海底多金屬硫化物開采的環(huán)境影響分析及應(yīng)對策略

黃中華，謝 雅

（湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411104）

海底多金屬硫化物是海底高溫?zé)嵋夯顒拥漠a(chǎn)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(fā)現(xiàn)海底多金屬硫化物.2007 年，我國在西南印度洋中脊首次發(fā)現(xiàn)熱液區(qū).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(qū)，擁有了該礦區(qū)的專屬勘探權(quán)及優(yōu)先開發(fā)權(quán).2015 年以后，我國通過在西南印度洋“龍旂”等熱液區(qū)開展調(diào)查工作獲得了大量海底多金屬硫化物樣品及環(huán)境參數(shù).

圖1 熱液硫化物

目前，全球已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(kuò)張中心等區(qū)域，這些熱液噴口大多分布在水深800～5 000 m 之間.據(jù)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(qū)域.全球范圍內(nèi)具有商業(yè)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(qū)和西印度洋中脊區(qū)域［1-3］.

圖2 海底熱液噴口

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，深海熱液噴口附近存在著特殊的深海熱液生態(tài)系統(tǒng).在溫度高達(dá)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(yè)開采價值，許多國家和企業(yè)對海底多金屬硫化物的商業(yè)開采表現(xiàn)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(xiàn)有的海底多金屬硫化物采礦方案主要沿用海底多金屬結(jié)核和海底鈷結(jié)殼等海底固體礦產(chǎn)資源的開采技術(shù)方案，普遍認(rèn)為可行的海底多金屬硫化物采礦系統(tǒng)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(nèi)，礦體顆粒經(jīng)過篩選后運(yùn)送至海岸上，提升過程中管道內(nèi)的水重新排回海中［4-6］.

圖3 海底多金屬硫化物采礦系統(tǒng)圖

為了開采海底多金屬硫化物，國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)、學(xué)者開展了海底多金屬硫化物切削方案設(shè)計與切削性能試驗，結(jié)果表明：采用截齒切削海底多金屬硫化物在技術(shù)上是可行的，具有較高的切削效率［7］.法國鸚鵡螺礦業(yè)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(diǎn)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(shù)方案進(jìn)行分析和設(shè)計，認(rèn)為采用刀具切削海底多金屬硫化物的技術(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)可以知道，采礦活動發(fā)生在水深800～5 000 m 的海底區(qū)域，采礦過程對海底環(huán)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(huán)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(dǎo)致沉積層表面破壞，不僅會移除生物棲息地，還會產(chǎn)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(zhì).有毒物質(zhì)的釋放會污染礦區(qū)周圍環(huán)境，進(jìn)而威脅海底礦區(qū)生物群的安全，有可能導(dǎo)致食物鏈中所有營養(yǎng)層生物體的損失.海底多金屬硫化物采集對周圍環(huán)境的影響范圍與采礦過程的時長和海底潮流大小相關(guān)，當(dāng)采礦時間較長、潮流速度較大時，采集過程對周圍環(huán)境的影響范圍可以達(dá)到礦區(qū)外數(shù)千米.

海底多金屬硫化物采集過程中產(chǎn)生的沉積物水柱，在采礦活動結(jié)束后通常還會持續(xù)較長的時間，有的可達(dá)幾年.海底多金屬硫化物礦區(qū)環(huán)境有自我恢復(fù)能力，但恢復(fù)時長與熱液噴口的活躍度密切相關(guān).調(diào)查發(fā)現(xiàn)：活躍的熱液噴口環(huán)境恢復(fù)能力較強(qiáng)，采礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境在開采結(jié)束后幾年基本可以恢復(fù)到之前的狀態(tài)；在不活躍的熱液噴口環(huán)境恢復(fù)能力較弱，尤其化學(xué)污染的恢復(fù)可能需要在開采結(jié)束的幾十年才能基本恢復(fù).

