丁忠軍,孫永福,高偉,任玉剛

(1.國(guó)家深?；毓芾碇行?青島 266237;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 青島 266237)

0 引言

深海擁有豐富的金屬礦產(chǎn)資源,隨著深海資源勘查評(píng)估工作的不斷深入以及深海采礦裝備技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,深海礦產(chǎn)資源勘探開(kāi)發(fā)活動(dòng)進(jìn)入了高度活躍時(shí)期,從國(guó)際海域礦區(qū)申請(qǐng)來(lái)看,2010年僅7塊礦區(qū),到2019年猛增到了29塊礦區(qū)(ISA)。即20世紀(jì)70年代國(guó)際上首次完成深海采礦試驗(yàn)以來(lái),隨著韓國(guó)、日本、印度等幾個(gè)國(guó)家的深海采礦試驗(yàn)工作開(kāi)展,沉寂了幾十年的深海采礦再度活躍起來(lái)。

同時(shí),金屬礦產(chǎn)資源在深海海底廣泛分布,這意味著商業(yè)化的深海采礦活動(dòng)啟動(dòng)后幾乎整個(gè)深海海底均會(huì)造成破壞,如不加深對(duì)深海采礦環(huán)境影響的研究以制定必要措施實(shí)施環(huán)境保護(hù)性開(kāi)發(fā),深海采礦對(duì)深海環(huán)境的破壞將不可估量,甚至是毀滅性的。

深海采礦是一項(xiàng)大型人類(lèi)活動(dòng),從目前主流的深海采礦工藝和裝備來(lái)看,主要采用海底集礦、管道提升輸送和水面選礦等方式,作業(yè)過(guò)程中,底層物質(zhì)移除、沉積物羽流生成,以及廢棄物排放,既對(duì)海底形貌不可避免地產(chǎn)生破壞,又對(duì)整個(gè)水體和海洋表層產(chǎn)生重要影響,除此之外采礦系統(tǒng)運(yùn)行的聲光電磁噪聲的影響也不可忽視[1],與海洋漁業(yè)生產(chǎn)、油氣生產(chǎn)以及水上運(yùn)輸相比,對(duì)于極端脆弱的深海生態(tài)環(huán)境而言,其破壞性嚴(yán)重得多。

為了研究深海結(jié)核采礦活動(dòng)擾動(dòng)的生態(tài)環(huán)境響應(yīng),國(guó)際上與20世紀(jì)70年代結(jié)核試采同步先后開(kāi)展了幾個(gè)深海環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃,如DOMES、MESEDA、DISCOL、ATESEPP等,并持續(xù)報(bào)道一系列研究成果[2-3]。由于目前對(duì)海洋生命特性、生物地理學(xué)分布以及深海生物,尤其底棲生物的連通性了解的極少,對(duì)計(jì)劃投入的采礦技術(shù)以及規(guī)模還在研究,深海采礦的影響是否能夠在時(shí)間和空間上得到控制,是否會(huì)產(chǎn)生持續(xù)和大面積的影響很難預(yù)測(cè)?？梢灶A(yù)測(cè)的是,如果產(chǎn)生大規(guī)模持續(xù)的海底環(huán)境變化,將會(huì)導(dǎo)致近底生物群落的長(zhǎng)期變化,可能會(huì)加大因大洋暖化和酸化造成的生態(tài)系統(tǒng)壓力[4]。

深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的前提是對(duì)采礦環(huán)境影響取得全面深入的認(rèn)識(shí),并能提出應(yīng)對(duì)措施,由于深海環(huán)境極其復(fù)雜,需要長(zhǎng)期深入開(kāi)展監(jiān)測(cè)研究,開(kāi)展監(jiān)測(cè)研究必須研發(fā)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù),反之,研發(fā)深海采礦環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù),必須了解深海采礦環(huán)境監(jiān)測(cè)研究的需要。本研究從深海礦產(chǎn)資源現(xiàn)狀、深海采礦環(huán)境影響的因素、深海采礦環(huán)境監(jiān)測(cè)研究需求以及國(guó)際上采礦實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃實(shí)施情況等幾方面全鏈條系統(tǒng)地梳理了前人的研究成果,提出了深海采礦環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向,以期為今后全面開(kāi)展深海采礦環(huán)境監(jiān)測(cè)研究提供參考。

