海底熱液多金屬硫化物勘探開發(fā)與管理研究＊

公衍芬，劉志杰

（國家海洋信息中心 天津 300171）

海底熱液多金屬硫化物勘探開發(fā)與管理研究＊

公衍芬，劉志杰

（國家海洋信息中心 天津 300171）

文章綜合分析了熱液多金屬硫化物勘探開發(fā)的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)境和生物影響以及管理政策，并在此基礎(chǔ)上，提出了建立我國國際海底資源開發(fā)的戰(zhàn)略和對(duì)策建議。

海底熱液多金屬硫化物；勘探；開發(fā)；管理

隨著陸地金屬礦產(chǎn)資源的日漸枯竭，人類逐漸把目光轉(zhuǎn)向深海礦產(chǎn)資源，海底塊狀多金屬硫化物是繼多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼等深海礦產(chǎn)資源之后人類認(rèn)識(shí)到的又一種新的海底礦產(chǎn)資源，由于其賦存水深較淺、距離陸地較近，經(jīng)濟(jì)價(jià)值也相對(duì)較高，被認(rèn)為具有較好的開采價(jià)值。海底塊狀多金屬硫化物的開發(fā)已引起了國際采礦界的高度關(guān)注。日本完成了硫化物資源勘探相關(guān)工作，已選定了兩個(gè)開采區(qū)。俄羅斯完成了多金屬硫化物礦區(qū)的第一階段勘探工作，進(jìn)入了多金屬硫化物資源采礦系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究階段。澳大利亞的兩家公司在西南太平洋區(qū)域的巴布亞新幾內(nèi)亞和新西蘭等國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)申請(qǐng)和獲得了面積達(dá)50萬km2余的勘探區(qū)。海王星礦產(chǎn)公司完成了熱液礦區(qū)勘探工作，并于2010年進(jìn)行試驗(yàn)開采；鸚鵡螺礦產(chǎn)公司完成了熱液礦區(qū)勘探工作和采礦設(shè)備的制造，于2010年開始進(jìn)行商業(yè)開采。

1 海底熱液多金屬硫化物概況

多金屬硫化物（polymetallic sulfide）是指熱液作用形成的硫化物礦床及伴生的礦物資源［1］，亦稱塊狀硫化物（seafloor massive sulfide，SMS），是匯聚或發(fā)散板塊邊界巖石圈與大洋（水圈）在洋脊擴(kuò)張中心、島弧、弧后擴(kuò)張中心及板內(nèi)火山活動(dòng)中心發(fā)生熱和化學(xué)交換作用的產(chǎn)物［2－3］，一般富含銅、鉛、鋅、金和銀等金屬，同時(shí)副產(chǎn)物有鈷、錫、硫、硒、錳、銦、鉍、鎵與鍺等［4］。按其形態(tài)分為海底多金屬軟泥和海底多金屬硫化物礦床兩種。2010年1月，世界上第一個(gè)海底礦產(chǎn)項(xiàng)目開發(fā)公司——鸚鵡螺礦產(chǎn)公司宣布，2009年對(duì)巴新巴薩穆克海域勘探樣品分析結(jié)果顯示，銅等級(jí)至32.4%，鋅升至52.6%［5］。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前發(fā)現(xiàn)及經(jīng)推斷確定的海底熱液成礦的硫化物礦床有350多處［6］，規(guī)模比較大的近20處，其中多處資源量超過百萬噸。它們主要分布在10°S～30°N，其水深范圍為2 500～2 900m，集中在地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定的區(qū)域，如洋中脊、板內(nèi)熱點(diǎn)和弧后盆地［7］。這些區(qū)域大都與地震、火山、斷裂、擴(kuò)張緊密相關(guān)（圖1）［8］。

