海底多金属硫化物开采的环境影响分析及应对策略

黄中华，谢 雅

（湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411104）

海底多金属硫化物是海底高温热液活动的产物，也称为海底块状硫化物，富含Cu、Zn、Pb、Au、Ag 等金属，如图1 所示.1977 年，人类在东太平洋的加拉帕戈斯裂谷的热液喷口首次发现海底多金属硫化物.2007 年，我国在西南印度洋中脊首次发现热液区.2011 年，我国在印度洋国际海域成功申请了一块面积为1 万平方公里的多金属硫化物矿区，拥有了该矿区的专属勘探权及优先开发权.2015 年以后，我国通过在西南印度洋“龙旂”等热液区开展调查工作获得了大量海底多金属硫化物样品及环境参数.

图1 热液硫化物

目前，全球已经发现300 多个硫化物热液喷口，如图2 所示，主要分布于海洋中脊和弧后扩张中心等区域，这些热液喷口大多分布在水深800～5 000 m 之间.据估算，全球海底多金属硫化物资源的分布面积大约有320 万平方千米，接近60%的海底多金属硫化物资源位于国际海底区域.全球范围内具有商业开采价值的海底多金属硫化物资源主要集中在大西洋中脊、西太平洋弧后区和西印度洋中脊区域［1-3］.

图2 海底热液喷口

调查发现，深海热液喷口附近存在着特殊的深海热液生态系统.在温度高达350℃的热液口附近，生活有管状蠕虫、蛤、贻贝、蟹等海生动物，这些动物通过摄食热液喷口附近的微生物生存.

1 采矿方案

鉴于海底多金属硫化物有较高的商业开采价值，许多国家和企业对海底多金属硫化物的商业开采表现出很高的开采热情，但截至目前，还没有成熟的海底多金属硫化物采矿方案.现有的海底多金属硫化物采矿方案主要沿用海底多金属结核和海底钴结壳等海底固体矿产资源的开采技术方案，普遍认为可行的海底多金属硫化物采矿系统如图3 所示.采矿车在海底行走，采矿时采矿车位于海底多金属硫化物矿体前方，通常采用刀具切割矿体，切割后的矿体颗粒采用水力提升的方式通过管道提升至水面的采矿船内，矿体颗粒经过筛选后运送至海岸上，提升过程中管道内的水重新排回海中［4-6］.

图3 海底多金属硫化物采矿系统图

为了开采海底多金属硫化物，国内外多家机构、学者开展了海底多金属硫化物切削方案设计与切削性能试验，结果表明：采用截齿切削海底多金属硫化物在技术上是可行的，具有较高的切削效率［7］.法国鹦鹉螺矿业公司开展了海底多金属硫化物原位切削试验，试验所用切削装置为螺旋刀盘，在13 个试验地点成功采集了大约15 t 矿石［8-9］.阳宁等［10］对海底多金属硫化物采集技术方案进行分析和设计，认为采用刀具切削海底多金属硫化物的技术方案是可行的.

2 影响分析

从图3 所示的海底多金属硫化物采矿系统结构可以知道，采矿活动发生在水深800～5 000 m 的海底区域，采矿过程对海底环境潜在的影响包括沉积物和生物栖息地移动、光照、羽状流、噪声、振动等，对海洋上部环境的潜在影响包括光照、噪声、废水排放等.

具体来说，海底多金属硫化物采集时，矿体在刀具切割后会导致沉积层表面破坏，不仅会移除生物栖息地，还会产生含沉积物的柱状水柱.同时也会改变沉积物粒度的大小，释放出一些有毒物质.有毒物质的释放会污染矿区周围环境，进而威胁海底矿区生物群的安全，有可能导致食物链中所有营养层生物体的损失.海底多金属硫化物采集对周围环境的影响范围与采矿过程的时长和海底潮流大小相关，当采矿时间较长、潮流速度较大时，采集过程对周围环境的影响范围可以达到矿区外数千米.

海底多金属硫化物采集过程中产生的沉积物水柱，在采矿活动结束后通常还会持续较长的时间，有的可达几年.海底多金属硫化物矿区环境有自我恢复能力，但恢复时长与热液喷口的活跃度密切相关.调查发现：活跃的热液喷口环境恢复能力较强，采矿区的生态环境在开采结束后几年基本可以恢复到之前的状态；在不活跃的热液喷口环境恢复能力较弱，尤其化学污染的恢复可能需要在开采结束的几十年才能基本恢复.

