包括软管附近和远处的沉积物浓度是多少。

与此同时，研究人员正在努力确定采矿区生命损失在多大程度上会影响当地生物系统，以及邻近的深海群落，甚至远在数公里之外的群落。在 CCFZ 中，国际海底管理局已指定了九个大型保护区，并且还在制定在每个许可区内建立保护区的协议。专家将监测这些和其他地方，以观察会出现什么影响。

陆地与海洋采矿对比

权衡深海采矿与陆地采矿的环境利弊非常重要。例如，在刚果民主共和国，它供应了全球约 60% 的钴，陆地采矿导致森林砍伐以及水和空气污染——并且还涉及童工。在一些国家，镍矿开采公司正在耗尽相对容易获得的矿藏，因此他们正在转向更难开采的矿藏，这需要更多的能源和化学处理，从而导致更大的环境影响。

从海底采矿中运回岸上的结核加工设施也将产生陆地后果。如果一个结核中只有 30% 是所需的金属，那么 70% 是废物，通常是浆液。陆地矿工通常会将这种浆液送回他们创建的洞中。来自数百万个海洋结核的浆液将是必须找到去处的新物质。从好的方面来说，采集器和船舶可以离开一个区域并移动到新的区域；地表采矿基础设施一旦建成，就很难移除。

为了减少开采和环境影响，社会必须制定有效的全球回收计划。但仅靠回收无法跟上日益增长的需求。今天，很难说海底采矿在环境方面会比同等程度的陆基采矿更糟还是更好。

当然，监管将影响这一结果。国际海底管理局总部位于牙买加金斯敦，监管着地球一半以上的海底——在国际水域，也简称为“区域”。国际海底管理局没有船只来检查作业，而是与赞助国分担了这一责任。如果确定某个区域的采矿活动超过了环境影响标准，它可以撤销公司或国家的许可证、暂停运营或处以罚款。

联合国共有 14 个成员国签署了《联合国海洋法公约》但尚未批准——最值得注意的是美国——另有 15 个成员国尚未签署该公约。这 29 个国家可能会试图在国际水域采矿并无视国际海底管理局的法规。国际海底管理局将不得不呼吁全球政治来解决这种情况。

该组织发布了“区域”的开发规章草案。它们旨在最终涵盖从管理局如何批准或拒绝勘探和开发合同到承包商的义务以及海洋环境的保护和养护等所有内容。国际海底管理局预计到 2020 年将制定开发规章。各国将不得不为陆基结核加工设施制定自己的规章。

同样有趣的是国家专属经济区内发生的事情。这些国家水域占世界海洋的三分之一以上。一些国家在海岸 200 海里（370 公里）范围内没有“深海”。但其他国家，特别是太平洋岛国，有深海。包括帕劳在内的一些国家已经明确表示拒绝任何海底采矿。包括汤加、基里巴斯和库克群岛在内的其他国家和地区正在制定法规，因为它们正在寻求工业和国际合作伙伴。库克群岛已与总部位于美国的海洋矿产公司签订合同，该合同赋予该公司申请勘探该群岛水域 23,000 平方公里富钴结核的优先权。

这些行动表明，海底采矿有望成为现实。鉴于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 年内开始勘探性采矿。如前所述，日本已经开始。

一个有价值的前进方向是所有相关方像迄今为止所做的那样进行合作，小型工业测试与急需的科学研究齐头并进。事实上，关于 CCFZ 生态系统和资源的许多知识都来自与承包商相关的研究。例如，我们从圣地亚哥出发的考察是由麻省理工学院和斯克里普斯海洋研究所联合资助的项目，与国际海底管理局、美国地质调查局和 GSR 合作。2019 年，欧洲 JPI 海洋计划将与国际海底管理局和 GSR 在 CCFZ 开展一项研究。

商业运营的一些指南和标准可以从现有行业中调整，另一些可能是全新的。如果各方能够继续合作，深海采矿可能会树立全球基准。从历史上看，法规一直落后于工业开采——想想水力压裂法——迫使监管机构和公民试图赶上。正如皮尤慈善信托基金会的康恩·纽金特所说，“有机会在采掘活动开始之前编写管理该活动的规则手册。”