圖1 世界大洋主要海底熱液區(qū)分布位置

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1948年瑞典科學(xué)家利用“信天翁號(hào)”（al－batross）考察船在紅海中部AtlantisⅡ深淵附近（21°20′N，38°09′E，水深1 937m）發(fā)現(xiàn)高溫高鹽溶液。1963—1965年國際印度洋調(diào)查期間，在紅海軸部及中央盆地中識(shí)別高溫高鹽溶液，發(fā)現(xiàn)熱液多金屬軟泥，揭開了海底熱液活動(dòng)研究的序幕［9］。從20世紀(jì)80年代起，世界上幾個(gè)主要工業(yè)國家就制定了勘探和開發(fā)海底多金屬硫化物的國家計(jì)劃。蘇聯(lián)早在20世紀(jì)60年代中期，就在太平洋獲得了多金屬硫化物樣品，并對(duì)大洋熱液過程的成因進(jìn)行研究。20世紀(jì)60—70年代，蘇聯(lián)在太平洋洋中脊和印度洋進(jìn)行了一系列的調(diào)查，研究低溫金屬沉積物和熱液礦床的成因。除俄羅斯外，大力進(jìn)行海底多金屬硫化物調(diào)查勘探和研究工作的還有美國、法國、德國、英國、日本、加拿大和澳大利亞。目前，葡萄牙和意大利也制訂了勘探深海多金屬硫化物的計(jì)劃。

3 海底多金屬硫化物勘探開發(fā)

3.1 技術(shù)可行性分析

根據(jù)發(fā)現(xiàn)的礦點(diǎn)水深情況，相對(duì)其他海底多金屬結(jié)核及富鈷結(jié)殼等資源而言，海底多金屬硫化物一般分布在相對(duì)較淺的水域，從幾十米至3 500m不等，多出現(xiàn)在2 500m左右，開采系統(tǒng)技術(shù)問題相對(duì)比較容易解決。

海底多金屬硫化物特殊的地質(zhì)背景及結(jié)構(gòu)形態(tài)，從另一個(gè)角度為開采系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了極大的便利，即對(duì)于一般呈丘狀的硫化物礦體，采集器無需像采集多金屬結(jié)核那樣在較大的區(qū)域來回采集，更無需復(fù)雜的路徑規(guī)劃，而更趨向于集中在小塊海底區(qū)域內(nèi)的定點(diǎn)作業(yè)。因此，采礦系統(tǒng)對(duì)采集器行駛性能及控制系統(tǒng)的要求將大為簡化，系統(tǒng)的可靠性將得到提高。同時(shí)，現(xiàn)有的深海采礦方法、陸地金屬冶煉工藝、較為成熟深海機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)及ROV裝備、海洋石油開采技術(shù)及工程經(jīng)驗(yàn)等為海底多金屬硫化物的開采提供了借鑒的可能，經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼吓c集成，這些方法及技術(shù)完全可以保證硫化物開采的需要。

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

海底多金屬硫化物普遍具有較高的金、銀、銅、鋅含量，無論是與海底多金屬結(jié)核資源還是與陸地硫化物礦相比，都具有明顯的開采價(jià)值，美國國家地質(zhì)調(diào)查局1983年針對(duì)Juan de Fuca的三組硫化物礦樣品的分析結(jié)果［10］顯示，根據(jù)當(dāng)時(shí)的金屬市場(chǎng)價(jià)格，每噸硫化物礦剔除含有的稀有金屬鎘的價(jià)值（約106美元/t）后，僅銅、鋅、金、銀等的綜合價(jià)值為348.23美元，而Cyprus的硫化礦每噸的綜合價(jià)值為38.28美元，海底多金屬結(jié)核每噸的綜合價(jià)值為191.97美元。

鸚鵡螺礦業(yè)按開發(fā)期4年對(duì)SolwaraⅠ礦區(qū)塊狀硫化物（SMS）開發(fā)利用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步的估算，得到支出與收入的大致情況如表1所示。

表1 鸚鵡螺礦產(chǎn)公司關(guān)于SolwaraⅠ礦區(qū)塊狀硫化物開發(fā)計(jì)劃的收支情況預(yù)計(jì)［11］

從表1來看，鸚鵡螺礦業(yè)對(duì)SolwaraⅠ礦區(qū)SMS開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益給了收益率高達(dá)39.6%～89.6%的樂觀估計(jì)。當(dāng)然，這些估計(jì)只是在一系列假設(shè)下得到的一個(gè)初步粗略估算［11］。

目前，海底采礦的主要金屬，即金、銀、銅、鎳和錳的價(jià)格，盡管有些動(dòng)蕩，但總體上呈強(qiáng)有力的上升趨勢(shì)?？傊趪H金屬市場(chǎng)價(jià)格上浮且有著良好的走勢(shì)時(shí)，海底多金屬硫化物將具有更好的采礦經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 環(huán)境影響分析

