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            首頁 海工 簡析全球深海采礦發展現狀及挑戰

            簡析全球深海采礦發展現狀及挑戰

            隨著新能源產業的發展,各國對鋰、鎳、鈷等關鍵礦產的需求日益增長,陸上資源供求矛盾突出,一些國家和國際礦業公司開始關注深海礦產資源的開采。 2024年風電制氫、制甲醇和氨產業發展上海…

            隨著新能源產業的發展,各國對鋰、鎳、鈷等關鍵礦產的需求日益增長,陸上資源供求矛盾突出,一些國家和國際礦業公司開始關注深海礦產資源的開采。

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            近期,聯合國國際海底管理局(ISA)在牙買加金斯敦舉行會議,討論制定深海采礦行業規則以及受理海底礦產開采企業提交的海底開采許可證申請,但遭到部分國家和環保組織的強烈反對。一方面,國際礦業公司認為深海礦產資源富含鎳、鈷、錳等關鍵礦產,可提供能源轉型所需的礦產資源,開展大規模商業性深海采礦可確保礦產供應鏈穩定。另一方面,環保組織認為人類目前對海底生態系統的認知不足,貿然開展深海采礦可能會對海底生物多樣性造成重大破壞。雖然各國對于深海采礦的態度存在分歧,但部分國家本著“先占先得”的原則已經開始“圈占”國際海底區域資源,深海采礦成為資源爭奪戰的新“戰場”。

            一、深海采礦的發展現狀

            (一)深海采礦的提出

            20世紀60年代,美國地質學家約翰·梅羅(John Mero)在其出版的《海底礦產資源》一書中,認為海底將成為滿足全球礦物質需求的主要供應來源。1970年,聯合國大會第2749號決議通過《關于各國管轄范圍以外海床洋底及其底土原則宣言》,指出海底應保留專供和平用途。

            1994年,聯合國國際海底管理局正式成立,其主要職能是依照《聯合國海洋法公約》規范“區域”(國家管轄范圍以外的海床及其底土)內深海海底礦產的勘探和開發。國際海底管理局成立后,由于深海采礦技術不成熟、陸上礦產資源供應充足等因素,各國并未開展大規模深海采礦活動。

            隨著全球能源轉型對于關鍵礦產的需求大幅增長,陸上礦產資源供應趨緊,且全球礦產供應鏈受到地緣政治、交通運輸等方面的影響呈現不穩定的趨勢。在此背景下,主要國家及國際礦業公司重燃對于海洋礦產商業開采的熱情,深海采礦成為各國關注的焦點。

            (二)深海采礦前景廣闊

            海底礦產儲量巨大、品位高,深海采礦具有巨大潛力。目前各國進行的勘探工作主要集中在3種深海礦產資源:深海海底的多金屬結核,包括錳、鐵、銅、鎳、鈷、鉛、鋅及少量貴金屬;深海熱泉附近形成的多金屬硫化物(即“深海塊狀硫化物”),富含銅、鐵、鋅、銀和金;覆蓋在海底海山斜坡及頂部的富鈷結殼,含有鐵、錳、鎳、鈷、銅和包括稀土元素在內的多種稀有金屬。商業勘探區域主要位于太平洋東部的克拉里昂-克利珀頓區(CC區)、大西洋中部和印度洋中部海域。

            (三)部分國家和國際礦業公司開展深海礦產勘探和環境評估

            隨著新技術的引入,美國、日本、挪威、英國等國家以及加拿大金屬公司(The Metals Company,TMC)等國際礦業公司積極開展深海礦產勘探和環境評估,雖然在技術層面取得了一些進展,但距離商業化深海采礦仍有很長距離。2022年8月,日本海洋地球科學技術機構曾在茨城縣沿海成功測試海底開采技術,其深海鉆井船“Chikyu”能夠將管道延伸至2470米深的海底,每天可泵送約70噸泥漿進行篩選。日本政府計劃在小笠原群島和南鳥島附近6000米深的海床中開采富含稀土的泥漿以尋找稀土元素,并計劃在5年內開始勘探工作。2023年3月,加拿大金屬公司發布了對旗下NORI-D多金屬結核項目(位于克拉里昂-克利珀頓區)的環境影響進行生命周期評估的評估結果,認為海底鈷鎳礦開采技術與陸上開采鈷鎳礦的現有技術路線相比,可顯著降低對環境的影響。2023年11月,該公司表示將派出一個團隊返回NORI-D進行環境研究,以評估海底多金屬結核收集試驗對海底生態系統的影響,預計將于2024年向國際海底管理局提交商業采礦許可證申請,并于2025年開始生產。