1 深海金屬礦產(chǎn)資源分布

深海存在大量礦產(chǎn)資源,目前5種礦產(chǎn)資源被普遍認(rèn)為具有潛在的商業(yè)開(kāi)發(fā)前景,包括鐵錳結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物、多金屬軟泥和磷灰?guī)r結(jié)核。其中:鐵錳結(jié)核又稱(chēng)多金屬結(jié)核,廣泛分布在深海海盆,尤其太平洋最為豐富;富鈷結(jié)殼主要分布在800～2 500 m水深,沒(méi)有沉積物覆蓋的海山及其斜坡上;海底多金屬硫化物主要形成在熱液噴口區(qū);多金屬軟泥,目前僅在紅海中央?yún)^(qū)域被發(fā)現(xiàn);磷灰?guī)r結(jié)核,多分布在200～400 m水深的陸坡上?？紤]到磷灰?guī)r結(jié)核多用于制造磷肥,多金屬軟泥區(qū)域比較集中,本研究主要以多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等3種主要金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采為主,討論深海采礦環(huán)境影響監(jiān)測(cè)問(wèn)題[4]。

1.1 多金屬鐵錳結(jié)核

多金屬鐵錳結(jié)核最早由C.W.Thomson在1873年3月7日英國(guó)皇家海軍探險(xiǎn)期間發(fā)現(xiàn)的。主要在水成作用、成巖作用和熱液流體沉積作用下生成的,外形呈不規(guī)則球形,類(lèi)似土豆,二維分布于沉積物表面,主要分布在4 000～6 000 m的大洋深水區(qū)。

目前發(fā)現(xiàn)具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦區(qū)主要有東北太平洋CC區(qū)(Clarion-Clipperton Zone),中印度洋盆、庫(kù)克群島海區(qū)和秘魯海盆[5]。由于含有較高豐度的Ni,Cu,Co,Mo,Li,REE和Ga等貴重金屬元素[6],東北太平洋、中印度洋的結(jié)核經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高。一些淺海如波羅的海也發(fā)現(xiàn)了鐵錳結(jié)核,由于其金屬品位低,所以經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高。

(1)CC區(qū)礦區(qū)存儲(chǔ)情況。CC區(qū)具有大面積連續(xù)的集合分布,大約400萬(wàn)km2,幾乎和整個(gè)歐洲的面積相同(ISA 2010),在太平洋中心,赤道北部,夏威夷和墨西哥中間。在水成作用和成巖作用下生成的,成巖作用的比例可達(dá)80%,由CC區(qū)東部經(jīng)過(guò)中心區(qū)域到西部逐漸增高[7]。這導(dǎo)致了鈷元素和稀土含量從中心到西部逐漸略有增大。與結(jié)核分布豐度的變化相比,整個(gè)CC區(qū)結(jié)核化學(xué)組成是極其穩(wěn)定的。CC區(qū)東部結(jié)核化學(xué)組成變化系數(shù)(Co V)小于10%而豐度變化大于30%。結(jié)核豐度濕重0～30 kg/m2,平均15 kg/m2,錳結(jié)核總量估計(jì)可達(dá)210億t,錳含量估計(jì)可達(dá)6億t,錳的總量估計(jì)與全球陸地錳的儲(chǔ)量相等,而Ni,Co,Y,Tl可是全球陸地儲(chǔ)量的幾倍[8]。

(2)秘魯海盆存儲(chǔ)情況。秘魯海盆距離秘魯沿岸約3 000 km,面積大約是CC區(qū)的一半。鐵錳結(jié)核豐度平均10 kg/m2,而在4 250 m水深的碳酸鹽補(bǔ)償區(qū)最大豐度高達(dá)50 kg/m2[9],與CC區(qū)相比,一個(gè)顯著的不同是,秘魯海盆大部分區(qū)域靠近或淺于碳酸鹽補(bǔ)償區(qū),導(dǎo)致了其碳酸鹽含量高于50%,而CC區(qū)結(jié)核碳酸鹽含量極小,一般小于1%,多含有硅質(zhì)軟泥和深海黏土[10-11]。秘魯海盆多金屬結(jié)核鎳、鉬含量與CC區(qū)類(lèi)似,銅、鈷和稀土含量較低,鋰錳含量較高。目前的礦物學(xué)研究表明秘魯海盆和CC區(qū)海底表面結(jié)核含有同樣類(lèi)型的失序?qū)訝铄i[12]。秘魯海盆與CC區(qū)結(jié)核金屬含量的不同主要原因在于成礦機(jī)制,CC區(qū)結(jié)核分布在高缺氧成巖作用層和低水作用層[13]。

