深海多金屬結(jié)核開采潛在工程地質(zhì)環(huán)境影響研究進展*

范智涵 賈永剛② 滕秀英 孫志文 宋曉帥 楊 關 王林森 李博聞

(①山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室， 中國海洋大學， 青島 266100， 中國) (②青島海洋科學與技術國家實驗室， 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室， 青島 266061， 中國)

0 引 言

隨著陸地資源的消耗，人們將目光逐漸轉(zhuǎn)向了海洋。海洋面積約占地球總面積的71%，海洋底部蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，一般認為海底礦產(chǎn)資源有以下幾種：石油與天然氣、多金屬結(jié)核、結(jié)殼、金屬硫化物和天然氣水合物等(Mero， 1965; Earney， 2012; Beaudoin et al.，2014)。在資源的開發(fā)與利用中，石油與天然氣的開采已進入商業(yè)化開采階段，其他海底礦產(chǎn)資源的開采目前還處于探索階段。資源的認定不僅僅是需求，還受經(jīng)濟、技術、環(huán)境、政治和基礎條件等的限制(Petersen et al.，2016)，有些學者綜合以上條件考慮認為深海多金屬結(jié)核存在著巨大的潛在開采價值(陳宗團等， 1995；Sparenberg， 2019)，但就其商業(yè)化開采時機的判斷眾說紛紜，目前尚無定論。

相較于陸地礦產(chǎn)資源的開采，深海多金屬結(jié)核開采有以下幾點優(yōu)勢：資源儲量豐富、挖掘簡單、礦物表面幾乎無覆蓋物。從20世紀60年代開始，深海多金屬結(jié)核開采技術經(jīng)歷了連續(xù)鏈斗法、穿梭艇式、管道提升式3種典型深海采礦方式的嘗試(Glasby， 2000; 劉少軍等， 2014)，目前研究中較多提到的開采技術為管道提升式開采(吳波等， 2016)。管道提升式開采由4個部分組成：海底集礦系統(tǒng)、海中礦物提升系統(tǒng)、海面礦物處理系統(tǒng)和海中尾礦排放系統(tǒng)(Oebius et al.，2001; 趙羿羽等， 2016)。隨著科技的發(fā)展，開采技術越發(fā)成熟，但深海采礦所產(chǎn)生潛在的環(huán)境影響問題仍然不容忽視(王春生等， 2003； Cuyvers， 2018)。

就深海多金屬結(jié)核管道提升式的開采方式而言，開采活動產(chǎn)生較大環(huán)境影響的階段一般發(fā)生在海底集礦和海中尾礦排放兩部分(Oebius et al.，2001)。采礦車在海底進行集礦作業(yè)時，有可能會將底棲生物直接碾壓致死(Christiansen et al.，2019)，同時也會擾動海底沉積物使固體顆粒懸浮在水體中，同樣尾礦的排放也會使固體顆粒懸浮在水體中(Prisetiahadi et al.，2008； Franks et al.，2011)。這兩種途徑通過改變水體中固體懸浮顆粒濃度，進而影響水體化學特征及生物群落的活性(Bornhold et al.，1994; Burd et al.，2000;Smit et al.，2008)。此外，在重力作用下懸浮在水體中的固體顆粒重新沉積，這種重沉積的作用不僅改變了表層沉積物的沉積環(huán)境，還改變了采礦區(qū)表層沉積物工程地質(zhì)性質(zhì)(Choi et al.，2011)，影響底棲生物的活性(Leduc et al.，2013; Leduc et al.，2015)。

因此，深海多金屬結(jié)核在商業(yè)化開采前，制定有效的環(huán)境監(jiān)測管理計劃是必不可少的(Montserrat et al.，2019)?，F(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測計劃多關注采礦活動對水體物理化學成分及生物活性的影響(Ahnert et al.，2000; Ardron et al.，2019)，采用的評價方法多是基于框架體系(Durden et al.，2017; Ellis et al.，2017)，多因素多條件綜合分析，試圖通過生物活性對采礦活動帶來的環(huán)境影響做出定量的評估(Lodge et al.，2014; Ma et al.，2019)。在監(jiān)測技術上，除了常規(guī)的溫鹽深監(jiān)測、基于聲學的多波束掃描和水體流速監(jiān)測、基于光學的固體懸浮顆粒濃度監(jiān)測外(蔡樹群等， 2007； 李瀟等， 2017)，還可以通過圖像處理技術估算海底多金屬結(jié)核儲量(Sharma et al.，2010)，利用聲波反射技術評估海底生態(tài)系統(tǒng)(Lin et al.，2019)。對于海底沉積物動態(tài)變化的監(jiān)測，目前的研究多通過監(jiān)測水體的深度的變化，間接地監(jiān)測海床面位置的變化，從而反應沉積物的動態(tài)變化。

圖 1 a為海底多金屬結(jié)核形態(tài)及分布特征(引自(Hein et al.，2013))，b為多金屬結(jié)核的CT掃描內(nèi)部結(jié)構(gòu)(引自(Hein et al.，2020))Fig. 1 Morphological characteristics of submarine polymetallic nodules(The left picture shows the polymetallic nodules(Hein et al.，2013) and the right picture shows the CT scan of the interior of the polymetallic nodules (Hein et al., 2020)