            二、深海采礦技術進展

            深海采礦融合了海底作業、水下輸送、動力輸配、中央控制、水面支持等作業系統,被視為主要國家科技競爭的前沿領域。目前各國尚未實現深海礦產的商業化開發,多數裝備及技術仍處于研制和試驗階段。美國、日本、印度、韓國、中國、歐盟等國家和地區已正式開展深海采礦技術研究。

            2017-2022年,主要國家深海礦產資源開發裝備發展情況如下:

            資料來源:王國榮,黃澤奇,周守為,等.深海礦產資源開發裝備現狀及發展方向[J].中國工程科學,2023,25(3):1-12.

            (一)深海礦產勘探技術及裝備

            深海礦產勘探是深海采礦的基礎準備工作。目前各主要國家正處于從海底環境勘測到海底資源開采的過渡階段,使得深海礦產勘探成為各國爭奪海底資源的關鍵環節,推動了深海礦產勘探技術發展。

            早期深海礦產勘探設備主要包括單一式抓斗取樣器、基礎的測深儀、無纜自返式取樣器、水下照相機等設備,不僅功能單一,而且操控性較差,難以滿足深??碧焦ぷ鲗τ诰群拖聺撋疃鹊囊蟆,F代深海礦產勘探設備主要包括載人潛水器(HOV)、高精度自主潛水器(AUV)、遙控潛水器(ROV)、長航程水下滑翔機等深潛裝備,箱式取樣器、多管取樣器等深海取樣裝備,以及深拖系統、全覆蓋多波束測深系統、高精度測深側掃探測系統等探測裝備,不僅功能更加豐富,而且操縱性較強,可長時間、大深度下潛作業。研究人員可利用這些裝備對海底地質情況、水體環節、礦產賦存資源量等進行分析和評估,還可獲取沉積物、生物、礦物等樣品,分析海底環境特征、礦產分布等信息。

            美國、俄羅斯、中國、日本、法國等國已經擁有自主研發的載人潛水器,印度、加拿大等國也計劃開發6000m級以上的深潛設備。我國陸續自主研發設計了“蛟龍”號載人潛水器、“潛龍”系列自主潛水器、“海龍”系列遙控潛水器、“翼龍”系列水下滑翔機等深海資源勘探裝備,實現了深潛裝備的快速更新換代,并不斷刷新深潛深度紀錄。我國自主研發的鈷結殼取芯器已完成已通過試驗室水池模擬鉆進和7000m耐壓試驗,可裝配在“蛟龍”號載人潛水器上處于國際領先水平。

            (二)深海礦產開采及輸送系統

            深海礦產開采系統是深海采礦的關鍵技術裝備,主要包括拖斗式采礦系統、連續線斗式采礦系統、海洋梭式采礦系統和管道提升式采礦系統4種主要技術形式。其中,拖斗式采礦系統存在操作難度大、采礦效率低的問題;連續線斗式采礦系統因經常發生礦斗纏繞事故而影響正常生產;海洋梭式采礦系統制造成本及電池成本較高;而管道提升式采礦系統具有可連續作業、成本相對較低、采礦效率高等優勢,成為最有前途的商業化深海礦產開采系統。管道提升式采礦系統主要由采礦子系統、提升子系統、水面支持子系統(母船)、深排子系統組成,包括深海采礦船、舉升泵、海底采礦車等關鍵核心裝備。目前,各國采用不同系統方案經過多次模擬實驗和試采,已將“海底集礦車—提升泵—提升硬管—水面支持系統”方案作為當前主流的采礦方法。

