深海海底採礦與保護競賽

二月底，我們位於聖地亞哥海岸外 50 公里處，在 1000 米深的水域中保持位置。在我們的研究船“莎莉·萊德”號上，有八個集裝箱，每個都像一輛緊湊型汽車那麼大，裡面裝滿了從太平洋深海海底疏浚出來的沉積物。今天早上，我們將沉積物與海水在一個巨大的水箱中混合，並在一個小時內，我們將全部內容物透過一根寬大的排放軟管泵出，該軟管從船舷延伸到水下 60 米處。

六個小時裡，我們追蹤了一股顆粒羽流，它在洋流的拉動下向下游和遠離船隻的方向擴散。一個懸掛在船上的精密感測器陣列使我們能夠測量水柱中的羽流形狀和沉積物濃度，訊號越來越弱。

我們的目標是獲取關於一個緊迫問題的海洋資料，這個問題可能很快會對海洋產生重大影響：深海海底採礦。

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經過多年的思考，世界各地的政府和公司開始探索深海海底的貴重礦物，其中最主要的是鎳、銅和鈷。一種礦藏型別——含有這些金屬的拳頭大小的結核——位於水下數千米處。機器人採集機，每臺都像聯合收割機那麼大，將在海底爬行，吸起含有結核的頂部沉積物層，在其身後揚起一片沉積物雲。採集機將把結核泵入寬闊的、數公里長的管道，輸送到大型水面船隻上。船隻會篩選這些物質，每天分離出數百萬個緻密的金屬結核，並將剩餘的沉積物返回海中，向下排放羽流。

所有這些活動將如何影響海底和上方水域的生物？我們的排放測試是朝著解答這個問題邁出的早期一步。

全球對金屬的需求正在無情地增長。一些品位較高的陸基礦山正在枯竭。幾家公司，如全球海洋礦產資源公司 (GSR) 和英國海底資源公司，正在追求深海採礦，因為他們認為這可能比陸基採礦成本更低，尤其是在陸地生產商被迫轉向品位較低且更難開採的礦址時。

某些陸地上礦產資源不多的國家，如日本和韓國，希望透過在海洋中勘探來參與競爭，那裡的一些礦藏非常豐富。2017 年 9 月，日本石油天然氣和金屬國家公司進行了首次大型商業試驗之一。一個原型挖掘機從沖繩附近 1600 米深處、日本專屬經濟區 (EEZ)——其國家水域內——的礦藏中收集了數噸鋅和其他金屬。湯加和庫克群島等自身資源有限的小島國和地區，正在討論是否將專屬經濟區內的採礦權提供給外部投資者。國際海底管理局 (ISA) 負責監管國際水域的商業活動，已向來自 20 個國家的機構頒發了 28 個勘探許可證，用於對海底礦物進行取樣。

科學家們正在努力更多地瞭解潛在的破壞性影響以及可以採取哪些步驟來最大限度地減少這些影響。目前，政府、行業、國際海底管理局、大學和科學組織正在合作開展類似於我們的共同研究專案。與煤炭、石油、磷和其他自然資源的歷史不同，科學界有機會與各方合作，在大型開採業形成之前建立有效的保障措施，並確定海基採礦與陸基採礦的相對影響。

鎳、銅和鈷的回報

瑞典探險家在一個半世紀前首次在西伯利亞附近的卡拉海發現了海洋礦藏。19 世紀 70 年代，在著名的 HMS 挑戰者號遠征期間，這些寶藏得到了證實，這次遠征推動了現代海洋學的發展。在 20 世紀 70 年代，中央情報局策劃了一個精心設計的騙局，表面上是為了在太平洋中潛水尋找錳結核，實際上是為了掩蓋其挖掘沉沒的蘇聯潛艇 K-129 的企圖。但技術挑戰和低廉的礦物價格阻礙了實際的商業勘探。