(3)庫(kù)克群島專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)存儲(chǔ)情況。庫(kù)克群島專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)位于西南太平洋,包括彭里斯和薩摩亞海盆約200萬(wàn)km2,海盆深度大于4 700 m,沉積物主要由富沸石深海黏土組成,包含少量的火山玻璃、鐵錳氧化物、磷酸鹽碎屑、生物碳酸鹽和硅碎屑[14]。該區(qū)域的特征是低沉積率、低有機(jī)物通量、高核心物質(zhì)、強(qiáng)底流。長(zhǎng)期不變的深海環(huán)境,海底和沉積物內(nèi)氧的狀況長(zhǎng)期不變,導(dǎo)致了緩慢生長(zhǎng),平均1.9 mm/Myr的水生鐵錳結(jié)核形成,這類(lèi)結(jié)核含 有 大 量 的 鈷(0.41%)、鈦(1.20%)、REY(0.17%)、鋯(524μg/g),但鎳、銅含量較低,分別是0.38%和0.23%。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),潛在勘探區(qū)豐度19～45 kg/m2,在個(gè)別區(qū)域最大可達(dá)58 kg/m2[15]。

(4)中印度洋海盆存儲(chǔ)情況。中印度洋海盆具有潛在經(jīng)濟(jì)利益的結(jié)核區(qū)位于10°S—16°30'S,72°E—80°E,水深3 000～6 000 m,面積約70萬(wàn)km2。該區(qū)域的結(jié)核富集區(qū)被稱(chēng)為印度洋結(jié)核區(qū)(IONF),面積大約30萬(wàn)km2[16],結(jié)核總量約14億t,平均豐度為4.5 kg/m2,銅鈷鎳含量約為2 184萬(wàn)t,還含有高濃度的鉛和稀土元素。其結(jié)核分布豐度極其不平均,差別較大,與該區(qū)域存在大量的海山和斷層相關(guān)[17],印度洋結(jié)核區(qū)包括幾個(gè)不同的扇區(qū),不同的扇區(qū)結(jié)核形成的模式略有變化,其Mn/Fe比例在1.8～4.8變化,而Ni、Cu、和Co的總含量基本不變,在2.48%～2.53%。礦物學(xué)組成涵蓋了復(fù)水錳礦、水鈉錳礦和鋇鎂錳礦,表明結(jié)核生成的水成作用和成巖作用相比例是變化的[18]。不同扇區(qū)硅質(zhì)軟泥、陸源物質(zhì)和深海紅色軟泥含量是不同的。沉積速率從IONF北部的9 mm/kyr下降到了南部的1 mm/kyr[18]。結(jié)核的化學(xué)和礦物學(xué)組成及沉積環(huán)境特征表明結(jié)核生成的機(jī)制與CC區(qū)是類(lèi)似的,兩個(gè)區(qū)結(jié)核的不同主要是豐度,印度洋結(jié)核區(qū)結(jié)核豐度明顯高于CC區(qū),主要原因可能是較低的沉積速率和較高的陸源物質(zhì)輸入。

除了以上幾個(gè)主要勘查區(qū)外,世界大洋其他海區(qū)也有結(jié)核分布,如大西洋海。波羅的海發(fā)現(xiàn)了快速生長(zhǎng)的成巖作用錳結(jié)核,在里加、芬蘭和波的尼亞海灣幾十米到150 m的淺海海灣也發(fā)現(xiàn)了10～40 kg/m2的高豐度結(jié)核,面積覆蓋幾百平方千米。

1.2 富鈷結(jié)殼

富鈷鐵錳結(jié)殼在全球大洋均有發(fā)現(xiàn),主要生長(zhǎng)在水下海底火山或平頂海山的山頂、斜坡和臺(tái)地上,該區(qū)域由于洋流的作用,幾百萬(wàn)年鮮有沉積物沉積,水下平頂海山的山頂也發(fā)現(xiàn)有水成結(jié)核[19]。

估計(jì)西北太平洋有5萬(wàn)座海山具有結(jié)殼分布,該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了最富的結(jié)殼礦。中太平洋海盆海山斜坡上采樣發(fā)現(xiàn)的結(jié)殼,厚度達(dá)8 cm,生長(zhǎng)在火山玻璃碎屑基巖上。厚的富金屬結(jié)殼一般生長(zhǎng)在海山山頂外緣、海山平臺(tái)以及山脊上[20]。海山斜坡階地也有結(jié)殼分布,經(jīng)常伴生水成作用結(jié)核,還有一些小的結(jié)殼碎片。具有經(jīng)濟(jì)利益的結(jié)殼一般鈷鎳含量較高,大多分布在800～3 000 m水深。大西洋和印度洋的海山包括水下海山山脈遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于西太平洋,因此高豐度結(jié)殼礦發(fā)現(xiàn)的前景很小。

