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            首頁 海工 海洋工程新動態▏深海采礦時代漸行漸近

            海洋工程新動態▏深海采礦時代漸行漸近

            近些年,深海礦產資源勘查開發引起了世界各國的高度重視,海底技術進步、原材料價格上漲和價格大幅波動造成的原材料供應風險,已成為推動各國開展海洋礦產資源商業化開發的三大驅動力。近日,《…

            近些年,深海礦產資源勘查開發引起了世界各國的高度重視,海底技術進步、原材料價格上漲和價格大幅波動造成的原材料供應風險,已成為推動各國開展海洋礦產資源商業化開發的三大驅動力。近日,《地質調查動態》撰文對深海采礦現狀、面臨的主要挑戰進行了深入探討,并對深海采礦的前景進行展望,現摘編其精華內容。

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            海底礦床勘查目前正在加速進行,不斷有國家或公司要求簽訂新的合同,其中在公海地區進行的勘查項目需經國際海底管理局批準。

            雖然開采海底礦產的技術取得重大進展,但還遠遠不夠,亟待開展技術創新,采用降低成本的綠色技術是未來深海采礦的必由之路。

            深海采礦將成為本世紀人類滿足自身發展需求的戰略之舉,但其前景受到技術、經濟、地緣政治、國際法律法規等多重因素制約。

            動因:喚醒沉睡海底的礦產寶藏

            傳統意義上的“深?!?,是指大陸架以外的海洋部分,通常水深在200米以上。深海資源一般指公海以及國家專屬經濟區(EEZ)以外的海洋資源部分。深海資源可分為礦產資源和生物資源兩類。礦產資源主要分為多金屬結核、富鈷鐵錳結殼和海底塊狀硫化物(SMS)三種類型。

            這些富集在深海的金屬或非金屬資源的副產品,很多都是現代高科技、綠色技術或新興技術必不可少的原材料。例如:碲用于光伏太陽能發電,鈷用于混合動力汽車和電動汽車電池,鉍用于核反應堆的液體鉛-鉍冷卻劑,鈮用于高科技高溫合金等。

            過去15年來,深海礦產資源勘查開發引起了世界各國的高度重視。有的國家以國有企業或專業科研院所為主進軍深海,有的則是通過國家層面的立法為民間投資深海創造便利條件。至于全球層面的深海資源勘查開發治理平臺也不斷涌現,并日臻完善。從根本動因上來看,海底技術進步、原材料價格上漲和價格大幅波動造成的原材料供應風險,已成為推動各國開展海洋礦產資源商業化開發的三大驅動力。

            開發深海礦產資源的意義在于,它不僅可以滿足國家產業發展對戰略性礦產供應安全的需求,還能促進洋底填圖及相關技術的發展,促進海底采礦相關服務和裝備的研發,提升對深海資源的認識,維護國家戰略利益。21世紀以來,世界各國對深海礦產資源的興趣與日俱增,競爭日趨激烈。據荷蘭資源專業中心數據,2010年美國在深海采礦方面的創新力排在第一位,歐洲排名第二,中國居第三位,其后依次為日本、韓國。

            此外,相較于陸地采礦,深海采礦的優勢較為顯著。例如:陸地采礦會在環境中留下大量“足跡”:需要修路,建造房屋和基礎設施,挖掘露天采礦場礦坑,影響河道,并產生數百萬噸的廢石。而海底采礦不需要修路,沒有海底礦石運輸系統或建筑物,幾乎不需要建任何海底基礎設施。鐵-錳結殼和結核基本上都是暴露在海床之上呈平鋪狀態。SMS礦床厚度可達幾十米,但礦床上幾乎或完全沒有覆蓋物。開采陸地礦床需要剝離覆蓋層,挖掘出來的廢石量在總挖掘量中的占比可達75%之高。而深海采礦的平臺是船,可以很方便地從老礦點轉移到新礦點,選擇規模雖小但品位高的礦床進行開采。除礦石品位高外,海底采礦的另一個優點是可以在一處采礦場回收3種或更多種金屬。3種主要類型的深海礦床(結殼、結核和SMS)都具有這樣的優點。陸地采礦影響土著居民或原住民生活的問題正日益受到關注,而深海采礦不會引發這樣的問題。