過去十年，人們的興趣明顯增加。全球人口增長、城市化、消費增加以及嚴重依賴某些金屬的技術的積極發展，正在大幅推高市場預測。例如，目前全球每年對鎳的需求約為 200 萬噸，預計到 2030 年將增長 50%。陸基儲量約為 7600 萬噸。大致相同的數量以結核的形式存在於克拉里昂-克利珀頓斷裂帶 (CCFZ) 內的海底，這是一片從夏威夷延伸到下加利福尼亞半島的細長深淵平原。鈷的情況類似：該區域結核中的鈷儲量與陸地儲量約 700 萬噸相當甚至超過。

主要有三種有前景的礦藏形式。一種包括活躍和不活躍的熱液噴口——由火山活動開啟的裂縫，沿構造板塊邊界噴出熱物質。這些所謂的“海底塊狀硫化物”是富含銅、鋅、鉛和金等礦物的區域性礦藏。巴布亞紐幾內亞已授予加拿大公司諾蒂勒斯礦業公司許可證，在其專屬經濟區內的索爾瓦拉 1 號不活躍礦址開採這些硫化物。國際海底管理局已在國際水域的不活躍礦址授予了七份硫化物勘探合同。科學家呼籲暫停在活躍礦址進行採礦，因為那裡有獨特的生態系統。

第二種礦藏型別是鈷結殼，它在海山的硬巖山頂和側翼形成，因為金屬自然地從海水中沉澱出來。這種結殼生長非常緩慢，每百萬年僅生長几毫米，通常厚度達到 5 至 10 釐米。除了鈷之外，它們還含有鎳和其他所需的金屬。儘管國際海底管理局已在西太平洋發放了四份勘探許可證，但鈷結殼的開採具有挑戰性，因為它很難從下面的岩石上剝離結殼，而且巖面通常陡峭且難以在水下通行。

大多數深海採礦企業的目標是多金屬“錳”結核礦藏。（本文的其餘部分僅討論這種採礦。）結核散佈在海底，或部分埋在許多大片區域的沉積物中。它們在數千米深處形成，當金屬圍繞一塊碎屑從海水中沉澱出來時，形成一個核心，其直徑以每百萬年約一釐米的速度增長。

國際海底管理局已在 CCFZ 頒發了 16 份結核勘探許可證。儘管成分各不相同，但典型的結核中含有約 3% 重量百分比的鎳、銅和鈷，這些才是真正的寶藏。約 25% 是錳，如果大規模開採，將大大增加全球供應量。其餘大部分是沒有經濟價值的硬化材料。

結核是新黃金

對潛在礦址的勘測需要數月時間，使用船載儀器、自主水下航行器和從船上放下的箱形採集器來收集樣本。由於勘探區域非常大，測試樣本在整個區域內進行統計外推。如果結核濃度超過每平方米約 10 公斤，結核被少量或沒有沉積物覆蓋，因此易於拾取，並且海底坡度小於 10%，使得采集機易於管理（採集機通常在重型滾動履帶上爬行），勘探者認為該礦址在經濟上是可行的。

採礦作業的核心將是採集車，它由來自船上的電臍帶電纜供電。它將巡視海底，每天覆蓋約 50 公里，最有可能在結核礦區以公里級的網格模式來回行駛。自主潛水器將幫助引導它並監測周圍環境。

當採集器吸取或舀起結核和伴隨的沉積物時，它將對結核進行一些粗略的分離，將其身後不需要的沉積物以雲狀排出。一根帶有串聯泵的長軟管會將結核漿液輸送到作業船上——一種基於石油、天然氣和疏浚行業成熟技術的海上立管系統。船隻會分離結核，透過排放軟管將不需要的沉積物送回海中。大型貨船將把結核運送到陸地上的加工廠，在那裡提取所需的金屬。

經濟可行性研究表明，為了實現盈利，公司每年需要收集 300 萬噸乾結核，產生約 37,000 噸鎳、32,000 噸銅、6,000 噸鈷和 750,000 噸錳。