結(jié)殼的分布和組成是復(fù)雜的,主要受海山形貌、海流、物質(zhì)坡移、基巖類(lèi)型、沉積年齡、沉降歷史以及氣候影響造成的大洋表層生物生產(chǎn)率。這些潛在金屬資源的區(qū)域重要性最終依賴(lài)結(jié)殼的分布、礦區(qū)小尺度形貌、礦物品位、儲(chǔ)量以及水深范圍。通常結(jié)殼層生長(zhǎng)的基巖形貌在厘米-分米尺度變化。圓形的巨石和火山流構(gòu)造形貌在結(jié)殼表面得到了再現(xiàn),小尺度構(gòu)造形貌經(jīng)常表現(xiàn)出多節(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)。基巖完全覆蓋的結(jié)殼厚度3～5 cm,其局部豐度可達(dá)濕重50～90 kg/m2。

與結(jié)核相比,結(jié)殼一般僅僅固結(jié)在基巖上。在中太平洋16°～18°海山斜坡上發(fā)現(xiàn)了一些米到分米級(jí)的結(jié)殼碎片受自然過(guò)程影響正從基巖上脫離下滑脫落并破碎分解[21]。結(jié)殼碎片脫離的斜坡一般比較光滑,脫離區(qū)域上方結(jié)殼發(fā)現(xiàn)了縱橫交錯(cuò)的收縮裂縫,估計(jì)是隨著鐵錳物質(zhì)成熟度的升高孔隙度和含水率相應(yīng)減少致使富水沉積物脫水造成的。體積的逐漸減小引起了收縮裂縫的形成,在重力作用下產(chǎn)生了滑塌并形成了一些小的結(jié)殼碎片。

1.3 海底多金屬硫化物

海底多金屬硫化物主要分布在熱液噴口區(qū)。熱液噴口及其化能合成生物群落以及塊狀硫化物最早于1976年由“阿爾文”號(hào)載人潛水器在加拉帕戈斯裂谷發(fā)現(xiàn)的,是20世紀(jì)重大的海洋科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。由于熱液噴口具有大量的高濃度金屬物質(zhì)排放至海底,該發(fā)現(xiàn)具有重要的基礎(chǔ)研究意義和經(jīng)濟(jì)意義。

海底熱液系統(tǒng)分布及海底硫化物礦具有全球特征。目前已知的活動(dòng)熱液點(diǎn)接近了500個(gè),估計(jì)數(shù)量可能提高數(shù)倍。根據(jù)目前已知海底硫化物礦藏研究結(jié)果,估計(jì)在現(xiàn)代海底可能存在1 000～5 000個(gè)大型硫化物礦,這些礦區(qū)約58%在國(guó)家管轄海域以外,36%在專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū),6%在各國(guó)大陸架及延伸區(qū)[22]。海底硫化物礦所處位置具有顯著的地質(zhì)多樣性,如大洋中脊和島弧系統(tǒng)。

海底硫化物礦藏的形貌由熱液系統(tǒng)的演化階段及其所處的不同的地質(zhì)背景決定的。黑煙囪是典型的熱液礦藏形成的初級(jí)階段,已發(fā)現(xiàn)的黑煙囪高度從幾厘米到45 m[23]。在中速擴(kuò)張的胡安·德富卡洋脊發(fā)現(xiàn)的玄武巖為主的活動(dòng)噴口,陡峭的硫化物煙囪體一般幾十米高,存在多個(gè)活動(dòng)的高溫流體排放點(diǎn)[24]。在慢速擴(kuò)張的大西洋中脊發(fā)現(xiàn)了像森林一樣的超基性巖煙囪堆積體,30～40 cm高,每平方米接近10個(gè)。除了煙囪外,在TAG熱液區(qū)和其他的熱液區(qū)還發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似蜂窩狀的熱液噴口。