盡管目前還沒有關(guān)于海底多金屬硫化物開采對環(huán)境影響的試驗研究報道，但關(guān)于海底多金屬結(jié)核采礦對環(huán)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(jié)核區(qū)開展了深海采礦環(huán)境研究（DOMES，1975—1980），德國在東南太平洋結(jié)核區(qū)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(tài)系統(tǒng)中的底棲生物調(diào)查（ECOBENT，1995—1998），美國、俄羅斯等國家和礦業(yè)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(huán)境造成多種潛在影響，環(huán)境影響主要發(fā)生在兩個水深帶，一個是海底，具體來說是在集礦機(jī)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(diǎn)附近.海底采礦對海洋環(huán)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(huán)境的影響

3 應(yīng)對策略

根據(jù)1982 年《聯(lián)合國海洋法公約》相關(guān)規(guī)定，開發(fā)礦區(qū)內(nèi)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(shù)，而且還要確保切削技術(shù)是環(huán)保的，不會對海底環(huán)境造成嚴(yán)重的影響.由此可見，要實(shí)現(xiàn)海底多金屬硫化物商業(yè)開采，可以根據(jù)如圖4 所示的應(yīng)對思路，通過協(xié)同開展綠色采礦技術(shù)與環(huán)境評價研究為海底多金屬硫化物的商業(yè)開采提供技術(shù)支持.

圖4 海底多金屬硫化物商業(yè)開采思路

3.1 海底多金屬硫化物綠色采礦技術(shù)

開展綠色采礦技術(shù)是降低采礦過程對環(huán)境影響的重要方式［14］.綠色采礦技術(shù)的重點(diǎn)是弱化海底采礦作業(yè)對海底環(huán)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(shù)對水力提升過程的礦石—水混合物進(jìn)行處理，減少采礦過程對采礦船底海域環(huán)境的影響；

（2）減少海底采礦機(jī)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(jī)構(gòu)、合理設(shè)計采礦機(jī)的浮力體以獲取合適的浮力，減少采礦過程對海底表層環(huán)境的影響；

（3）減少海底多金屬硫化物切削過程中細(xì)小顆粒的產(chǎn)生.可以改進(jìn)采礦機(jī)的切削裝置，合理設(shè)置切削系統(tǒng)參數(shù)和切削過程工作參數(shù)，減少采礦過程對海底環(huán)境的影響；

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

（5）開展羽狀流擴(kuò)散和沉積機(jī)理分析.通過數(shù)值模擬和模擬試驗方法，研究羽狀流擴(kuò)散和再沉積機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建包括海底揚(yáng)塵和羽狀流在內(nèi)的環(huán)境影響程度評估體系；

（6）開展海底環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù)研究，研發(fā)智能化深海環(huán)境探測裝備和觀測儀器，以便動態(tài)掌握海底采礦作業(yè)對生態(tài)環(huán)境的影響程度，開展觀測調(diào)查方法研究，以保證觀測數(shù)據(jù)真實(shí)有效.

3.2 海底多金屬硫化物采礦環(huán)境評價

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

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

（2）建立采礦區(qū)域環(huán)境影響評估技術(shù)體系.在海底多金屬硫化物商業(yè)開采前，有必要出具采礦區(qū)域環(huán)境影響評估報告，這需要構(gòu)建科學(xué)、合理的環(huán)境影響評估技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)海底揚(yáng)塵和羽狀流模擬，預(yù)報其演化過程.通過環(huán)境評估體系分析和預(yù)測深海采礦區(qū)域?qū)Νh(huán)境造成的不利影響，提出減輕對周圍環(huán)境影響的措施.

（3）加強(qiáng)采礦區(qū)域環(huán)境評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究.目前海底采礦過程環(huán)境評估受到基線數(shù)據(jù)、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的限制，對環(huán)境間接影響的評估不夠，對環(huán)境累積影響的分析不夠，難以準(zhǔn)確評估深海采礦過程對環(huán)境的影響.

4 結(jié)論

（1）海底多金屬硫化物開采將對海洋環(huán)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(shí)現(xiàn)海底多金屬硫化物的商業(yè)開采，有必要開展海底多金屬硫化物綠色采礦技術(shù)研究和環(huán)境評價研究，以確保海底采礦符合相關(guān)國際海洋法規(guī).