本文基于大量文獻資料，從深海多金屬結(jié)核的生成、分布特征及賦存區(qū)工程地質(zhì)條件進行了介紹，系統(tǒng)地總結(jié)了近幾十年深海多金屬結(jié)核開采嘗試的研究，歸納了深海多金屬結(jié)核開采潛在的環(huán)境工程地質(zhì)問題，對比了目前深海多金屬結(jié)核開采的環(huán)境評價方法及監(jiān)測技術，總結(jié)認為開采區(qū)表層沉積物工程地質(zhì)條件是決定采礦活動環(huán)境影響程度的關鍵因素，基于此提出了今后深海多金屬結(jié)核開采環(huán)境工程地質(zhì)監(jiān)測與評價的發(fā)展建議，以期達到定量化評估海底采礦過程對海洋物理化學環(huán)境的影響程度并盡可能地減少對環(huán)境的影響。

1 深海多金屬結(jié)核地質(zhì)背景概述

多金屬結(jié)核因其富含多種金屬(銅、鈷、鎳、錳)而得名，亦被稱作鐵錳結(jié)核或錳結(jié)核，多以球形和橢球形為主，粒徑一般在2～10 cm之間(戴瑜等， 2013)。多金屬結(jié)核主要分布在水深4000～6000 m的海底沉積物表層30 cm以淺的區(qū)域(Hein et al.，2013)如圖 1，該水深處固體顆粒沉積速率較低，一般小于10 mm·ka-1(眭良仁等， 1995； Bau et al.，1996)。目前認為，絕大多數(shù)結(jié)核的成礦物質(zhì)來源于海水或沉積物間隙水，成礦機制大致分為水成型、成巖型和熱液型3種，結(jié)核生長速率一般為1～10 mm · ma-1(Petersen et al.，2016; 周懷陽， 2008， 2015)，沉積物的沉積速率約為結(jié)核生長速率的1000倍。

1.1 多金屬結(jié)核的分布特征

多金屬結(jié)核蘊藏在海洋底部，資源勘查結(jié)果表明，太平洋海底多金屬結(jié)核分布廣泛，約有海區(qū)總面積的10%～30%分布有多金屬結(jié)核(Achurra et al.，2009)。 除太平洋以外，在印度洋和大西洋均有多金屬結(jié)核的分布如圖 2(Miller et al.，2018)。但東太平洋克拉里昂—克里帕頓斷裂帶之間的海底區(qū)域(CC區(qū))的多金屬結(jié)核最為富集，該區(qū)域也是深海采礦的熱點區(qū)域(方銀霞等， 2000； Beaudoin et al.，2014)，CC區(qū)的坐標范圍為北緯5°～20°，西經(jīng)110°～180°(杜靈通等， 2003)。該區(qū)域在法律上并不屬于任何國家，為了將大洋底部礦產(chǎn)資源列為人類共同遺產(chǎn)，由發(fā)展中國家提出成立國際海底管理局(ISA)，共同管理國際海底區(qū)域的礦產(chǎn)開采權(quán)(Bourrel et al.，2018)。任何國家或組織都可以在ISA處申請，從而擁有某塊區(qū)域的勘探權(quán)，該區(qū)域在ISA出臺勘探規(guī)章之前一般稱之為“專屬經(jīng)濟區(qū)”或“開辟區(qū)”，自2000年出臺了《“區(qū)域”內(nèi)多金屬結(jié)核探礦和勘探規(guī)章》(何宗玉等， 2016)起截至2020年12月，ISA已經(jīng)批準了18份海底區(qū)域多金屬結(jié)核勘探合同(Ardron et al.，2019)。其中有15份合同分布在CC區(qū)，每個合同區(qū)的面積為75 000 km2(周懷陽， 2015)。

圖 2 海底礦產(chǎn)資源在全球的分布(Miller et al.， 2018)Fig. 2 Distribution of pacific polymetallic nodules mine development area(Miller et al.， 2018)

多年的資源勘查工作表明CC區(qū)多金屬結(jié)核平均豐度約為15 kg · m-2(Petterson et al.，2019)，地形對該區(qū)的結(jié)核分布有明顯的影響，丘陵之間的洼地和海丘頂部的平原最為富集(張富元等， 2011)。且區(qū)內(nèi)的坡度范圍在0°～3.6°時，坡度越大，結(jié)核覆蓋率越高，較陡的地形可能更有利于結(jié)核的發(fā)育(梁東紅等， 2014)。但是對于微地貌與深海多金屬結(jié)核豐度分布間的關系尚未明確，目前的研究僅基于統(tǒng)計及概率學上的歸納得到的認識，就微地貌與多金屬結(jié)核分布的關系尚需深入研究。這一問題不僅可以補充多金屬結(jié)核的成礦機理，還能為以后結(jié)核商業(yè)化開采前的工程地質(zhì)分區(qū)提供依據(jù)。Glasby(2000)整理并評估了CC區(qū)的多金屬結(jié)核資源潛力，認為該區(qū)域賦存有75億噸錳、7800萬噸鈷、3.4億噸鎳和2.65億噸銅，盡管已經(jīng)組織過多次的試采工作，但出于資源勘查及經(jīng)濟條件的考慮，他仍認為深海多金屬結(jié)核的商業(yè)化開采還為時過早。

