深海采矿环境：初步工程技术和环境评估
Jin S.Chung，Gerd Schriever，Rahul Sharma，Tetsuo Yamazaki
摘 要
有几组采矿工程师和环境科学家一直在对深海海底的环境影响和外加扰动进行评估研究。这些研究将对个别采矿系统及其子系统（深海矿产的采集、筛选、提升及海上输运）的发展产生影响。在太平洋和印度洋，也在进行一些实验来评估和预测深海采矿的潜在影响。
这些研究揭示了一些不为人知的物理、化学、生物和地球化学条件，采矿系统和一些潜在影响即是在这些条件下进行和产生的。然而，由于采矿系统在设计上的不定性和商业性开采与试验性开采及其实验在规模上的不同，很多结果都不能直接外推和应用。另外，由于受时间的限制和早期实验操作装置局限性的限制，仍然有许多未能解决的问题，如水柱中沉积物／水排放的潜在影响。
因此，建议分阶段地进行一项大规模的环境实验——在所选择的地点模拟海底结核矿的采集，及水体中沉积物的排放。该实验所得到的数据是很有用的，不仅能了解大规模采矿对海洋生态系统的潜在影响，而且对各采矿子系统设计的环境参数的统一也有帮助。这将是一项花费很大的实验，因此建议该实验应由愿意合作和分享资源、人力及经费的有关研究团体来承担。
1．背景和目标
三十年来，由于深海采矿具有开采大量矿产获取利润的潜能，可作为工业发展战略所需金属的可替代资源，所以它一直是几个研究组织感兴趣的主题。深海采矿是一项远距离的作业（离海岸几千英里），同时这些矿物形成在深海（水深5000－6000米），处于一些极端物理、化学条件（高压、低温）以及其他尚不明确的环境条件下，所以深海采矿将带来很多挑战。
近海和极地工程国际协会（ISOPE）已开始努力提供一些让科学家和工程师们聚在一起的机会（如通过举办会议和发行杂志等）进行交流、交换思想和分享研究成果及研究计划。在近海
和极地工程国际协会（ISOPE）的支持下，孕育成熟的第一届大洋采矿讨论会，于1995年在日本Tsukuba开幕，并成立了大洋采矿工作组（OMWG）。这一每两年举行一次的讨论会旨在向研究者们提供一个对该领域内最新研究成果进行分享和交流的论坛。在汉城举办的第二届大洋采矿讨论会（1997年）上，决定组织一次关于该研究领域内相关主题的专题讨论会，该讨论会将为研究活动指明方向，以便能够实现卓有成效的大洋采矿这一共同目的。为了达到这些目的，于1999年11月8－10日在印度果阿国家海洋局举行的第三届近海和极地工程国际协会大洋采矿会议上，组织并召开了一次深海采矿工程和环境评估专题讨论会。会议报告包括讨论会中有关环境方面问题的确定、论述和建议。在与会者的协助下，报告草案得以进一步探讨和补充。
2．深海采矿和相关研究的状况
最近三十年来，美国、加拿大、法国、德国、日本、俄罗斯、IOM（波兰及其他6个国家）、印度、韩国以及中国等各国科学家和工程师都在技术进步和大洋采矿的测试方面取得了相当大的进步。这些成就体现在如下四个方面：
* 调查和勘探
* 采矿系统开发
* 矿物选冶
* 环境研究
深海矿产的调查和探测已经引起了对矿产的分布、等级及其成因和与海底底层物及深海测量相关的矿物学、岩石学、沉积学等的详细研究。为了满足更快、更精确的调查和数据采集的要求，许多调查设备得以发展和应用，包括从自由降落装置、机械设备、原位实时照相、运载工具的遥控到遥感反向散射和海底浅层剖面数据的测量。
在70年代，国际财团在太平洋对一些实验性的采矿系统及其组成部分进行了测试。然而，自从1980年以后，进展缓慢，主要是因为不景气的金属市场导致了国际财团在80年代早期实质上已停止了对这方面的研究和开发。虽然有个别国家在80年代也加入了这方面的研究与开发，但在深海矿产的调查和采集方面还是大大延期了。不过有一些研究活动尽管处在一个较低的水平，但终究还是在进行；现今的研究者将这些研究活动简要地归结为两个方面（Chung和Tsurusaki，1994；Chung，1996）：自行式海底采矿车(Brink和Chung，1980）和拖曳式采样器（Chung和Tsurusaki，1994）。但是他们的进展是相当缓慢的。然而，在管道系统动力学和控制模拟研究中却取得了很大的进步。