煙囪坍塌后,硫化物碎片堆積成為小丘,即硫化物堆積體,在加拉帕戈斯和胡安·德富卡洋脊廣泛分布,胡安·德富卡洋脊Zephyr小丘高26 m直徑達(dá)90 m,是該區(qū)域最大的單個(gè)硫化物堆積體[25]。TAG熱液區(qū)的Mir小丘直徑40～50 m高,直徑達(dá)200 m,巨大的體積是長(zhǎng)期堆積形成的,最長(zhǎng)約達(dá)5萬(wàn)年[26],除了洋中脊外,直徑幾百米,高數(shù)十米的巨大的硫化物丘狀堆積體也在其他地質(zhì)背景被發(fā)現(xiàn),如Middle裂谷[27]和Okinawa海溝[28]。硫化物堆積體最終聚集成堆,礦體的近底三維成像技術(shù)有助于采礦作業(yè)。

2 深海采礦潛在的環(huán)境影響因素

將幾百米直至數(shù)千米的海底金屬礦物采集并運(yùn)輸?shù)剿?是一項(xiàng)大型的人類(lèi)活動(dòng),目前主流的深海采礦工藝和裝備來(lái)看,主要采用海底集礦、管道或者鏈桶提升輸送、水面支持母船選礦、水下尾礦排放等方式。環(huán)境影響的主要因素有底層物質(zhì)遷移、環(huán)境水遷移、光和噪聲的產(chǎn)生、作業(yè)沉積物羽流的產(chǎn)生、沉積物(尾礦)排放羽流產(chǎn)生、有毒物質(zhì)釋放、海水酸化、溶解氧耗竭、棲息地改變、外來(lái)物種或致病物質(zhì)輸入等幾方面[27]。

2.1 底層物質(zhì)及底層水遷移

幾乎所有海底金屬礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)均涉及大量海底物質(zhì)的遷移。由于金屬礦產(chǎn)在深海大洋海底大面積的廣泛分布,未來(lái)結(jié)核、結(jié)殼工業(yè)化采礦影響面積將是巨大的。一個(gè)單一的鐵錳結(jié)核采礦點(diǎn)估計(jì)每年會(huì)開(kāi)采100～600 km2的礦物[29-30],一個(gè)260 km2的富鈷結(jié)殼礦僅20年的開(kāi)采周期[31]。海底集礦作業(yè)過(guò)程中,需對(duì)大面積的礦物及其周?chē)练e物進(jìn)行刮耙、切割,對(duì)原位浮游生物和底棲生物的直接影響無(wú)法忽視。如使用射流技術(shù)使結(jié)核松散并抽吸收集,礦石、沉積物和水流勢(shì)必混合在一起,小的底棲生物和浮游生物無(wú)法逃避水流。礦物及其周?chē)练e物等一些物質(zhì)的永久移除,對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響可能是深遠(yuǎn)的,也是多方面的。

目前的深海采礦工藝,大多數(shù)包含閉環(huán)提升系統(tǒng),使用大量水稀釋沖刷礦物和抽吸泥漿到水面,同時(shí)還可能需要用水對(duì)設(shè)備進(jìn)行沖洗。估計(jì)單一采礦點(diǎn),硫化物礦每天環(huán)境水遷移大于40 000 m3/d,鐵錳結(jié)核礦大于50 000 m3/d[32]。大多數(shù)水是從距離海底不足10 m的上方取走,這是特種底棲動(dòng)物群落的棲息地,大量的無(wú)脊椎動(dòng)物和浮游動(dòng)物與上層水是顯著不同的。流體生物裹挾的量取決于抽吸設(shè)備的直徑和速度以及水體物種的大小的移動(dòng)能力。一些大的移動(dòng)快的動(dòng)物可能會(huì)逃避開(kāi)水流抽吸,長(zhǎng)期生活在無(wú)干擾環(huán)境下的深海魚(yú)類(lèi)游動(dòng)相當(dāng)緩慢,可能逃避干擾能力較低,浮游動(dòng)物,包括季節(jié)性浮游生物幼蟲(chóng)一般會(huì)被吸走殺死。在活動(dòng)熱液噴口,由于無(wú)脊椎浮游生物幼蟲(chóng)比較集中,抽吸裹挾的影響會(huì)更特殊。

2.2 光和噪聲的產(chǎn)生

結(jié)核、結(jié)殼和硫化物集礦機(jī)需配備強(qiáng)光源沿著采礦路徑照亮海底,以便使用照相機(jī)控制作業(yè)。同時(shí),用于調(diào)查、監(jiān)測(cè)和維護(hù)的遙控運(yùn)載器(ROV)等也會(huì)發(fā)出強(qiáng)光。幾乎所有礦種的海底集礦和提升設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生噪聲,包括提升過(guò)程中震動(dòng)摩擦以及管線移動(dòng)。