此外，我國南海也有多金屬結(jié)核礦床的分布，但其金屬元素豐度較低，不如大洋多金屬結(jié)核豐富(陸怡等， 2020； 石學法等， 2021)，南海多金屬結(jié)核多分布在陸坡區(qū)，水深1000～3500 m之間，結(jié)核大小及形態(tài)各異且主要為水成型結(jié)核(吳時國等， 2020)。

1.2 結(jié)核賦存區(qū)工程地質(zhì)條件

深海多金屬結(jié)核開采區(qū)，表層沉積物的工程地質(zhì)條件是影響采礦車在海底行走的關鍵因素(王樹仁等， 2000)。表層沉積物的工程地質(zhì)性質(zhì)不僅決定了采礦車在海底行走的難易程度，同時還影響了采礦時固體顆粒懸浮量的多少，因此對于開采區(qū)表層沉積物的工程地質(zhì)性質(zhì)的調(diào)查是非常有必要的。由于多金屬結(jié)核一般蘊藏在水深4000～6000 m的海底，該水深環(huán)境下海床附近水動力條件較弱，懸浮在水體中的沉積物粒徑也非常的小。就CC區(qū)表層沉積物性質(zhì)而言，通過目前檢索到的文獻資料，整體上CC區(qū)海底表層沉積物成分比較均一，以低有機含量的硅質(zhì)黏土為主，顆粒極細，并含有大量的水分(宋連清， 1999; Oebius et al.，2001; Choi et al.，2011; Kim et al.，2019)。

早在1983年中國大洋航次就對中國勘探區(qū)進行了工程地質(zhì)調(diào)查，宋連清(1999)基于這些調(diào)查結(jié)果及室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)，對中國勘探區(qū)工程地質(zhì)條件進行了分區(qū)(呂文正， 2008)，整體區(qū)域面積較大分區(qū)較為粗獷。中國的多金屬結(jié)核勘探區(qū)多位于CC區(qū)的西部，經(jīng)度間隔約10°。雖然整體水動力條件較弱，但也存在著周期性的水流速度大于15 cm · s-1的海底風暴(倪建宇等， 2002)，與北赤道流流速15～50 cm · s-1相吻合，且6～8月份流速逐漸增大(張富元等， 2001)。但目前對于深海底流的觀測多采用潛標進行，對于近海底幾米處的水動力的精準量測仍有較大難度。未來更加合適的海床基、更加合理的原位觀測位置，將有可能改善現(xiàn)有的潛標觀測精確度低的局面。

而對于海底沉積物而言，結(jié)核賦存區(qū)海床通常上部是半流體狀態(tài)，由水、沉積物、多金屬結(jié)核組成； 下部是固態(tài)，由結(jié)核、沉積物組成(于彥江等， 2016)。多金屬結(jié)核區(qū)表層0～20 cm深處沉積物力學性質(zhì)特征大致為：剪切強度為0～10 kPa、貫入阻力0～15 kPa、黏聚力0～8 kPa、內(nèi)摩擦角0°～7°(劉少軍等， 2014)， 表 1 中統(tǒng)計了中國勘探區(qū)西部表層15～20 cm 處沉積物性質(zhì)，這一深度處沉積物性質(zhì)對采礦車的設計起到了關鍵的作用。

表 1 中國勘探區(qū)西部表層15～20 cm處沉積物性質(zhì)Table 1 Properties of sediments 15～20 cm above the surface of western exploration zone in China

對比其他國家勘探區(qū)表層沉積物性質(zhì)，圖 3為德國及韓國在CC區(qū)所做的力學性質(zhì)測試(Oebius et al.，2001； Choi et al.，2011)，結(jié)核賦存區(qū)沉積物頂部10 cm區(qū)域為半液體區(qū)域幾乎沒有抗剪強度； 10～20 cm區(qū)域抗剪強度升高，為頂部結(jié)核提供支撐力，開采時是采礦車的第一個支撐層； 此外，沉積物在20 cm深度附近抗剪強度出現(xiàn)異常變化，推測是由于生物擾動造成，最新的研究結(jié)果通過對比秘魯盆地開采擾動實驗26年后沉積物的孔隙結(jié)果特征認為，海床面以下沉積物20 cm處的生物活動區(qū)域受沉積物擾動影響劇烈，生物活動有明顯的痕跡可尋如圖 4(Vonnahme et al.，2020)，該深度處的擾動程度是否在未來有望為采礦活動對生物活性影響定量評價提供判定閾值還有待進一步探討。

圖 3 a為德國勘探區(qū)某點處沉積物抗剪強度曲線(Oebius et al.，2001)， b為韓國勘探區(qū)坐標某點處的抗剪強度曲線(Choi， 2011)Fig. 3 The picture on the left is the shear strength curve of the sediment at a certain point in the exploration zone of Germany(Oebius et al.，2001)，the picture on the right is the shear strength curve of the sediment at a certain point in the exploration zone of Korea(Choi， 2011)