一些国际财团已开发了锰结核选冶技术，包括一些探索性选冶技术的测试。但是所有的非成员都无权利用这些成果。最近有一些研究组织也在实验室进行了一些试验（Kojima，1997；Zhong等，1999；Premchand和Jana，1999）。中国和印度已将实验规模扩大到在小型实验工厂进行实验（Zhong等，1999；Premchand和Jana，1999），但是依靠1982年Black的处理方法，在原始的矿石中却含有72％－97％的多余的残渣。至于这些残渣进入陆地和海洋前的安全处理措施或者是否有其他用途，至今尚没有进行任何充分的研究。
由于深海采矿对环境影响逐渐受到人们的关注，所以在世界海洋不同区域已进行了多学科环境研究（海洋、地质、地球化学、生物、地质工程技术）。70年代，在对锰结核进行试验性开采期间对环境影响进行了初步研究（DOMES，1976；Burns等，1980；Ozturgut等，1980）；在其后近十年，在太平洋和印度洋进行了一些底层扰动实验（Foell等，1990；Trueblood，1993；Fukushima，1995；Tkatchenko等，1996；Sharma和Nath，1997）。这些研究包括在那些所建议的采矿区域对环境基线数据的采集，也包括建立一个可与未来采矿相对照而进行扰动实验的区域，其结果将被长期监测。目的是要预测矿物的开采对不同的环境参数的影响程度，以及评估深海环境的恢复和动物群体的再迁入。海底采矿的基础设备为一牵引式集矿机。
到目前为止，通过环境方面的研究，已经成功地获得了对动物群、生物群落及它们周围环境的不同影响。现在应该是总结该项工作的成果及确定进一步研究区域的时候了。这些进一步研究仍然应该旨在为工程师们采集一些数据，以便帮助他们设计一套具有最小环境扰动的采矿系统。
以下，对目前为止所作的主要研究加以简要叙述：
DOMES(深海开采环境研究）
深海开采环境研究（1972－1981）由美国国家海洋大气管理局负责实行，主要监测大洋采矿有限公司（OMI）和大洋采矿协会（OMA）于1978年在太平洋所作的两次小规模的采矿实验(Burn等，1980；Ozturgut等，1980）对环境的影响。他们测量了所释放的颗粒物浓度，并估算了对表层及底层羽状流的生态影响。
DISCOL（扰动和再迁入实验）和ATESEPP（东南太平洋深海区域工程技术的影响）
DISCOL（扰动和再迁入实验）是由德国汉堡大学于1988－1998年在太平洋秘鲁海盆进行的。在收集完扰动前所需的基本环境数据后，就用一梨耙系统在东南太平洋88W－07S 10.8km2范围内进行搅动（Foell等，1990）。然后分别于扰动后6个月、3年和7年进行研究，通过沉积样、深海牵引照相系统、海流计和浊度仪监测其影响和再迁入情况。实验结果表明，经过一段时间后，虽然有些底栖生物有一定程度的恢复，但是动物群落的组成与扰动前并不相同（Schriever等，1997）。这表明生态环境的完全恢复是一个缓慢的过程，一些底栖生物在密度和多样性方面甚至需要更长的时间才能复原。ATESEPP计划（东南太平洋深海区域工程技术的影响）又运用其他海洋影响方面的信息（附近和较远范围内的沉积物输送）和土壤的力学和地球化学特征，将此DISCOL计划向前推进了一步。经观察发现，对深海海底上层20厘米沉积物结构的扰动对地球化学条件产生了很大的影响。这项实验的结果表明扰动实验和观测的范围仍然太小。这种规模的实验花费很大，要求参加团体之间相互合作，不仅要共同分担实验进展和经费开支，还要共享技术、人力和其他资源（Thiel等，1991）。
NOAA-BIE（美国国家海洋和大气管理局－底层影响实验）