對生物的影響

國際海底管理局是根據《聯合國海洋法公約》(UNCLOS) 設立的，該公約要求締約國採取一切措施保護海洋環境。國際海底管理局授予面積為 150,000 平方公里的區域的勘探許可證。由於批准或加入《聯合國海洋法公約》的國家（167 個國家和歐盟）將國際海底視為“人類共同遺產”的資源，因此想要採礦的公司或組織必須由已批准該公約的國家贊助。在勘測完成後，公司將一個區域分成兩半，國際海底管理局決定將哪一半保留給發展中國家以供可能的開發。

研究表明，在公司 75,000 平方公里的區域中，很可能找到約 10,000 平方公里（約佔 CCFZ 的 0.2%）在經濟上可行的採礦區域。採集器將移除海底頂部 10 至 15 釐米的沉積物，並壓實該區域的海底。各種尺寸為 50 微米或更大的生物生活在結核上或沉積物中。這些生物中的大多數將因沖刷而死亡，或被沉積物雲沉降時窒息而死。

較小的微生物（如細菌）佔生物量的其餘部分。目前尚不清楚這些微小物種的狀況如何。它們將被沉積物揚起，並在數公里外沉降下來。那些依賴結核作為其生存基質的物種可能會表現不佳。鑑於結核需要數百萬年才能形成，並且遠離深海熱液噴口的生物群落髮展非常緩慢，因此，在任何人類時間尺度上，開採區域都不可能恢復。近 30 年前，德國研究人員使用雪橇在秘魯盆地 4100 米深處的海底挖掘了模擬採礦軌跡。當研究人員在 2015 年重新訪問這些軌跡時，這些軌跡看起來好像是剛剛建立的。

採集器沉積物羽流的影響是另一個令人擔憂的問題。深海中微弱的背景流（以每秒幾釐米的速度移動）可能會將沉積物顆粒輸送到遠離採集器作業地點的數公里之外。大部分沉積物都很細，直徑約為 0.02 毫米，典型的沉降速度約為每秒一毫米。來自高達 10 米左右的背景流中的採集器羽流的這種沉積物可能會傳播到離礦區約 10 公里遠的地方。

這種估計可能過於簡單化，因為細沉積物傾向於聚整合較大的絮凝物，絮凝物的沉降速度將快於單個顆粒，從而可能限制羽流的水平範圍。然而，深海中的背景沉積速率非常低——大約每 1000 年一毫米——生物學家認為，即使是採集器排放的痕量沉積物也可能使更遠處的海底生物窒息。壓實海底也是一個令人擔憂的問題。研究偶爾發生的深海風暴（深海風暴會沖刷海底沉積物）的影響可能會提供有價值的見解。

估計來自船舶的沉積物羽流對海洋環境和生態的影響具有挑戰性。上層海洋流速更快，湍流更多。排放軟管可以延伸到水下數百米。從中排出的沉積物羽流將呈大致圓錐形，規模為數十米，洋流會稀釋、扭曲和每天輸送數公里。在我們二月份在聖地亞哥海岸外進行的實驗中，我們用各種儀器追蹤了排放羽流。洋流使其呈蜿蜒狀，並形成相互纏繞的卷鬚。一種拖曳式水下裝置從卷鬚中採集了樣本。我們將需要一兩個月的時間來分析所有資料，並找出關鍵資訊，包括軟管附近和遠處的沉積物濃度是多少。

與此同時，研究人員正在努力確定採礦區生命損失在多大程度上會影響當地生物系統，以及鄰近的深海群落，甚至遠在數公里之外的群落。在 CCFZ 中，國際海底管理局已指定了九個大型保護區，並且還在制定在每個許可區內建立保護區的協議。專家將監測這些和其他地方，以觀察會出現什麼影響。