以上沉積物物理力學性質(zhì)的獲取多為甲板單元測試或室內(nèi)土工實驗測試結(jié)果，原位測試結(jié)果較少，最近的一次測試是2019年我國長沙礦冶研究院研制的原位土工力學測量裝置于中國五礦集團勘探區(qū)進行了測試，設備整體工作正常(彭賽鋒， 2020)。但是針對這種多金屬結(jié)核區(qū)表層沉積物強度小于10 kPa的超軟沉積物，其測量精度的要求更為苛刻，隨著海洋工程地質(zhì)專業(yè)的發(fā)展(劉曉磊等， 2017， 2020; 李正輝等， 2019)，海底探測技術的進步(范寧等， 2017; 賈永剛等， 2017; 朱超祁等， 2017)，我們所測得的海底沉積物土力學性質(zhì)的原位測試技術更加成熟，結(jié)果更加精確。除此之外，借助陸地上較為成熟的工程地質(zhì)分區(qū)評價模型(仉義星等， 2019)，開展更多金屬結(jié)核潛在開采區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)及評價模型，結(jié)合多金屬結(jié)核面臨的實際工程地質(zhì)問題全方位考慮其工程地質(zhì)單元的劃分及各工程地質(zhì)單元穩(wěn)定性也是未來多金屬結(jié)核潛在開采區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查應該進行的工作。

圖 4 多金屬結(jié)核賦存區(qū)不同擾動區(qū)表層沉積物柱狀樣及CT掃描圖像(Vonnahme et al.，2020)Fig. 4 Columnar samples and CT scanning images of surface sediments in different disturbed areas of polymetallic nodule occurrence area (Vonnahme et al.， 2020)

2 結(jié)核開采方式

深海多金屬結(jié)核的研究自20世紀60年代開始，一些國家和組織在CC區(qū)及其他海區(qū)進行了多次試采工作，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，開采的技術也發(fā)生了許多變化，盡管目前以哪種開采方式進行多金屬結(jié)核的商業(yè)化開采還尚未定論，但多年來的開采技術研究仍以管道提升式的開采方式為主如圖 5(Petterson et al.， 2019)。20世紀70年代是海底采礦發(fā)展的黃金時期，表 2中整理了從1978年至今世界各國組織的針對多金屬結(jié)核開采進行的試采工作，包括試驗模式、海域、水深和試采量等信息。

圖 5 深海多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)示意圖(Petterson et al.，2019)Fig. 5 Schematic diagram of deep sea polymetallic nodule mining system(Petterson et al.，2019))

表 2 1978年至今世界各國組織的多金屬結(jié)核試采工作匯總Table 2 Summary of trial mining of polymetallic nodules organized by countries around the world from 1978 to present

統(tǒng)計結(jié)果表明1978年進行的多金屬結(jié)核試采工作最多，主要試采區(qū)域也都集中在CC區(qū)，管道式和連續(xù)鏈斗式的采礦方式都進行了嘗試，其中美國雖沒有申請勘探區(qū)，但其試采活動卻最為積極。

經(jīng)過一段時間的探索后，世界各國對海底多金屬結(jié)核開采的熱度明顯降低， 1980年開始迅速衰落，主要原因是經(jīng)濟壓力太大、環(huán)境影響不明確(Bourrel et al.，2018; Da Ros et al.，2019)，特別是環(huán)境影響問題尚未清晰，給多金屬結(jié)核的商業(yè)化開采帶來了巨大的壓力。ISA明確規(guī)定，結(jié)核區(qū)環(huán)境擾動實驗和環(huán)境影響評價報告是結(jié)核開采的前提條件，新西蘭原定計劃在2019年在其近海領域進行結(jié)核的開采工作，但基于環(huán)境影響的考慮還是放棄了該計劃(Sparenberg， 2019)。即使是作為擁有世界上首艘專業(yè)深海采礦船的企業(yè)加拿大鸚鵡螺公司，近些年一直致力于深海采礦的相關設計、建造和開采工作，但在巴布亞新幾內(nèi)亞海底索爾瓦拉1(Solwara 1)經(jīng)過近10年的探索最終還是以失敗告終。

表 3 世界各國組織的深海多金屬結(jié)核開采環(huán)境影響試驗研究匯總Table 3 Summary of experimental research on environmental impacts of deep-sea polymetallic nodules organized by countries around the world

3 結(jié)核開采的環(huán)境工程地質(zhì)影響

目前海底采礦機多使用液壓汲取式的開采系統(tǒng)，雖然這種方式具有優(yōu)良的可操作性、環(huán)境友好度以及應用前景，從而在國際范圍內(nèi)的多金屬結(jié)核開采中被廣泛采用(劉少軍等， 2014)，但是綠色環(huán)保、科技高效仍然是多金屬結(jié)核開采的重大難題，采礦車的集礦工程對沉積物的擾動最大(于淼等， 2018)。開采作業(yè)時懸浮起來的物質(zhì)會在水動力作用下發(fā)生運移，遇到合適的洋流會被運移到很遠的地方(Bornhold et al.，1994)，塑料袋甚至在馬里亞納海溝水深10 898 m處被發(fā)現(xiàn)(Sanae， et al.，2018)。同時深海地形有較大的起伏，相對平緩的地形沉積物的擾動會產(chǎn)生更大的影響(Ahnert et al.，2000)，而大洋多金屬結(jié)核多賦存在海底平原上，這使得采礦產(chǎn)生的影響傳播得更遠。