            挑戰:深海礦產開采存在法律空白

            深海采礦將是本世紀人類滿足自身發展需求的戰略之舉,其前景受到技術、經濟、地緣政治、國際法律法規等多重因素的制約。

            對深海礦產資源認知不夠,勘查開發監管存在風險。行業內和研究學者們基本都知道深海礦床在哪里,但是對于資源的集中度、規模大小卻知之甚少。這對于需要據此開展成本效益評估的單個項目來說,礦床品位及規模的不確定性成為制約其開發的主要因素。例如:加拿大鸚鵡螺礦業公司圈定的索爾瓦拉1號礦床,是當前世界上最先進的深海采礦項目,但其資源僅夠開采兩年。其結果是,現在還不能確定,該公司為開礦而進行的巨大投資是否具有經濟效益,因為僅僅建造一艘船的費用就高達10億歐元。

            深海采礦主要的缺陷和風險在于“社會環境運營許可”。由于深海采礦通常位于國家管轄區外,關于勘查活動的國際監管框架的制定進程緩慢。這就導致企業參與無章可循,使得投資者望而卻步。環境組織和科學家們也聲稱,當前對于深海采礦給生態系統造成的環境破壞風險知之甚少。

            國際法律框架不完善,開采條款未出臺。大部分深海資源都位于國家管轄區以外的國際水域,法律框架復雜。對于深海采礦引發的新問題,國際法律框架層面還存在著諸多的不確定性和空白。規制海洋活動最重要的國際法是聯合國海洋法公約(UNCLOS),其在1982年通過,1994年開始實施,目前世界上有166個國家已經簽約成為會員國,但也有例外,如美國。

            為了管理和協調深海礦床相關事宜,1994年在UNCLOS下成立了自治國際組織——國際海底管理局(ISA)。所有公約簽署成員國自動成為ISA的成員。截至目前,ISA分別于2000年、2010年和2012年通過了勘查結核、硫化物、結殼的條款,但是關于開采的條款還在制定當中。

            結核和SMS勘查開發技術較為成熟,結殼挑戰性大。深海采礦通常包括幾項關鍵技術。首先是要有現代化的裝備齊全的船。目前,已有好幾艘勘查船在運營,它們通常屬于國家研究機構和地質調查局。開展巡航研究是很昂貴的事情,一艘船的運營成本約5萬~10萬歐元/天。另一項關鍵技術是可用于深海采礦作業的遙控機器人(ROV)。SMS在輸送至海面之前,要用ROV進行開采。散落于海底淤泥中的錳結核,可通過ROV真空將其從海底吸出來。錳結殼可通過在洋底作業的ROV進行剝離并磨碎。ROV可將這些混合物運送至提升系統,管運至海面的船上。通常,一套深海采礦系統包括4個子系統:采掘系統、提升系統、海面平臺和處理系統。

            對于深海采礦技術,行業內似乎對商業化開采很有信心,認為以當前的技術水平足以滿足需求。這些技術源自油氣鉆探,鉆進深度通??蛇_2000米以上。然而,開采不同類型的深海礦產,其技術要求不盡相同?,F有的或目前正在建立的第一代深??辈殚_采技術只適用于鐵-錳結核和SMS,不適用于鐵-錳結殼??辈楹烷_采鐵錳結殼需要克服兩個主要的技術難題,一個是勘查和描述礦山特征,另一個是開采??辈楣ぞ弑仨毷巧詈M弦肥交蚩梢匝b載在ROV上,并且可以在現場測量結殼的厚度以計算儲量。最佳途徑可能是開發一種多光譜地震探測工具和伽馬輻射探測器,但必須解決伽馬射線信號在海水中衰減的問題。與鐵錳結殼相比,結殼基巖的種類繁多,伽馬射線探測器在區別結殼基巖物理性能方面效果最好。開采方面的難題是,采礦工具必須能把鐵-錳結殼與結殼基巖分離開,從而做到只開采結殼,不開采基巖,因為基巖開采會大大稀釋礦石的品位。困難在于,結殼是牢固地附著在基巖之上的。分離結殼與結殼基巖的工作必須在水下1500m~2500m處的不規則且往往是粗糙的海床上進行,而且結殼以下的各種結殼基巖的韌性又各不相同。攻克這一難關需要進行高水平的技術創新。

            資源價格和資本成本是制約深海采礦的兩個主要外在因素。深海采礦主要受到包括資源價格和資本成本在內的外部因素影響。對于采礦本身,用于造船和開發必要技術的初始投資成本是巨大的。不是所有項目都在商業上可行,但是走向深海在很多情況下卻是一個戰略性問題。采礦業一直是一個高成本產業,將深海采礦成本與陸域采礦進行對比很重要。對于陸域采礦,總成本包括環保成本、固定基礎設施成本和勞動力成本,相較而言,深海采礦對投資者頗具吸引力。

            據歐盟方面測算,深??辈橐惶斓某杀境^10萬美元,大部分勘查航次的預算在5000萬~2億美元之間。對開采而言,一天的運營成本高達好幾億歐元,這還取決于礦床及其位置。最大的成本是船、鉆探及船員的費用。從經濟角度來看,很多方面都取決于上述外在因素,主要包括某種資源在一定時期的市場價格以及相較于陸域采礦的成本控制。