開采多金屬結(jié)核對(duì)環(huán)境影響主要有以下幾種：①采礦系統(tǒng)對(duì)海底環(huán)境的影響。在集礦機(jī)采集多金屬結(jié)核的過程中，對(duì)表層沉積物進(jìn)行攪動(dòng)，破壞沉積物原有的結(jié)構(gòu)，并使沉積物進(jìn)入水體形成沉積物云團(tuán)，結(jié)果會(huì)使光照條件變差，并降低水體的清潔度。②采礦船廢液、廢水排放對(duì)海洋環(huán)境尤其是表層水域環(huán)境的影響。集礦機(jī)將結(jié)核收集到一起之后，將利用射流將結(jié)核沖洗干凈，然后壓碎，并將包含破碎結(jié)核與海水的泥漿提升到采礦船上。如果再在采礦船上對(duì)結(jié)核進(jìn)行處理、加工，則勢(shì)必將大量尾礦、廢水排放到海水中，這些廢水、礦渣中含有大量顆粒物質(zhì)和微量元素，必將對(duì)表層海水產(chǎn)生嚴(yán)重的污染作用。③陸上加工處理造成的環(huán)境影響。在對(duì)多金屬結(jié)核進(jìn)行陸上加工處理過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，它們會(huì)對(duì)周圍居民的生活和大氣環(huán)境產(chǎn)生影響［12］。

開采多金屬硫化物的許多環(huán)境影響問題與開采多金屬結(jié)核所造成的環(huán)境問題相似，包括破壞動(dòng)物棲息處的表層，甚至周圍火山生態(tài)系統(tǒng)的改變，底層水因懸浮的顆粒羽流而發(fā)生化學(xué)變化。另一方面，硫化物顆粒的高密度會(huì)使采礦設(shè)備所造成的任何硫化物碎屑立即重新沉積。由于與海水接觸面大，一些釋放出的硫化物碎屑會(huì)氧化，如同許多海底礦床的非活性塊狀硫化物的氧化過程一樣。采礦過程排放的廢水及機(jī)械泄漏將造成對(duì)海洋環(huán)境的污染等［11］。

3.4 生物影響分析

在全球60 000km長的洋中脊系統(tǒng)，已發(fā)現(xiàn)了400多處熱液噴口區(qū)，在熱液噴口周圍密集的生物群體和與熱液噴口對(duì)應(yīng)的熱液生物的生命奇跡，為人類研究生命起源提供了新的視角。隨著更深層次的生物科學(xué)研究的全面展開，將會(huì)產(chǎn)生不可估量的科學(xué)意義。硫化物礦產(chǎn)資源的開采，影響甚至破壞活動(dòng)的熱液噴口區(qū)的獨(dú)特生態(tài)環(huán)境［13］。采礦引起的沉積物漂流及聲吶設(shè)備的聲音干擾可能影響采礦區(qū)附近的海底生物。因此，應(yīng)選擇性地開采多金屬硫化物礦床，尤其是那些沒有任何噴口動(dòng)物生息的非活性礦床，因?yàn)樵谶@些地方開采所造成的環(huán)境影響可能不會(huì)大于建造一個(gè)普通港口的設(shè)施。

4 海底多金屬硫化物管理研究

關(guān)于深海采礦立法方面，美國率先于1980年第一個(gè)通過了《深海海底固體礦物資源法》，聯(lián)邦德國1980年制定了《深海海底采礦臨時(shí)管理法》，英國1981年制定了《深海采礦法》，法國于1981年制定了《深海海底礦物資源勘探和開發(fā)法》，蘇聯(lián)1982年頒布了《關(guān)于調(diào)整蘇聯(lián)企業(yè)勘探和開發(fā)大陸架以外海底區(qū)域礦物資源活動(dòng)的臨時(shí)措施》，美國、英國、法國和聯(lián)邦德國1982年9月還聯(lián)合簽訂了《關(guān)于深海海底多金屬結(jié)核的臨時(shí)措施的協(xié)議》等［12］。