在太平洋克拉里昂－克利伯顿断裂带（CCFZ）所进行的底层影响实验，是由美国国家海洋大气管理局负责实施（1991－1993）。在事先选择好的地点进行一些基础研究之后，即在一面积为1503000米区域内应用DSSRS（沉积物再悬浮系统）拖拉49次，扰动后通过CTD和沉积物捕获器所取得的样品及矿样显示了该地区动物群分布方面的变化(Trueblood，1993）。9个月后的影响评定表明，虽然一些小型底栖生物在丰度上有所降低，但大型底栖生物在数量上却有所增加，很可能是由于食物来源增加的原因（Trueblood等，1997）。因此，可以预测底部有机体的再次沉积将是各方面影响综合的结果，而且这些影响无一定规律。反过来，再次沉积也决定于沉积－再悬浮的总体积和当地主导的海流模式。
JET（日本的深海影响实验）
日本的深海影响实验（JET，1994－97）是于1994年在太平洋CCFZ区由日本金属矿产公司进行的。扰动实验是在19个横断面沿着1600米长的路径进行的（Fukushima，1995）。通过沉积物样品、深海摄象机的操作、沉积物捕获器和海流计来评价其影响。结果表明，尽管实验后小型底栖生物的丰度在沉积区域立即下降并在两年后恢复到正常水平，但是生物的种类组成却发生了变化；而且，有些巨型和大型的底栖生物的丰度仍然要低于未扰动地区（Shirayama，1999）。观测结果进一步确认了有些种类的生物要比其他生物更容易受海底条件变化的影响。
IOM－BIE（国际海洋金属联合组织－底层影响实验）
底层影响实验由国际海洋金属联合组织（IOM）负责实施的，它是于1995年在CCFZ区通过DSSRS（沉积物再悬浮系统）进行的。在2002500米的范围内同时用14条拖船来实现扰动，其影响可通过深海摄像船和沉积物样品来观测（Tkatchenko et al.，1996）。结果发现在二次沉积地区小型底栖生物的丰度及生物群落的结构并没有发生显著的变化，但在干扰区域小型底栖生物的集聚有所变化（Radziejewska，1997；Radziejewska和Modlitba，1999）。这表明对动物群落组成的影响将随着扰动强度和距离远近而变化。
INDEX（印度深海环境实验）
印度果阿国家海洋局于1997年在中印度洋盆地事先选定的区域内为海洋发展局（印度政府）进行了印度深海环境实验（INDEX），在此之前已于1995－97年间对该区域进行了详细的基础研究。在面积为2003000米的区域内应用DSSRS（沉积物再悬浮系统）拖拉26次，在此期间，大约有6000m3的沉积物被再次悬浮（Sharma和Nath，1997）。扰动后影响评估研究表明了沉积物的垂向混合和悬浮物的侧向分散，以及对扰动范围以内和以外的微生物、小型底栖生物、大型底栖生物的不同影响（Ingole等，1999；Nair等，2000）。已计划对生物的再迁入和底层环境的恢复进行长期监测（Sharma，1999）。
3．深海采矿的潜在影响
可以预见在海底和排放残渣及废水的一定水域内，对环境的潜在影响将是很严重的（Thiel等，1997）。虽然，对海底及水体的影响是不可避免的，但在采矿设备的开发和采矿作业的设计上必须要考虑到这些，以便减少对环境的影响。由于从表层到1000米深度的区域对环境会产生相对更大的潜在危害，强烈建议应该将这些废弃物排放至最低含氧层以下（例如在太平洋的大部分地区都是在1000米）。这早在商业性的采矿活动之前就已被估算出来了。水体中一些可能的不同程度的影响可列举如下（ISA，1999）：
3.1 对底层的潜在影响
勘探时期主要来自于采矿试验的底层影响如下：
a）沿着采集结核的路线所受的直接影响，在这里结核矿被移走，沉积物和相应的动物群落将被碾碎或者在羽状流中分散。
b）在远离结核被移走的地点，亦即沉积物羽状流稳定的地方，底栖动物群落被窒息或埋葬。
c）悬浮物补给产生阻隔和沉积物补给的减少。
3.2 水体中的潜在影响
在温跃层以下残渣和废水的排放可能会导致对浮游动物的伤害：
a）栖息于中等深度的水体或由于昼夜、季节、个体发育的原因迁入到中层水的浮游动物的死亡率。
b）由沉积物羽状流或相关的金属核素所引起的对深海中层及深层水中的鱼类和其他自游生物的直接影响，或者由它们的捕食间接产生的影响。