一些研究認為深海采礦主要產(chǎn)生3個方面的環(huán)境影響(何宗玉， 2003; 邱電云等， 1997)：(1)海底采礦線路上海底生物及沉積物的擾動； (2)底層羽狀流懸浮泥沙顆粒； (3)開采及尾礦排放區(qū)水體的化學變化。總的來說影響的對象就是海底沉積物、海水及生物群落，在空間上則是對海底沉積物、底層海水和上層尾礦排放區(qū)水體。表 3中統(tǒng)計了世界各國近年來組織的深海多金屬結(jié)核開采環(huán)境影響擾動試驗，環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容也是多以海底沉積物、海水化學性質(zhì)和生物群落的監(jiān)測為主，美國、日本、印度三國對此做了較多的工作。此外，近些年對于沉積物擴散分布的研究明顯增多(Jaeckel， 2016)，無論是尾礦排放的沉積物擴散還是海底擾動再懸浮的沉積物擴散分布，都是采礦產(chǎn)生環(huán)境工程地質(zhì)影響的問題，而沉積物工程地質(zhì)性質(zhì)是影響其擴散分布特征的關鍵因素。

與此同時，深海多金屬結(jié)核開采活動對環(huán)境產(chǎn)生影響，同樣深海環(huán)境也對開采活動有著較大的作用，這種采礦的影響是相互的。就深海環(huán)境而言，深海水動力及生態(tài)系統(tǒng)動力緩慢，環(huán)境相對穩(wěn)定，但由于深海海水壓力巨大，這種高壓環(huán)境對多金屬結(jié)核的開采方式、設備等都有不同程度的制約，深海多金屬結(jié)核區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境條件對深海多金屬結(jié)核開采系統(tǒng)的主要影響如表 4 所示。此外，盡管采礦區(qū)水動力條件很弱，但開采產(chǎn)生的環(huán)境影響并不局限于開采區(qū)附近，再懸浮起的沉積物可以運移到幾公里以外的地方(Montserrat et al.，2019)。

表 4 環(huán)境條件對采礦系統(tǒng)設計和運行的影響(改自Sharma， 2011)Table 4 Impact of environmental conditions on the design and operation of mining systems(modified from Sharma， 2011)

3.1 擾動表層沉積物

采礦對底層沉積物的擾動主要發(fā)生在采礦機在海底運動集礦的時候，如前所述目前集礦多采用液壓采集的方式，工作時采集頭噴射水流切割、穿過半液體層到達固態(tài)結(jié)核層，將結(jié)核和半液體物質(zhì)沖入采集系統(tǒng)(丁六懷等， 2003； 戴瑜等， 2013)。采集頭產(chǎn)生的水壓流會使半液體層乃至固態(tài)沉積物從結(jié)核上沖掉后成為懸浮物，在采礦機附近擴散，從而導致海底環(huán)境的變化，嚴重影響聲波通訊及聲吶掃描等聲學儀器的使用(Zhao et al.，2018)。此外，采礦機的移動會造成海底流場的改變，采礦機附近的沉積物顆粒將受到這個弱流場的改變，使懸浮狀態(tài)發(fā)生改變(齊瀚琛等， 2017)。

有研究表明，多金屬結(jié)核開采過程中沉積物與結(jié)核的體積比平均約為9︰1，這意味著開采時1 m3的結(jié)核會有9 m3的沉積物受到擾動(Sharma et al.，2010)。換算成質(zhì)量計算則每噸錳結(jié)核開釆將導致2.5～4.5 t海底沉積物再懸浮，按照大洋多金屬結(jié)核平均豐度計算下來，每開采1000 t結(jié)核，約有40 000 t的沉積物受到影響(趙羿羽等， 2017)。商業(yè)開采時，液壓提升系統(tǒng)開采規(guī)模大約是5000 t · d-1(Ozturgut et al.，1981)，在這種采集速率下，攪動的沉積物約10 000 m3(眭良仁等， 1995)。結(jié)核開采過程中會在集礦機附近形成離地約50 m高的水體擾動區(qū)，較小的顆粒隨底層流擴散而形成羽狀流，顆粒物濃度為15～150 μg·L-1(Ozturgut et al.，1981)。羽狀流的擴散速度約3～4 cm · s-1，雖然室內(nèi)模型實驗顯示不會擴散太遠(Tureblood et al.， 1997), 但多金屬結(jié)核在海底分布不均勻，且海底地形多變，微地貌復雜，在高沉積速率區(qū)域(例如峽谷/峽灣)或在人為誘發(fā)的高沉降作用下，容易發(fā)生渾濁流動和斜坡破壞(Bornhold et al.，1994)。當采礦活動進行時，如此巨量的沉積物的擾動，懸浮在水體中的沉積物隨時間的分布特征及運移規(guī)律是影響環(huán)境的重要問題，沉積物性質(zhì)、顆粒的大小、水流的強弱、地形的變化等因素皆會影響再懸浮沉積物的時空分布特征(再懸浮沉積物擴散的高度、距離及存在的時間)，因此許多學者就此問題開展了系列研究。