            深海采礦的環境影響可能會很大,要提前開展風險評估。所有擾動地球表面的活動,無論是陸上的還是深海的,都會擾動甚至摧毀動植物棲息地。因此,必須制定最環保的工作計劃,并使所有地球表面的活動都按計劃開展。與陸域采礦相比,深海采礦具有環境影響小的優勢。然而,至今業界對于深海采礦會造成哪些環境問題尚知之甚少,目前全球只有一座海底礦山——索爾瓦拉1號礦,擁有此礦的加拿大鸚鵡螺礦業公司提交了一份開采此礦的環境影響報告,這是當前現實中唯一的陳述海底采礦環境影響的報告??紤]到礦床類型和開采工具等方面的因素,海底采礦的環境影響可能會很大。因此,基于不同尺度原地實驗的風險評估是深海采礦實施前必不可少的工作環節。

            研究人員通過實施一些國際科學計劃研究了開采鐵-錳結核可能會造成的影響,這些國際計劃以廣泛的野外考察以及理論和實驗室研究為基礎。在采礦車輛經過的地方,動植物棲息地顯然會遭到破壞,海底水層中還會產生沉積物卷流,卷流的范圍有多大則不可預知。國際海底管理局2008年開展的一個項目得出這樣的結論:難以預料開采海底結核會對生物多樣性產生什么樣的威脅,以及會帶來多大的物種衰落風險,因為我們對海洋物種數量和地理分布情況的了解十分有限。存在潛在毒性的金屬可能會在短時期內從孔隙水中釋放出來,或在結核碎屑解吸作用下產生,特別是當采礦作業降低了表面沉積物中的氧含量時,這種情況會發生。

            從深海采出的礦石將被運送到陸上的選礦廠。一旦礦石被運到現有或新建的選礦廠加工處理,也會引發與現有陸上選礦廠同樣的環境問題。但新建選礦廠可能會更高效并采用先進的綠色技術。船上的選礦工作可能將僅限于礦石脫水,把水回灌到水下采礦場。如果是開采結殼,可能會在船上進行浮選,以去除結殼基巖。

            現狀:各國加速“淘金”探明深海富礦區

            其實,科學家早在100多年前就知道深海里有礦產。然而,對深海礦床成因、分布和資源潛力的研究卻始于最近幾十年。20世紀70年代,科學家首次對東北太平洋克拉里昂-克利伯頓斷裂帶(CCZ)鐵-錳結核進行了詳細研究。當時有人預言,對CCZ海區鐵-錳結核的開采將于20世紀70年代末至80年代初開始,但這一預言沒有成為現實。1977年,科學家又在太平洋加拉帕戈斯海脊發現了熱液系統。此后不久,研究人員又于1979年在東太平洋隆起發現了“黑煙囪系統”。20世紀80年代早期,對海底鐵-錳結殼的研究引人注目,因為從鐵-錳結殼中開采鈷的前景被看好。然而,由于全球市場金屬價格在20世紀90年代前后直至21世紀初持續低迷,開采海底礦產的積極性受到打擊,開采計劃被擱置。但針對海底礦床的研究與開發工作一直沒有中斷。進入21世紀以后,隨著全球金屬價格的上漲,深海礦產資源的勘查開發再次引起廣泛關注。

            結殼通常沉淀在海底山嶺、山脊和高原上,水深400m~7000m,厚度最大和含金屬最多的結殼位于水下800m~2500m處,采礦作業最佳水深1500m~2500m。西北太平洋底海山的年代為侏羅紀,是全球海洋中最古老的海山,其結殼最厚,稀有金屬的含量通常也最高。因此,西北太平洋中部赤道海區被認為是勘查海底結殼的主要地帶,即通常所稱的“中太平洋主結殼帶(PCZ)”。

            對于結核而言,太平洋尤其是東北太平洋的克拉里昂-克利伯頓斷裂帶(CCZ),秘魯盆地,以及南太平洋的彭林-薩摩亞盆地是發現結核最多的海域。印度洋盆地中部也發現了一處大型結核帶,西南大西洋的阿根廷盆地和北冰洋等海域內可能也有鐵-錳結核帶,但這些海域的勘查程度非常低。CCZ海區最具經濟吸引力,在這一海區內,已經或正在等待與國際海底管理局簽署勘查合同的勘查區塊有13處。礦業公司之所以對CCZ海區感興趣,是因為此海區有大量鐵-錳結核且鎳和銅的富集度高。