尽管目前还没有关于海底多金属硫化物开采对环境影响的试验研究报道，但关于海底多金属结核采矿对环境影响的试验研究已开展多次，积累了比较丰富的研究成果.例如，美国在东太平洋结核区开展了深海采矿环境研究（DOMES，1975—1980），德国在东南太平洋结核区开展了扰动和再迁入试验研究（DISCOL，1985—1998），在东南太平洋开展了深海生态系统中的底栖生物调查（ECOBENT，1995—1998），美国、俄罗斯等国家和矿业公司合作开展了底层影响试验研究（BIE，1991—1998）［11-13］.

上述试验研究表明：海底采矿可能对海洋环境造成多种潜在影响，环境影响主要发生在两个水深带，一个是海底，具体来说是在集矿机采矿轨迹附近，另一个是在采矿船底部，具体来说是在尾矿排放点附近.海底采矿对海洋环境可能造成不可忽视的影响，如表1 所示.

表1 海底采矿对海洋环境的影响

3 应对策略

根据1982 年《联合国海洋法公约》相关规定，开发矿区内的海底多金属硫化物资源，不仅需要掌握海底多金属硫化物的切削技术，而且还要确保切削技术是环保的，不会对海底环境造成严重的影响.由此可见，要实现海底多金属硫化物商业开采，可以根据如图4 所示的应对思路，通过协同开展绿色采矿技术与环境评价研究为海底多金属硫化物的商业开采提供技术支持.

图4 海底多金属硫化物商业开采思路

3.1 海底多金属硫化物绿色采矿技术

开展绿色采矿技术是降低采矿过程对环境影响的重要方式［14］.绿色采矿技术的重点是弱化海底采矿作业对海底环境的影响，具体包括如下几个方面：

（1）减少采矿船甲板收集矿石过程中的污染物排放.可以采用高效脱水加废水处理技术对水力提升过程的矿石—水混合物进行处理，减少采矿过程对采矿船底海域环境的影响；

（2）减少海底采矿机采矿过程对海底沉积物的扰动.可以采用接地比压低的行走机构、合理设计采矿机的浮力体以获取合适的浮力，减少采矿过程对海底表层环境的影响；

（3）减少海底多金属硫化物切削过程中细小颗粒的产生.可以改进采矿机的切削装置，合理设置切削系统参数和切削过程工作参数，减少采矿过程对海底环境的影响；

（4）减少海底采矿过程中羽状流的扩散.可以通过设计合适形状的集矿罩和引流装置，实时控制集矿罩内的工作压力，避免羽状流的产生和扩散，减少采矿过程对海底环境的影响；

（5）开展羽状流扩散和沉积机理分析.通过数值模拟和模拟试验方法，研究羽状流扩散和再沉积机理，在此基础上，构建包括海底扬尘和羽状流在内的环境影响程度评估体系；

（6）开展海底环境自动监测技术研究，研发智能化深海环境探测装备和观测仪器，以便动态掌握海底采矿作业对生态环境的影响程度，开展观测调查方法研究，以保证观测数据真实有效.

3.2 海底多金属硫化物采矿环境评价

海底多金属硫化物采矿是一个动态过程，需要开展全过程环境评价研究，具体包括如下几个方面：

（1）注重全过程环境影响评价.目前还没有关于海底多金属硫化物采矿对环境影响的研究，其他海底矿物开采过程对环境的影响研究试验的规模均远小于商业开采.因此，对海底多金属硫化物采矿过程环境保护的研究，不仅要注重采矿前后海底环境的变化、生态系统恢复过程与时长的研究，还要注重采矿结束后环境的中长期恢复状况研究.

（2）建立采矿区域环境影响评估技术体系.在海底多金属硫化物商业开采前，有必要出具采矿区域环境影响评估报告，这需要构建科学、合理的环境影响评估技术体系，实现海底扬尘和羽状流模拟，预报其演化过程.通过环境评估体系分析和预测深海采矿区域将对环境造成的不利影响，提出减轻对周围环境影响的措施.

（3）加强采矿区域环境评估基础数据研究.目前海底采矿过程环境评估受到基线数据、矿区生态环境数据等基础数据的限制，对环境间接影响的评估不够，对环境累积影响的分析不够，难以准确评估深海采矿过程对环境的影响.

4 结论

（1）海底多金属硫化物开采将对海洋环境造成影响.采矿过程对海底潜在的影响包括沉积物和生物栖息地移动、羽状流、光照、噪声、振动等，对海洋上部的潜在影响包括光照、噪声、废水排放等.

（2）为了实现海底多金属硫化物的商业开采，有必要开展海底多金属硫化物绿色采矿技术研究和环境评价研究，以确保海底采矿符合相关国际海洋法规.