根據(jù)《聯(lián)合國海洋法公約》的規(guī)定，國際海底區(qū)域?qū)賴H海底管理局管理，因此深海礦產(chǎn)資源開采的法律問題應(yīng)遵循國際海底管理局相關(guān)勘探開采章程。2010年4月26日至5月7日國際海底管理局在牙買加金斯敦召開第16屆會(huì)議，于5月7日通過了《“區(qū)域”內(nèi)多金屬硫化物探礦和勘探規(guī)章》［14］。此規(guī)章是管理局繼《“區(qū)域”內(nèi)多金屬結(jié)核探礦和勘探規(guī)章》后制定的第二個(gè)深?！安傻V法典”，對(duì)規(guī)范和促進(jìn)國際海底區(qū)域資源的勘探及開采具有重要意義。

5 海底多金屬硫化物的開采

短期內(nèi)，在特殊的條件下，海洋開采是可行的：①高的金和賤金屬品位；②離陸地較近，一般在淺水的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)或平均12海里區(qū)內(nèi)；③不超過2 000m的淺水區(qū)。在目前已發(fā)現(xiàn)的金屬硫化物礦床（點(diǎn)）中，僅有12個(gè)礦床具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和高的品位，并且具有商業(yè)開采價(jià)值（表2）［15］。

人口對(duì)銅和金之類商品的需求不斷增大，一項(xiàng)名為海底塊狀硫化物的海洋采礦業(yè)便應(yīng)運(yùn)而生。迄今僅有日本、新西蘭和瓦努阿圖立法同意SMS的勘探活動(dòng)。鸚鵡螺和海王星礦產(chǎn)公司是SMS礦業(yè)集團(tuán)中的兩個(gè)主要企業(yè)。

表2 可能開采的海底硫化物礦床

我國已于2010年向聯(lián)合國國際海底管理局提交了位于西南印度洋的硫化物礦區(qū)申請(qǐng)，這是國際上首例對(duì)多金屬硫化物礦區(qū)的申請(qǐng)。我國在世界上按照相關(guān)規(guī)章第一個(gè)提出礦區(qū)申請(qǐng)，是建立在長期對(duì)海底熱液硫化物科考調(diào)查的基礎(chǔ)上，2011年11月18日，中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)與國際海底管理局簽署《國際海底多金屬硫化物礦區(qū)勘探合同》［16］。

6 建立我國國際海底資源開發(fā)的戰(zhàn)略

制定深海礦產(chǎn)資源勘探規(guī)章，是執(zhí)行《聯(lián)合國海洋法公約》的具體步驟之一，也是加強(qiáng)國際海底資源管理的一項(xiàng)主要措施，同時(shí)將使國際海底新資源的開發(fā)活動(dòng)納入管理局的管轄范圍，可以阻止一些海洋技術(shù)強(qiáng)國壟斷海底資源。全面介入國際海底區(qū)域活動(dòng)，維護(hù)“區(qū)域”這一全人類共同繼承財(cái)產(chǎn)，積極開展多金屬硫化物等新資源的勘探開發(fā)研究和關(guān)于新資源的國際立法研究，爭取國際游戲規(guī)則制定中的話語權(quán)，也是維護(hù)中國在“區(qū)域”的長遠(yuǎn)利益，擴(kuò)寬中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備的必要選擇。從長遠(yuǎn)考慮，制定這樣的規(guī)章對(duì)中國在國際海底區(qū)域開發(fā)新資源是有利的。

我國在海洋礦產(chǎn)的勘探開發(fā)及相關(guān)影響因素的立法管理，從20世紀(jì)70年代至今，做了大量的工作，先后頒布了多個(gè)法規(guī)。如《對(duì)外合作開采海洋石油資源條例》（1982）、《礦產(chǎn)資源法》（1986）、《礦產(chǎn)資源勘探登記管理暫行辦法》（1987）、《礦產(chǎn)資源監(jiān)督管理暫行辦法》（1987）和《海洋石油勘探開發(fā)環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例》（1983）等。但這些法律法規(guī)都是關(guān)于我國領(lǐng)土內(nèi)的礦產(chǎn)資源的勘探開發(fā)，不適用于我國在大洋深海“區(qū)域”的勘探開發(fā)活動(dòng)［12］?；诖笱蠖嘟饘俚V產(chǎn)資源勘探開發(fā)管理立法工作的現(xiàn)狀，應(yīng)加快我國在這方面的工作進(jìn)度。