c）对海洋深潜哺乳类的影响，例如通过它们的捕获物的多与少对其产生的影响。
d）由于额外进入海洋中层和深层区域的细粒沉积物所进入对浮游细菌的影响。
e）细菌在悬浮颗粒物上的生长对氧的消耗。
f）沉积物和微量金属对鱼类活动和死亡率的影响。
g）废物排放对浮游动物的死亡率和浮游动物种类组成的影响。
h）在最低含氧区中重金属（如铜和铅）的溶解以及它们进入食物链的可能。
i）在羽状流中由于滤除颗粒物可能对浮游动物构成的障碍。
3.3 上层水体中的潜在影响
如果残渣、沉积物和废水被排放至近表层的水体中或者是温跃层以上，那么对以上所列各条还将产生一些其它影响：
a）采矿试验残渣的排放会引起表层水中痕量金属在生物体内积累的潜在影响。
b）由于表层排放对浮游植物的抑制而造成的初级生产力下降。
c）来自于表层排放的痕量金属对浮游植物的影响。
d）由采矿作业所引起的对海洋哺乳动物行为的影响。
4．深海采矿的环境因素
为了将其影响减低到最低水平，在深海采矿系统的设计时需要考虑以下措施：
* 减少集矿机和采矿车对沉积物的穿透。
* 避免对更加坚固的底部沉积层的扰动。
* 减少涡流上升进入近底水层的沉积物的量。
* 促使采矿以后羽状流的高速再次沉积。
* 减少输送到大洋表层的沉积物和磨损的结核微粒。
* 减少释放到深海和半深海的残渣。
* 通过增加残渣的沉积速率来减少它的漂移。
5．深海采矿的工程因素
5.1 采样器的类型和提升装置
在DISCOL（扰动和再迁入）实验与其他BIE（底层影响实验）之间，对海底扰动的装置是不相同的。在DISCO实验中，重点是对海底进行梨耕，而BIE集中于海底沉积物的再次悬浮。这两种操作方法所用的器械都是以牵引式集矿机为基础，在他们的采矿计划说明书中可相互补充。若用牵引式集矿机来研究对海底的潜在影响，将这两者结合起来将是一个更为实际的方法。
沉积物羽状流的增加除了来自于海底采矿活动所产生的扰动外，还来自于采矿后位于海底的沉积物离散后所产生的扰动。对于自动式采矿机／集矿机系统（Brink和Chung，1980），采矿活动在海底表层所产生的扰动与牵引集矿机是不同的。将有更多的沉积物从海底上方缓冲区中的结核矿中释放出来。来自于海底表层或者排放层位的沉积物和破碎的结核矿的排放可能会增加对海底表层附近的扰动。另外，如果要在海上完成一些处理过程，将有大量的残渣和化学物质必须要进行安全处理（Park，Min和Chung，1997）。
以下讨论是关于以牵引式集矿机为基础的工程设计对环境的影响，仅限于海底。
5.2 沉积物的恢复和排放
DISCOL和BIEs的操作时间（DISCOL：两周；BIEs：几十个小时，18－88小时）相对于任何大规模的采矿操作时间（每年要持续300天左右）（Thiel等，1991）来说都要少得多。不同的BIE实验的扰动路径一般在一狭长的200－300米宽度内从33米至144米不等，其相应的面积也比商业采矿的面积要小得多（例如大约在300－600km2）。同样，其沉积物的开采速率（报告中估计值为1.5m3／min）也仅相当于商业采矿中沉积物开采速率（54000m3／day，即37.5m3／min）的百分之几。因此，就沉积物二次悬浮来说，这些都可以认为是小规模的实验。建议做一次相对大规模的实验来研究这种扰动对底层生态系统的影响。
5.3 矿物挖掘的深度
尽管由于现场沉积物的特征和厚度不同，难以估计在底层影响实验中所挖掘沉积物的深度，但平均来说大概为3－5厘米。这对于结核矿的开采已经足够了，因为大多数结核矿只有4－5cm的厚度，而且经常暴露于地表。然而，要开采埋藏于海底以下5－10cm的结核矿，比如在中印度洋海盆所观测到的结核矿（Schriever和Thiel，1992），就要求更高效率的结核矿集矿机。在DISCO实验区域，半流动状的覆盖层厚度有12cm（Schriever和Thiel，1992），结核矿的直径为 12－20cm。这表明，在采矿操作期间，集矿机可直接穿过沉积层到达这一深度，并完全破坏这一层。
5.4 实验后的再次沉积