陽(yáng)光無(wú)法穿透1 000 m水深進(jìn)入大洋,許多深海生物部分或者完全沒(méi)有眼睛或感光器官,但是許多魚(yú)類(lèi)和無(wú)脊椎動(dòng)物可以感覺(jué)到極弱的生物發(fā)光[33]。生物發(fā)光的物種范圍很大,從細(xì)菌到魚(yú)類(lèi),是深海唯一的自然光源,這種現(xiàn)象在各個(gè)大洋普遍存在[34]。一些魚(yú)類(lèi)追逐亮光,一些魚(yú)類(lèi)逃避亮光,還有一些對(duì)亮光沒(méi)有反應(yīng)。這無(wú)疑增加了抽吸裹挾上海的危險(xiǎn)性,生物發(fā)光的生態(tài)功能將會(huì)被局部破壞,比生物發(fā)光強(qiáng)得多的人工光源可能會(huì)傷害附近一些生物的眼睛。

水下聲音傳播,尤其低頻段,可以傳播得非常遠(yuǎn),估計(jì)采礦系統(tǒng)的噪聲會(huì)傳播幾百千米,影響較大區(qū)域。聲音的傳播是全向的,可以穿過(guò)溫鹽躍層到達(dá)表層,因此其影響的不僅是深海生物甚至包括整個(gè)水體和表層生物,無(wú)論主動(dòng)還是被動(dòng)利用聲音的動(dòng)物,包括捕食、通信、導(dǎo)航等,都會(huì)有一定的影響。除了直接傷害聲音感應(yīng)器或者誤導(dǎo)海洋生物行為,人為噪聲可能干擾聲音的自然應(yīng)用,遮蔽了生物聲音信息或觸發(fā)了錯(cuò)誤的響應(yīng)。因?yàn)闆](méi)有合適的深海海底采礦噪聲產(chǎn)生和傳播的信息,以及對(duì)深海生物聲音感知的了解也很少,深海采礦噪聲影響還很難預(yù)測(cè)。

2.3 采礦作業(yè)沉積物羽流

海底采礦過(guò)程中的礦物刮、耙、切割收集,沖洗、破碎和研磨等操作,以及集礦機(jī)運(yùn)動(dòng)都不可必可避免地會(huì)產(chǎn)生沉積物羽流。目前,工業(yè)規(guī)模采礦產(chǎn)生的影響浮游生物濃度的羽流擴(kuò)散范圍還不能可靠地估計(jì)。根據(jù)加拿大鸚鵡螺礦業(yè)公司數(shù)值模擬的結(jié)果,硫化物采礦沉積物羽流可影響3.5 km2,小于1 mm的顆粒物覆蓋范圍可以到達(dá)距離礦井700 m遠(yuǎn),該結(jié)論還存在質(zhì)疑,影響可能還要大得多。

鐵錳結(jié)核采礦區(qū)域較大,每年可影響幾百平方千米,沉積物羽流的沉降區(qū)域?qū)⒏?。模擬計(jì)算估計(jì)一個(gè)12×12 km的結(jié)核采礦區(qū)大于0.1 mm顆粒物一年擴(kuò)散的距離可以到達(dá)50 km。該沉降速率可能超過(guò)了背景沉降速率的100倍,既不包括長(zhǎng)期采礦作業(yè)的疊加影響也不包括可以懸浮多年對(duì)浮游動(dòng)物影響最重的極細(xì)小碎片[35]。

海山區(qū)結(jié)殼區(qū)沉積物極薄,一般在結(jié)殼表面裂隙中,采礦作業(yè)不可避免地會(huì)產(chǎn)生沉積物再懸浮,結(jié)殼的切割、刮耙將會(huì)產(chǎn)生沉積物云。沉積物羽流的產(chǎn)生在幾個(gè)方面直接影響了海底浮游和底棲生物群落。①沉積物掩埋造成底棲生物窒息。懸浮無(wú)機(jī)物顆粒物阻塞呼吸或者濾食器官,削弱呼吸作用和攝食能力。②無(wú)營(yíng)養(yǎng)或低營(yíng)養(yǎng)顆粒物的攝入導(dǎo)致近底生物餓死或者減緩生長(zhǎng),并會(huì)導(dǎo)致級(jí)聯(lián)影響;干擾沉降食物產(chǎn)生的味道,從而影響一些生物覓食,如食腐生物。③增加濁度降低生物發(fā)光傳播距離,降低生物發(fā)光求偶成功率,從而降低再生產(chǎn)率;掩蓋生物的化學(xué)痕跡,影響生物求偶從而減少再生產(chǎn)率。