            俄羅斯、歐盟、日本、印度、韓國等國均開展了采礦車海試及海底導航、行走、采集試驗,韓國、俄羅斯等國還完成了輸送系統海試。蘇聯莫斯科地質勘探學院于1990年開展水力提升系統海試,水深為79m。2009年,韓國地質資源研究院完成100m水深輸送系統海試。2015年,韓國海洋科學技術院(KIOST)和海洋工程研究所(KRISO)進行了1200m水深的水力提升試驗。2020年,日本石油天然氣金屬礦產資源機構研制的采礦車在水深1600m處完成了富鈷結殼試采。2021年,比利時GSR公司在水深4500m處完成了履帶式采礦車行走試驗。同年,印度國家海洋技術研究所(NIOT)在水深5270m處完成了采礦機移動和機動性測試,目前該機構正在建造6000m級載人潛水器“Matsya 6000”。

            我國部分深海采礦技術及核心系統已實現突破,并完成深海開采系統的千米級聯合海試。2021年,上海交通大學完成深海重載作業采礦車海底智能行進控制試驗。同年,大連理工大學、長沙礦冶研究院等科研機構聯合研制的深海采礦智能化混輸裝備系統完成了500m水深海試。

            (三)深海環境評估和保護技術

            深海采礦可能破壞海底環境以及海底生態系統的問題受到各國廣泛關注,因此深海環境評估和保護技術也是深海采礦領域的關鍵技術。當前,各國尚未開發出成熟的深海采礦環境評估和保護技術方案,主要通過對礦石-水混合物的高效脫水處理,控制采礦活動對海底沉積物的擾動。環保問題成為制約各國大規模開展深海采礦活動的主要因素。2020年,國際海底管理局就深海采礦活動中的環境問題,提出了管理標準和指南草案,但至今仍未出臺深海采礦行業規范和標準。

            三、深海采礦存在的挑戰

            目前深海采礦還處于初期階段,尚未實現對海底礦產的商業化、大規模開采。技術層面,深海采礦面臨環保、技術安全性、數字化融合等方面的壓力。一是深海采礦需要滿足環保要求,減少采礦活動對于海底生態環境的擾動。二是深海采礦需要滿足人和裝備系統的技術安全性要求,要能在深海高水壓、低能見度環境中進行長時間作業,同時還要抵御惡劣海況和偶發事件造成的安全風險。三是深海采礦技術要與數字化、智能化技術融合,實現生產全鏈條智能調度、全系統自主協同作業以及對各種風險的監測和預警等。

            地緣政治層面,各國在領海內開展深海采礦活動的爭議較小,但對于公海礦區的劃分爭議較大。一方面,法國、德國、智利、新西蘭、帕勞、瓦努阿圖等國對深海采礦持懷疑態度,認為應采取預防性暫停措施,直至出臺完整的國際性深海采礦規則;谷歌、沃爾沃、寶馬等跨國企業也承諾目前不會使用深海礦產。另一方面,俄羅斯、英國、日本、挪威、墨西哥、瑙魯等國則積極推進深海采礦。2021年6月,瑙魯政府致信國際海底管理局,援引一項國際海底管理局需要在“兩年內制定一份開采規則”的法律條款,正式請求國際海底管理局在24個月內出臺深海采礦規則。2023年6月,挪威宣布計劃批準企業在格陵蘭海、挪威海和巴倫支海的本國海域內進行深海采礦。2023年7月,國際海底管理局召開會議討論是否開放深海采礦以及制訂深海采礦行業規則,但由于各成員國分歧較大未能允許開放深海采礦,暫定于2024年7月再繼續探討相關條例制訂工作。

            截至目前,國際海底管理局雖然尚未向任何機構頒發任何深海采礦許可證,但已為俄羅斯、韓國、英國、日本、中國、印度、瑙魯等10余個國家簽發了30多個深海資源勘探合同。其中,我國先后與國際海底管理局簽訂了5份勘探合同,包含多金屬結核、多金屬硫化物及富鈷結殼。但由于國際海底管理局對于各國采礦活動并無強制約束力,因此各國對于海底區域的“爭奪”日趨激烈,未來深海礦產資源將成為各國資源爭奪戰的新“戰場”。

            參考文獻

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            作者簡介

            李維科?國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究五室

            研究方向:新材料、先進制造領域前沿技術跟蹤及產業、政策研究

            聯系方式:liweike@drciite.org

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