多元化經(jīng)略國際海底的戰(zhàn)略思想：①發(fā)展深海科學(xué)，為我國利用深海和國際海底提供科學(xué)基礎(chǔ)；②發(fā)展深海技術(shù)，探查技術(shù)、運(yùn)載技術(shù)、勘探開發(fā)技術(shù)、環(huán)境技術(shù)，形成深海技術(shù)體系，基本完成深海多種礦物資源開采技術(shù)的研發(fā)。同時(shí)通過研究成果的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化獲取經(jīng)濟(jì)效益；③尋找新的可開發(fā)資源和建立深海產(chǎn)業(yè)，深海技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)、深海采礦業(yè)、深海生物產(chǎn)業(yè)；④探索深海其他利用的可能性，包括國防安全的利用問題；⑤加強(qiáng)對(duì)全球海底金屬市場(chǎng)的調(diào)查研究。為實(shí)現(xiàn)“區(qū)域”資源的商業(yè)開采，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)全球金屬市場(chǎng)的跟蹤研究，合理制定我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策［17］。積極參與國際海底科學(xué)研究、國際海底資源的勘探開發(fā)、國際海底管理事務(wù)，分享國際海底資源利用之利，在國際海底事務(wù)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

［1］ 國際海底管理局.“區(qū)域”內(nèi)多金屬硫化物探礦和勘探規(guī)章［Z］.2010.

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［14］ 國際海底管理局第16屆會(huì)議.［EB/OL］.［2012－04－24］.http：//china－isa.jm.china－embassy.org/chn/hdxx/t711469.htm

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［16］ 中國大洋協(xié)會(huì)與國際海底管理局簽訂國際海底多金屬硫化物礦區(qū)勘探合同［N］.中國海洋報(bào)，2011－11－22（A1）.

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海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“國際海底資源開發(fā)與公海保護(hù)區(qū)選劃技術(shù)支持系統(tǒng)及應(yīng)用示范”（201005003）.

我國海底多金屬硫化物研究起步較晚，1988年7—8月中德科學(xué)家合作So－57航次對(duì)馬里亞納海槽區(qū)熱液多金屬硫化物的分布情況和形成機(jī)理進(jìn)行調(diào)查和研究，獲得非活動(dòng)性的熱液多金屬硫化物和硅質(zhì)“煙囪”。這是我國科學(xué)家首次參加的熱液活動(dòng)調(diào)查。1988年9月至1989年1月期間，中國科學(xué)院海洋研究所組隊(duì)參加了蘇聯(lián)科學(xué)院組織，為期5個(gè)月的太平洋綜合調(diào)查，沿太平洋海嶺采到熱液沉積物樣品。1992年6月受國家自然科學(xué)基金委員會(huì)（NSFC）資助，中國科學(xué)院海洋研究所趙一陽教授組織對(duì)沖繩海槽中部熱液活動(dòng)調(diào)查，這是我國首次獨(dú)立組隊(duì)進(jìn)行熱液活動(dòng)的調(diào)查，取得了一些重要成果。2005年，我國執(zhí)行首次環(huán)球大洋科學(xué)考察任務(wù)，在大西洋進(jìn)行海底熱液多金屬硫化物前期調(diào)查，獲得了超過200kg熱液多金屬硫化物和海底沉積物樣品［9］。2007年，中國“大洋一號(hào)”深?？疾齑谒? 800m西南印度洋中脊，發(fā)現(xiàn)了新的海底熱液活動(dòng)區(qū)（“黑煙囪”）。2008年5月22日至2009年3月17日，“大洋一號(hào)”船兩度橫跨太平洋和印度洋，共發(fā)現(xiàn)了11個(gè)海底熱液區(qū)和4個(gè)熱液異常區(qū)。2009年7月18日至2010年5月28日中國第二次環(huán)球大洋科學(xué)考察遠(yuǎn)涉太平洋、大西洋和印度洋三大洋，在大西洋發(fā)現(xiàn)了新的熱液活動(dòng)區(qū)。中國大洋22航次（2010年12月8日至2011年12月18日）第二航段在南大西洋洋中脊新發(fā)現(xiàn)3個(gè)熱液區(qū)和4個(gè)熱液異常區(qū)。