2.4 尾礦排放沉積物羽流

目前的深海采礦工藝,主要利用水力提升系統(tǒng)或者鏈桶系統(tǒng)輸送的水面支持母船進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理產(chǎn)生的尾礦,包括廢水、沉積物和礦石破碎磨損產(chǎn)生的細(xì)固體顆粒物,將被排放回海洋,在排放點(diǎn)產(chǎn)生沉積物羽流。估計(jì)每個(gè)鐵錳結(jié)核集礦機(jī)每天產(chǎn)生干重400 t的固體顆粒物懸浮在5萬(wàn)t廢水里[36-37]。硫化物采礦每天產(chǎn)生的4萬(wàn)t廢水里將包含干重6 000 t固體顆粒物返回海洋[38]。排放沉積物羽流的影響區(qū)域大小取決于排放持續(xù)時(shí)間、排放量、排放物質(zhì)粒徑分布、排放深度以及排放區(qū)海洋學(xué)狀況。仿真模擬發(fā)現(xiàn)大于15μm粗粒物質(zhì)靠近源頭快速沉降,而細(xì)顆粒物可能漂浮在海上數(shù)年擴(kuò)散至幾百千米,在中尺度渦的作用下,廢棄物可以傳輸更遠(yuǎn)的距離[38]。尾礦排放沉積物羽流除了具有作業(yè)沉積物羽流一樣的深海生態(tài)環(huán)境影響外,排放深度不同還可能發(fā)生不同的影響[39]。

(1)在光合作用帶(0～200 m)區(qū)域排放:光合作用帶濁度增強(qiáng)會(huì)降低光的利用率,導(dǎo)致初級(jí)生產(chǎn)率顯著下降,可能產(chǎn)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)影響到高營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的生物。Chan等[40]估計(jì)18×2 km區(qū)域的全面結(jié)核采礦作業(yè),短期的排放影響會(huì)導(dǎo)致初級(jí)生產(chǎn)率會(huì)降低到50%,持續(xù)數(shù)年的連續(xù)排放無(wú)疑會(huì)對(duì)浮游植物群落產(chǎn)生長(zhǎng)期的影響。浮游動(dòng)物攝入無(wú)機(jī)顆粒物會(huì)降低生長(zhǎng)率,其高沉降率糞便的排泄也會(huì)導(dǎo)致顆粒物通量的增強(qiáng)。排放水與環(huán)境水流速和密度的不同可能會(huì)局部引起對(duì)流,直接干擾上層水,其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響上尚不能被預(yù)測(cè)。

(2)在中深層暮光帶(200～1 000 m)排放:晝夜垂直遷徙動(dòng)物在該層出現(xiàn),沉積物羽流造成的濁度增強(qiáng),可能會(huì)減少依賴(lài)生物發(fā)光現(xiàn)象捕食的生物獵食成功率,通過(guò)生物發(fā)光進(jìn)行通信的能力也會(huì)受到抑制,浮游動(dòng)物無(wú)機(jī)顆粒物的攝入會(huì)提高其糞便的沉降速率[41]。顆粒物通量的增強(qiáng)是否會(huì)提高有機(jī)物質(zhì)通量,從而增加深海動(dòng)物群落的食物尚不清楚,是否影響生物和微生物碳泵也不清楚。

(3)在1 000 m以深深海區(qū)域排放:該區(qū)域除了生物發(fā)光外是完全黑的,顆粒物負(fù)載的增加與上層類(lèi)似,包括抑制生物發(fā)光的生態(tài)功能,可能會(huì)更嚴(yán)重,因?yàn)樵搶拥淖匀粷岫仁菢O低的。由于天然顆粒物豐度高得多,沉積物顆粒與天然有機(jī)物顆粒的競(jìng)爭(zhēng),與上面幾層相比,可能會(huì)大幅提高。