            總體來看,截至2013年,已簽署海底勘查合同的占地面積約為1843350km2,其中約一半勘查項目是沿海國家在其各自的專屬經濟區(EEZ)內進行的,其余勘查項目是在國家管轄區外的公海地區進行的,在公海地區進行的勘查項目需經國際海底管理局(ISA)批準。SMS礦床勘查項目的面積約占海底勘查總面積的45%,大多數都位于西南太平洋國家的EEZ范圍內,公海地區SMS礦床勘查項目的占地面積僅有5萬km2。在占據其余55%海底勘查面積的項目中,大多數為鐵-錳結核勘查項目,這部分項目全部在公海范圍內進行。此外,還有兩個占地面積很小的磷灰巖勘查項目,一個在新西蘭海域,另一個在納米比亞海域;還有一個面積非常小的多金屬泥勘查項目,此項目在紅海海域進行。這3個小項目以及一個位于西南太平洋的SMS項目已被批準簽署采礦合同。2012年7月,ISA理事會和大會通過了勘查海底鐵-錳結殼的法規,此后不久便收到了申請在西太平洋進行勘查并簽訂合同的兩份工作計劃,勘查合同的占地面積9000km2。

            中國、法國、德國、印度、日本、韓國、俄羅斯以及一個名為“洋際金屬”的多國集團(成員國有:保加利亞、古巴、捷克共和國、波蘭、俄羅斯和斯洛伐克共和國)簽署了勘查海底鐵-錳結核的合同,每塊勘查區的面積約為7.5萬km2;中國、法國、德國、韓國和俄羅斯等國已經或即將簽署勘查SMS礦床的合同,每塊勘查區的面積約為1萬km2;中國、日本和俄羅斯已經制定或預計將制定勘查海底鐵-錳結殼的工作計劃,每塊勘查區的面積約為3000km2。此外,有4家公司已經或即將簽訂勘查海底鐵-錳結核的合同,其中3塊勘查區的面積為7.5萬 km2,1塊為5.862萬km2。海底礦床勘查工作目前正在加速進行,不斷有國家或公司要求簽訂新的合同。

            前景:鋪就“產學研用”深海采礦之路

            至今我們并不十分清楚全球海洋中鐵-錳結殼、結核和SMS礦床的資源潛力到底有多大。相對而言,對CCZ海區和中印度洋盆地結核礦床的特性描述最為清楚。必須用評價陸地礦床的方法評價海洋礦床,從而發現海洋礦床作為許多種稀有、戰略性和緊缺性重要礦產來源的重要性。對比評估工作應包括對每一種重要礦產整個生命周期的評價,以及對礦床開采環境影響的評價。

            從工程技術的角度看,必須取得幾方面的重要突破才能使結殼開采具有可行性。與結殼開采相比,結核開采技術較為簡單,因此已進入可開發階段。阻礙鐵-錳結殼勘查的最大難點是,需要在原地實時測量結殼的厚度,開采礦石的最大障礙則是把鐵-錳結殼與結殼基巖有效地分離開。減少或消除對鐵-錳結殼和結殼基巖物理性質測量結果的偏差有助于解決這一技術問題。需要對種類繁多的樣品,尤其是磷酸鹽化的厚層結殼進行分析。一個更困難的問題是,需要在原地測量浸透海水的樣品。這些測量開展以下工作:認識從海水中捕獲金屬的機理;對比結殼和結殼基巖以開發勘查技術;描述結殼強度和結殼對各種采礦方法的承受程度。

            雖然開采海底礦產的技術正取得重大進展,但還遠遠不夠,亟待開展技術創新,采用降低成本的綠色技術是未來深海采礦的必由之路。使用簡單的酸浸法就可以浸出結殼和結核中的全部主要和稀有金屬,因此,應該研發化學和生物化學選礦工藝,比如使用特定的金屬結合藥劑,以便能夠選擇性地回收想要回收的金屬。在回收了想要的金屬后,剩下的礦渣可以送入另一個提取流程,回收其他種類的金屬。從礦渣中回收這類金屬往往不具經濟可行性,因此,回收這類金屬的前提是國家有經濟鼓勵政策或戰略需要。

            對于一個國家而言,要么是通過國家科學研究機構或地質調查機構加強深海礦床的勘查、開發研究及技術儲備,要么是通過立法不斷創造并完善有利于深海采礦的優良環境,吸引社會投資進軍深海。深海礦產資源勘查開發將是一個事關民族發展、國家興盛的重要領域,需要政府加強政策引導,強化監管與服務,鋪就一條“產學研用”的深海采礦創新之路。

            ■本文來源:中國國土資源報,作者:周平、楊宗喜、鄭人瑞

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