在JET实验（日本深海影响实验）中，所估计的再次沉积的最大厚度为2.6mm，也就是大约为通常所说商业采矿预期值的13％（Yamazaki和Kajitani，1999）。在十字板抗剪切强度和灵敏度及IkPa压强下结核矿的开采阻力的垂直剖面的基础上，由商业规模集矿机所开采的沉积物覆盖层厚度经计算可达57mm(Yamazaki等，1991）。
6．一些尚待回答的问题
尽管我们做了很多实验，并在未来采矿活动可能造成影响的有限数据的基础上进行了计算，但仍然有很多问题尚待回答。其中一些可包括：
1）和底层水混合在一起的污水及释放于表层的残骸可能会产生什么影响？
2）采样装置或采矿／采样车在海底探测的活动可能会有什么影响？
3）在自由表面以下的水体中，所排放的废水达到什么标准才能被接受？
4）悬浮于水体中的结核矿的输送管道或其他子系统（如缓冲器）的卸载可能有什么影响？
5）海底附近悬浮起来的沉积物如何再次沉降和分布？
6）在不同深度的区域内所进行的深海采矿对海洋中不同的子系统的食物链及其活动的影响如何？
7）能否发现深海矿物中大量残渣的其它用途？
8）为了使底层生物群落能够再度迁入和重建，每一次开采的最佳面积是多少？
9）为了降低对海洋生态系统的影响，应在采矿体系上如何变更？环境实验应向工程提供什么数据？
10）在指示环境影响时哪些关键性的参数才是有用的，以及如何安排它们的优先次序？
11）在申请开采区域时，应要求承包人提供哪些成果、数据和声明？
12）在下一个20年内，哪一个或哪些采矿系统可作为环境试验方面的基础？我们如何去分类和说明某个或某些具有实现可能的采矿体系或采样体系，并将其限定在1－2个体系的范围？
13）关于海上加工，我们期待获得哪些参数？
14）为了对来自于船上、管道、缓冲器和采矿机／集矿机受到污染的水或废水进行陆地处理和海上处理，我们如何将其分类和鉴别？
15）总结以上13和14两点，我们如何去找到一条可以建立扰动流模型的方法或者进行组合扰动试验的方法，且去检验这个模型？
16）我们如何去准备扰动和精炼废弃物以及如何去总结这些来自于牵引式集矿机和采矿车／采样车的试验参数？
17）在环境试验计划中，我们留了多少空间给那些未被确认的深海问题？
18）我们如何将有关底层扰动的试验数据和其他影响互相结合起来？
以下几个问题将影响到工程设计，并且还未引起人们的关注，如：
①在下一个20年内，哪一个或哪些采矿体系可作为环境试验方面的基础？现在，对商业规模的采矿很难进行明确规定，因为商业体系的大小和类型很可能是不相同的，这主要依赖于结核元素和生产目的，并随着金属市场的形式而变。因而我们应该作些设想。
②我们如何去总结这些来自于牵引式集矿机和采矿车／采样车的试验参数？
③我们留了多少空间给那些未被确认的深海问题所进行的环境试验计划？
④在环境方面受到更多支持的采矿体系设计和操作中，我们如何将有关底层扰动的试验数据和其他影响互相结合起来？
7. 结论和建议
主要的结论和建议如下：
* 与代表性的结核采矿体系产生的扰动相比较而言，所做实验的规模太小。
* 商业性采矿所扰动的地球化学条件和生态学条件的再建将是一个相当长的时期。
* 科学已经证明底层环境将是整个生态系统中所受影响最大的部分，它将在很大程度上依赖于采矿设计，同时也会影响采矿设计。
然而，在进行商业性采矿之前，尚有许多问题需要回答和解决。为了达到深海采矿同时仅带来一些可以让世人接受的环境影响这一伟大目的，广大的环境科学家和工程师应该通力合作。
这一最大的目标可通过大家共同致力于进行一项大规模的海洋环境扰动实验来完成。在实验的规模上应能代表商业性深海采矿。进行这种规模的实验的花费将是很大的，而且要有合作精神，不仅要参加各方分担开发和操作费用，而且要共同分享技术、人力和其他资源。
在做这项大规模的环境实验中，对于那些感兴趣的国家和团体来说，一个比较现实的方法就是形成合作联盟。附录一即给出了一个草案。这还需要所有参加的当事人进一步讨论，以便为这项实验制定一套详细的方案。
（中科院广州地球化学研究所 王虎译，周怀阳校）