陸地與海洋採礦對比

權衡深海採礦與陸地採礦的環境利弊非常重要。例如，在剛果民主共和國，它供應了全球約 60% 的鈷，陸地採礦導致森林砍伐以及水和空氣汙染——並且還涉及童工。在一些國家，鎳礦開採公司正在耗盡相對容易獲得的礦藏，因此他們正在轉向更難開採的礦藏，這需要更多的能源和化學處理，從而導致更大的環境影響。

從海底採礦中運回岸上的結核加工設施也將產生陸地後果。如果一個結核中只有 30% 是所需的金屬，那麼 70% 是廢物，通常是漿液。陸地礦工通常會將這種漿液送回他們建立的洞中。來自數百萬個海洋結核的漿液將是必須找到去處的新物質。從好的方面來說，採集器和船舶可以離開一個區域並移動到新的區域；地表採礦基礎設施一旦建成，就很難移除。

為了減少開採和環境影響，社會必須制定有效的全球回收計劃。但僅靠回收無法跟上日益增長的需求。今天，很難說海底採礦在環境方面會比同等程度的陸基採礦更糟還是更好。

當然，監管將影響這一結果。國際海底管理局總部位於牙買加金斯敦，監管著地球一半以上的海底——在國際水域，也簡稱為“區域”。國際海底管理局沒有船隻來檢查作業，而是與贊助國分擔了這一責任。如果確定某個區域的採礦活動超過了環境影響標準，它可以撤銷公司或國家的許可證、暫停運營或處以罰款。

聯合國共有 14 個成員國簽署了《聯合國海洋法公約》但尚未批准——最值得注意的是美國——另有 15 個成員國尚未簽署該公約。這 29 個國家可能會試圖在國際水域採礦並無視國際海底管理局的法規。國際海底管理局將不得不呼籲全球政治來解決這種情況。

該組織釋出了“區域”的開發規章草案。它們旨在最終涵蓋從管理局如何批准或拒絕勘探和開發合同到承包商的義務以及海洋環境的保護和養護等所有內容。國際海底管理局預計到 2020 年將制定開發規章。各國將不得不為陸基結核加工設施制定自己的規章。

同樣有趣的是國家專屬經濟區內發生的事情。這些國家水域佔世界海洋的三分之一以上。一些國家在海岸 200 海里（370 公里）範圍內沒有“深海”。但其他國家，特別是太平洋島國，有深海。包括帛琉在內的一些國家已經明確表示拒絕任何海底採礦。包括湯加、吉里巴斯和庫克群島在內的其他國家和地區正在制定法規，因為它們正在尋求工業和國際合作夥伴。庫克群島已與總部位於美國的海洋礦產公司簽訂合同，該合同賦予該公司申請勘探該群島水域 23,000 平方公里富鈷結核的優先權。

這些行動表明，海底採礦有望成為現實。鑑於日益增長的經濟和戰略利益，一些國家可能會在未來 5 到 10 年內開始勘探性採礦。如前所述，日本已經開始。

一個有價值的前進方向是所有相關方像迄今為止所做的那樣進行合作，小型工業測試與急需的科學研究齊頭並進。事實上，關於 CCFZ 生態系統和資源的許多知識都來自與承包商相關的研究。例如，我們從聖地亞哥出發的考察是由麻省理工學院和斯克裡普斯海洋研究所聯合資助的專案，與國際海底管理局、美國地質調查局和 GSR 合作。2019 年，歐洲 JPI 海洋計劃將與國際海底管理局和 GSR 在 CCFZ 開展一項研究。

商業運營的一些指南和標準可以從現有行業中調整，另一些可能是全新的。如果各方能夠繼續合作，深海採礦可能會樹立全球基準。從歷史上看，法規一直落後於工業開採——想想水力壓裂法——迫使監管機構和公民試圖趕上。正如皮尤慈善信託基金會的康恩·紐金特所說，“有機會在採掘活動開始之前編寫管理該活動的規則手冊。”