海底多金屬硫化物開采的環境影響分析及應對策略

黃中華，謝 雅

（湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411104）

海底多金屬硫化物是海底高溫熱液活動的產物，也稱為海底塊狀硫化物，富含Cu、Zn、Pb、Au、Ag 等金屬，如圖1 所示.1977 年，人類在東太平洋的加拉帕戈斯裂谷的熱液噴口首次發現海底多金屬硫化物.2007 年，我國在西南印度洋中脊首次發現熱液區.2011 年，我國在印度洋國際海域成功申請了一塊面積為1 萬平方公里的多金屬硫化物礦區，擁有了該礦區的專屬勘探權及優先開發權.2015 年以后，我國通過在西南印度洋“龍旂”等熱液區開展調查工作獲得了大量海底多金屬硫化物樣品及環境參數.

圖1 熱液硫化物

目前，全球已經發現300 多個硫化物熱液噴口，如圖2 所示，主要分布于海洋中脊和弧后擴張中心等區域，這些熱液噴口大多分布在水深800～5 000 m 之間.據估算，全球海底多金屬硫化物資源的分布面積大約有320 萬平方千米，接近60%的海底多金屬硫化物資源位于國際海底區域.全球范圍內具有商業開采價值的海底多金屬硫化物資源主要集中在大西洋中脊、西太平洋弧后區和西印度洋中脊區域［1-3］.

圖2 海底熱液噴口

調查發現，深海熱液噴口附近存在著特殊的深海熱液生態系統.在溫度高達350℃的熱液口附近，生活有管狀蠕蟲、蛤、貽貝、蟹等海生動物，這些動物通過攝食熱液噴口附近的微生物生存.

1 采礦方案

鑒于海底多金屬硫化物有較高的商業開采價值，許多國家和企業對海底多金屬硫化物的商業開采表現出很高的開采熱情，但截至目前，還沒有成熟的海底多金屬硫化物采礦方案.現有的海底多金屬硫化物采礦方案主要沿用海底多金屬結核和海底鈷結殼等海底固體礦產資源的開采技術方案，普遍認為可行的海底多金屬硫化物采礦系統如圖3 所示.采礦車在海底行走，采礦時采礦車位于海底多金屬硫化物礦體前方，通常采用刀具切割礦體，切割后的礦體顆粒采用水力提升的方式通過管道提升至水面的采礦船內，礦體顆粒經過篩選后運送至海岸上，提升過程中管道內的水重新排回海中［4-6］.

圖3 海底多金屬硫化物采礦系統圖

為了開采海底多金屬硫化物，國內外多家機構、學者開展了海底多金屬硫化物切削方案設計與切削性能試驗，結果表明：采用截齒切削海底多金屬硫化物在技術上是可行的，具有較高的切削效率［7］.法國鸚鵡螺礦業公司開展了海底多金屬硫化物原位切削試驗，試驗所用切削裝置為螺旋刀盤，在13 個試驗地點成功采集了大約15 t 礦石［8-9］.陽寧等［10］對海底多金屬硫化物采集技術方案進行分析和設計，認為采用刀具切削海底多金屬硫化物的技術方案是可行的.

2 影響分析

從圖3 所示的海底多金屬硫化物采礦系統結構可以知道，采礦活動發生在水深800～5 000 m 的海底區域，采礦過程對海底環境潛在的影響包括沉積物和生物棲息地移動、光照、羽狀流、噪聲、振動等，對海洋上部環境的潛在影響包括光照、噪聲、廢水排放等.

具體來說，海底多金屬硫化物采集時，礦體在刀具切割后會導致沉積層表面破壞，不僅會移除生物棲息地，還會產生含沉積物的柱狀水柱.同時也會改變沉積物粒度的大小，釋放出一些有毒物質.有毒物質的釋放會污染礦區周圍環境，進而威脅海底礦區生物群的安全，有可能導致食物鏈中所有營養層生物體的損失.海底多金屬硫化物采集對周圍環境的影響范圍與采礦過程的時長和海底潮流大小相關，當采礦時間較長、潮流速度較大時，采集過程對周圍環境的影響范圍可以達到礦區外數千米.

海底多金屬硫化物采集過程中產生的沉積物水柱，在采礦活動結束后通常還會持續較長的時間，有的可達幾年.海底多金屬硫化物礦區環境有自我恢復能力，但恢復時長與熱液噴口的活躍度密切相關.調查發現：活躍的熱液噴口環境恢復能力較強，采礦區的生態環境在開采結束后幾年基本可以恢復到之前的狀態；在不活躍的熱液噴口環境恢復能力較弱，尤其化學污染的恢復可能需要在開采結束的幾十年才能基本恢復.