德國學者Oebius et al. (2001)基于20世紀90年代在秘魯海盆的航次調(diào)查及擾動實驗，結(jié)合室內(nèi)模擬采礦系統(tǒng)的動作，估算了采礦造成的海底沉積物遷移和擴散，得到不同粒徑、不同濃度的顆粒在海底的沉降速度，以此評估擾動對海底環(huán)境影響的空間和時間尺度。韓國學者Choi et al. (2011)通過其在太平洋勘探區(qū)的調(diào)查活動，分析了采礦過程，估算了擾動造成的海底沉積物的再分布的距離。但上述研究并未將原位測試與數(shù)值模擬相結(jié)合，英國學者Spearman et al. (2020)首次將原位測試結(jié)果、室內(nèi)實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合(圖 6)，分析了采礦區(qū)擾動試驗后不同時間不同高度處的懸浮泥沙濃度的情況，但在進行的36次擾動實驗中，原位觀測裝置僅捕捉到了19次懸浮泥沙濃度的異常，對于監(jiān)測點布放的位置還有待利用預測的模型進行修正，以期獲取更好的監(jiān)測結(jié)果。目前我國尚未進行勘探區(qū)的環(huán)境擾動實驗，采礦造成環(huán)境影響的機制、水體中固體懸浮顆粒的時空分布規(guī)律還有待進一步研究。

圖 6 英國西南部熱帶海山采礦擾動實驗環(huán)境監(jiān)測裝置、監(jiān)測結(jié)果及模型預測結(jié)果(改自Spearman， 2020)Fig. 6 Experimental environmental monitoring device， monitoring results and model prediction results of mining disturbance on tropical seamounts in southwest England(modified from Spearman， 2020)

3.2 改變表層沉積物性質(zhì)

結(jié)核開采過程中懸起的泥沙會阻礙水體中的氧氣向下輸送，影響海底邊界層的氧氣的交換，從而改變海底表層沉積物的氧化還原環(huán)境(Haffert et al.，2020)。同時，海底沉積物的再懸浮和尾礦的排放都會改變水體的化學特征，集礦過程及管道運輸過程中結(jié)核間相互碰撞會產(chǎn)生很多細小的顆粒，這種情況會加劇對水體化學特征的影響。受到影響的水體化學特征主要包括：營養(yǎng)鹽濃度、溶解氧濃度、金屬元素濃度(Ahnert et al.，2000)和水溫等(Hirota， 1981)，這些水體中化學性質(zhì)的變化同樣會通過海底邊界層的物質(zhì)交換傳遞到表層沉積物中。此外，研究表明，當真正進行商業(yè)化開采時，巨大的沉積物擾動及結(jié)核的破碎會使得重金屬離子在重沉積的表層沉積物中大量富集(Ramirez et al.，2005)。

采礦過程中采礦車的行進不僅會壓實車轍處的沉積物，還會向車轍兩側(cè)翻動沉積物。采礦過程中大量的沉積物經(jīng)過擾動會迅速地沉積到采礦車的兩側(cè)， 1978年的采礦試驗表明車轍兩側(cè)迅速沉積的沉積物的厚度在2～6 cm之間，且車轍兩側(cè)100 m距離的位置仍可以看到重沉積的沉積物(Ozturgut， 1981)。不管是車轍處壓實的沉積物還是車轍外重沉積后的沉積物其物理力學性質(zhì)均會發(fā)生較大的改變，如圖 4 中所示，犁溝內(nèi)外沉積物孔隙結(jié)構(gòu)在26年后仍與參考區(qū)相比有較大的差異。除此之外，Volz et al. (2020)統(tǒng)計了不同國家礦區(qū)擾動試驗后表層沉積物孔隙度隨深度及時間的變化情況，結(jié)果表明沉積物孔隙度變化范圍在0.65～0.8之間，且表層5 cm內(nèi)沉積物孔隙度的變化最大如圖 7。但由于樣本較少并沒能表述出擾動后沉積物孔隙度隨時間及深度變化的一般規(guī)律，且現(xiàn)有的研究中對于沉積物力學性質(zhì)變化的測量未見報道。

圖 7 不同國家礦區(qū)擾動后沉積物孔隙度沿深度分布情況(改自Volz et al.，2020)Fig. 7 Distribution of sediment porosity along depth after disturbance in mining areas of different countries(modified from Volz et al., 2020)

4 結(jié)核開采工程地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與評價

4.1 監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測技術

ISA規(guī)定深海采礦項目從勘探轉(zhuǎn)向開采的前提是制定有效的環(huán)境管理計劃(Montserrat et al.，2019)，從2012年開始，ISA就啟動了《國際海底區(qū)域礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)章(草案)》，后幾經(jīng)修改于2019年公布，制定開發(fā)規(guī)章的重要內(nèi)容及目標之一就是采取有效的措施實現(xiàn)對“勘探區(qū)”海洋環(huán)境的保護(何宗玉等， 2016)。與此同時，為了更好在海底采礦的國際競爭中占據(jù)有利位置，我國于2016年2月26日頒布了中華人民共和國深海海底區(qū)域資源勘探開發(fā)法，并于2016年5月1日開始實施，文中明確規(guī)定了環(huán)境監(jiān)測是每個海底采礦項目所必須進行的工作，并對環(huán)境監(jiān)測的內(nèi)容進行了要求。

表 5中統(tǒng)計了20世紀70年代進行的深海多金屬結(jié)核試采研究的浪潮中，OMI和OMA進行試采實驗時采礦系統(tǒng)尾礦排放的監(jiān)測參數(shù)及特征(王春生等， 2001a，2001b)。不管是20世紀70、80年代的環(huán)境評價，還是現(xiàn)在通過對法屬波利尼西亞深海采礦項目的論證研究，最后都認為采礦環(huán)境影響監(jiān)測與評價是海底采礦能否進行的關鍵因素(Le Meur et al.，2018)。環(huán)境管理計劃中就必須包括進行長期的環(huán)境監(jiān)測，多金屬結(jié)核勘探規(guī)章第31條要求海底勘探者在所屬勘探區(qū)內(nèi)必須確定環(huán)境基線，建議海底勘探者進行以下6個方面的調(diào)查：(1)尾礦排放處的水體數(shù)據(jù)(溫度、濁度、鹽度、流速)； (2)水體的化學元素； (3)沉積物性質(zhì)(物理、化學、力學)及沉積物再分布(時空分布)； (4)底棲生物群落多樣性、活性； (5)浮游動物的擾動； (6)固體物質(zhì)的搬運。

表 5 OMI和OMA采礦系統(tǒng)試驗時尾礦排放特征(王春生等， 2001a，2001b)Table 5 Discharge characteristics averaged over the mining period for mining tests conducted by OMI and OMA(Wang et al., 2001a,2001b)

針對監(jiān)測內(nèi)容，傳統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測包括海水的溫度、鹽度和深度，就監(jiān)測技術而言一般通過聲學、光學、電學的方式進行，如：光散射傳感器(OBS)、聲學多普勒流速儀(ADV)、聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)、生物光學傳感器、電導率傳感器等(蔡樹群等， 2007;Yuan et al.，2009)， 表 5 的參數(shù)也都是一些針對海水特征的參數(shù)。但實際上針對不同的監(jiān)測內(nèi)容，其監(jiān)測的側(cè)重點也大不相同，如采集海底稀土時對環(huán)境影響的監(jiān)測，一般利用一些高精度的X射線、光電子能譜、離子體質(zhì)譜等方法主要監(jiān)測沉積物及水體中的金屬離子濃度(Balaram， 2019)。而在多金屬結(jié)核開采環(huán)境監(jiān)測上，本質(zhì)上就是監(jiān)測海底挖泥對環(huán)境的影響，則監(jiān)測目標應放置在沉積物的動態(tài)變化上，而目前的采礦研究中對沉積物動態(tài)變化的原位觀測工作較為薄弱，采礦區(qū)環(huán)境擾動實驗沉積物擾動原位監(jiān)測數(shù)據(jù)鮮有發(fā)表，究其原因主要是原位監(jiān)測技術有待改進。目前，針對海床沉積物動態(tài)變化監(jiān)測，賈永剛教授團隊提出基于沉積物電性特征長期監(jiān)測海床沉積物動態(tài)變化的方法(郭磊， 2016; 賈永剛等， 2018; Fan et al.，2020)，研制了海底邊界層動態(tài)變化原位監(jiān)測裝置。該裝置既能監(jiān)測海底沉積物界面的位置，又能同步監(jiān)測水體中固體懸浮顆粒的濃度及表層沉積物的性質(zhì)。該項工作的順利推進也將有助于未來多金屬結(jié)核開采時沉積物擾動原位監(jiān)測的研究，為再懸浮沉積物的運移擴散的精準預測提供原位監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

4.2 環(huán)境影響評價方法

ISA規(guī)定在深海采礦活動開始之前必須提交有效的采礦環(huán)境影響評價報告。GSR(全球海洋礦產(chǎn)資源公司)于2018年提交了世界上第一份環(huán)境影響評價報告，有近三分之一的內(nèi)容在描述2009年采礦擾動實驗沉積物的擾動情況，從環(huán)境擾動實驗到環(huán)境影響評價報告歷時近9年。無獨有偶，新西蘭海底鐵礦石開采項目環(huán)境評價耗時7年，花費約折合人民幣3700萬元(Kim et al.， 2014)。Ellis et al. (2017)通過新西蘭地區(qū)海底采礦的相關研究成果，討論了基于生態(tài)環(huán)境和海洋空間規(guī)劃的發(fā)展，認為環(huán)境管理框架適用于該地區(qū)海底采礦項目的環(huán)境的管理評價。Durden et al.(2017)在認為所有的開采項目都應考慮時空大小、環(huán)境的變化速率大小和周期性，并通過多因素評價模型，指出了開采過程中各階段所需的環(huán)境管理框架。Durden et al.(2018)通過整合行業(yè)相關環(huán)境評價的應用，為深海采礦制定了理想化的環(huán)境監(jiān)測評價過程，并提出了制定實施環(huán)境影響評價的4個主要影響因素。