盡管目前還沒有關于海底多金屬硫化物開采對環境影響的試驗研究報道，但關于海底多金屬結核采礦對環境影響的試驗研究已開展多次，積累了比較豐富的研究成果.例如，美國在東太平洋結核區開展了深海采礦環境研究（DOMES，1975—1980），德國在東南太平洋結核區開展了擾動和再遷入試驗研究（DISCOL，1985—1998），在東南太平洋開展了深海生態系統中的底棲生物調查（ECOBENT，1995—1998），美國、俄羅斯等國家和礦業公司合作開展了底層影響試驗研究（BIE，1991—1998）［11-13］.

上述試驗研究表明：海底采礦可能對海洋環境造成多種潛在影響，環境影響主要發生在兩個水深帶，一個是海底，具體來說是在集礦機采礦軌跡附近，另一個是在采礦船底部，具體來說是在尾礦排放點附近.海底采礦對海洋環境可能造成不可忽視的影響，如表1 所示.

表1 海底采礦對海洋環境的影響

3 應對策略

根據1982 年《聯合國海洋法公約》相關規定，開發礦區內的海底多金屬硫化物資源，不僅需要掌握海底多金屬硫化物的切削技術，而且還要確保切削技術是環保的，不會對海底環境造成嚴重的影響.由此可見，要實現海底多金屬硫化物商業開采，可以根據如圖4 所示的應對思路，通過協同開展綠色采礦技術與環境評價研究為海底多金屬硫化物的商業開采提供技術支持.

圖4 海底多金屬硫化物商業開采思路

3.1 海底多金屬硫化物綠色采礦技術

開展綠色采礦技術是降低采礦過程對環境影響的重要方式［14］.綠色采礦技術的重點是弱化海底采礦作業對海底環境的影響，具體包括如下幾個方面：

（1）減少采礦船甲板收集礦石過程中的污染物排放.可以采用高效脫水加廢水處理技術對水力提升過程的礦石—水混合物進行處理，減少采礦過程對采礦船底海域環境的影響；

（2）減少海底采礦機采礦過程對海底沉積物的擾動.可以采用接地比壓低的行走機構、合理設計采礦機的浮力體以獲取合適的浮力，減少采礦過程對海底表層環境的影響；

（3）減少海底多金屬硫化物切削過程中細小顆粒的產生.可以改進采礦機的切削裝置，合理設置切削系統參數和切削過程工作參數，減少采礦過程對海底環境的影響；

（4）減少海底采礦過程中羽狀流的擴散.可以通過設計合適形狀的集礦罩和引流裝置，實時控制集礦罩內的工作壓力，避免羽狀流的產生和擴散，減少采礦過程對海底環境的影響；

（5）開展羽狀流擴散和沉積機理分析.通過數值模擬和模擬試驗方法，研究羽狀流擴散和再沉積機理，在此基礎上，構建包括海底揚塵和羽狀流在內的環境影響程度評估體系；

（6）開展海底環境自動監測技術研究，研發智能化深海環境探測裝備和觀測儀器，以便動態掌握海底采礦作業對生態環境的影響程度，開展觀測調查方法研究，以保證觀測數據真實有效.

3.2 海底多金屬硫化物采礦環境評價

海底多金屬硫化物采礦是一個動態過程，需要開展全過程環境評價研究，具體包括如下幾個方面：

（1）注重全過程環境影響評價.目前還沒有關于海底多金屬硫化物采礦對環境影響的研究，其他海底礦物開采過程對環境的影響研究試驗的規模均遠小于商業開采.因此，對海底多金屬硫化物采礦過程環境保護的研究，不僅要注重采礦前后海底環境的變化、生態系統恢復過程與時長的研究，還要注重采礦結束后環境的中長期恢復狀況研究.

（2）建立采礦區域環境影響評估技術體系.在海底多金屬硫化物商業開采前，有必要出具采礦區域環境影響評估報告，這需要構建科學、合理的環境影響評估技術體系，實現海底揚塵和羽狀流模擬，預報其演化過程.通過環境評估體系分析和預測深海采礦區域將對環境造成的不利影響，提出減輕對周圍環境影響的措施.

（3）加強采礦區域環境評估基礎數據研究.目前海底采礦過程環境評估受到基線數據、礦區生態環境數據等基礎數據的限制，對環境間接影響的評估不夠，對環境累積影響的分析不夠，難以準確評估深海采礦過程對環境的影響.

4 結論

（1）海底多金屬硫化物開采將對海洋環境造成影響.采礦過程對海底潛在的影響包括沉積物和生物棲息地移動、羽狀流、光照、噪聲、振動等，對海洋上部的潛在影響包括光照、噪聲、廢水排放等.

（2）為了實現海底多金屬硫化物的商業開采，有必要開展海底多金屬硫化物綠色采礦技術研究和環境評價研究，以確保海底采礦符合相關國際海洋法規.