此外，采礦活動中應建立影響參照區(qū)和非影響參照區(qū)兩個監(jiān)控區(qū)域，Jones et al. (2018)從沉積物羽狀流的分布、參照區(qū)的面積、生物棲息等方面考慮，為多金屬結(jié)核開采的監(jiān)測區(qū)的選擇提供了重要參考建議。ISA將來要制定和實施的環(huán)境保護法規(guī)，包括功能區(qū)別和“有害影響”和“嚴重危害”的定義，將在國家管轄范圍之內(nèi)和之外產(chǎn)生深遠的影響。Levin et al. (2016)對可能使用的開采方法及潛在的影響進行評價，審查了可以反映出重大環(huán)境變化的閾值和指標，重點討論了海洋環(huán)境的特點特征，從生態(tài)系統(tǒng)的角度給出了嚴重危害和有害影響的定義。為了更好地評價海底采礦帶來的環(huán)境效應影響，有的學者提出了專家獨立審查和公眾投票的方法(Lallier et al.，2016)。

以上均是基于整個海底采礦過程給予的環(huán)境評價研究，除此之外，還有許多學者針對采礦過程中的某一小點或階段進行環(huán)境評價研究。如針對尾礦庫的環(huán)境影響評價：Mestre et al. (2017)利用波爾塔曼灣處尾礦沉積物的人工再懸浮，分析不同懸浮情況下的金屬濃度及毒性，并結(jié)合貽貝組織中的金屬濃度，評價對生物的影響，最后對開采時產(chǎn)生的羽狀流對尾礦區(qū)生物的影響有一個定量的評價。Thiel et al. (2014)通過仿真模型結(jié)合紅海海域水動力條件，計算了尾礦附近3000 km2區(qū)域的尾礦覆蓋情況及對物、島礁影響。

總而言之，目前主要的評價方法是利用沉積物中金屬離子濃度對生物生存的影響及運用數(shù)值模擬觀察沉積物濃度變化等手段進行環(huán)境影響評價。采礦環(huán)境影響評價體系，多從影響因素出發(fā)綜合分析，通過對生物活性的影響程度試圖對多金屬結(jié)核開采的影響進行定量評價。眾多專家學者都在討論采礦產(chǎn)生海洋物理化學條件的變化對生物活性的影響程度，并沒有將產(chǎn)生影響的本質(zhì)沉積物工程地質(zhì)性質(zhì)考慮在影響因素中，且還沒有一個成熟的模型可以模擬再懸浮沉積物的時空分布特征，沉積物羽流的擴散仍存在不確定性。還沒有一種評價模型，可以真正定量化地評估海底采礦帶來的環(huán)境影響。

5 結(jié)論與展望

本文圍繞多金屬結(jié)核開采潛在工程地質(zhì)環(huán)境影響，從多金屬結(jié)核的地質(zhì)背景、開采方式、工程地質(zhì)環(huán)境影響內(nèi)容、環(huán)境監(jiān)測與評價4個方面進行總結(jié)，梳理目前深海多金屬結(jié)核開采潛在工程地質(zhì)環(huán)境影響研究中存在的問題，并針對該問題進行了展望，具體如下：

(1)潛在多金屬結(jié)核開采區(qū)表層沉積物工程地質(zhì)特征不僅決定了采礦車的運動方式，還直接影響了結(jié)核開采過程中再懸浮沉積物的時空分布，是深海多金屬結(jié)核開采環(huán)境影響程度的決定性因素； 現(xiàn)有的研究在勘探區(qū)表層沉積物力學性質(zhì)的原位精準量測、工程地質(zhì)單元的精細劃分方面尚有不足，未來結(jié)核開采區(qū)表層沉積物土力學性質(zhì)的精準量測、工程地質(zhì)單元的精細劃分仍需進一步研究。

(2)現(xiàn)有的環(huán)境影響研究多落腳在生物活性上，對于擾動前后沉積物性質(zhì)的變化鮮有考慮，且對于水體中固體懸浮顆粒的時空分布特征分析模型尚未成熟，缺少原位監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型結(jié)果進行驗證，目前還無法實現(xiàn)海底采礦沉積物再懸浮后的運移分布特征的精準預測。未來針對海底沉積物動態(tài)變化、近海底水動力的長期原位監(jiān)測技術有待進一步研究，基于原位監(jiān)測數(shù)據(jù)修正的沉積物再懸浮運移分布精準預測模型將繼續(xù)建立。

(3)我國目前在多金屬結(jié)核開采研究中做了大量的調(diào)查工作，但仍未進行采礦環(huán)境擾動實驗，針對深海多金屬結(jié)核開采環(huán)境影響評價方法尚未建立，對于采礦產(chǎn)生的環(huán)境影響機制、再懸浮沉積物的時空演變規(guī)律、工程地質(zhì)環(huán)境的影響程度都有待進一步研究，未來可以考慮基于沉積物工程地質(zhì)特征變化對深海多金屬結(jié)核開采環(huán)境影響程度進行定量評價。