(4)靠近底部排放:由于沉積物沉降距離最短,影響的區(qū)域可能最小,將增大作業(yè)沉積物羽流的影響。

此外,泵輸?shù)V物到水面支持母船的水會(huì)在礦物預(yù)處理過(guò)程中會(huì)變暖,排放的水的溫度與排放區(qū)域環(huán)境溫度不同,可能會(huì)引起湍流垂直流。深海動(dòng)物群落一般適應(yīng)很小溫差的低溫環(huán)境,在深海或者海底釋放暖水可能損害甚至殺死一些對(duì)排放敏感的生物。移動(dòng)速度較快的生物能否感知并逃避溫度上升尚不確定。由于沉積物羽流可以與環(huán)境水快速混合,溫度會(huì)快速實(shí)現(xiàn)平衡,影響的區(qū)域較小。

2.5 酸化、氧損耗及生境改變

硫化物礦在采礦過(guò)程中由于硫化物氧化可能會(huì)產(chǎn)生硫酸,硫化物采礦酸的產(chǎn)出可能不會(huì)超過(guò)海水的緩沖能力。但由于采礦過(guò)程中酸的釋放是否會(huì)局部增大由于氣候變化導(dǎo)致的海洋酸化,尚不清楚。

在一些大洋洋盆,例如秘魯海盆,其有氧沉積物較淺,海底采礦作業(yè)可能會(huì)攪起缺氧沉積物,缺氧沉積物在水體的排放可能會(huì)增加氧的消耗。由于采礦路徑上死亡動(dòng)物的微生物分解,可以忽略溶解氧濃度變化的影響,而大量缺氧沉積物排放到貧氧層可能會(huì)局部的降低氧濃度,影響到該層的大多數(shù)浮游動(dòng)物和弱泳生物。

深海采礦造成的底層物質(zhì)移除和再沉積,以及采礦裝備在海底運(yùn)動(dòng)碾壓,除了多數(shù)底棲動(dòng)物難以幸存外,將嚴(yán)重影響海底微形貌和結(jié)構(gòu),也可能會(huì)影響底流和湍流的特征。由于低沉降速率、低底流流速以及深海海底類(lèi)似結(jié)核結(jié)殼等堅(jiān)硬物質(zhì)的難重塑性,海底結(jié)構(gòu)的人為變化可能會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間,其影響是直接的、多方面的。

(1)微小地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的破壞、采礦裝備行走軌跡、溝槽的產(chǎn)生,不同程度的影響底棲生物的行為甚至改變他們物種組成。

(2)珊瑚海綿等慢速生長(zhǎng)的深海底棲動(dòng)物利用棲息地覓食或庇護(hù),棲息結(jié)構(gòu)移除的影響可能是長(zhǎng)期的。

(3)深海生物組成的變化會(huì)影響海底生物和底棲生物攝食途徑,從而影響具體的喂養(yǎng)相互作用,最終改變底棲生物群落組成。

(4)采礦活動(dòng)的底棲生物致死會(huì)影響深海底棲生物的食物供應(yīng)變化,如浮游生物幼蟲(chóng)的減少,從而改變深海生物群落的生物多樣性。

(5)采礦期間攝食相互作用會(huì)遭到破壞,只有通過(guò)快速地再移植才能重建。

2.6 有毒物質(zhì)釋放及外來(lái)物種侵入

無(wú)論是礦物開(kāi)采還是尾礦排放均會(huì)釋放有毒物質(zhì),如重金屬。鐵錳結(jié)核和鐵錳結(jié)殼的重金屬浸出較低,硫化物礦可能會(huì)有大量的潛在有毒金屬[41]?？紤]到溫度、壓力和廢水的成分等不定因素,加之深海動(dòng)物群落對(duì)高濃度金屬離子的敏感性數(shù)據(jù)還十分缺乏,可靠地預(yù)測(cè)有毒物質(zhì)對(duì)具體生物組織的影響目前是不可能的,一些潛在的風(fēng)險(xiǎn)難以避免[42]。有毒化合物,如重金屬,對(duì)生物組織會(huì)產(chǎn)生急性或慢性的傷害,深海采礦作業(yè)和排放的羽流中,超過(guò)生物可利用量的重金屬進(jìn)入水體可能會(huì)致死或者抑制深海生物生長(zhǎng),或者降低在生產(chǎn)率,高等的動(dòng)物會(huì)由于有毒物質(zhì)在食物鏈中的生物積累可能受到影響,并通過(guò)水平和垂直遷徙增大影響范圍。由于海底生物群落對(duì)好金屬例子濃度敏感性較小,如多金屬硫化物礦區(qū),靠近海底釋放金屬物質(zhì),比在水體內(nèi)釋放影響可能會(huì)小,還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

所有深海采礦活動(dòng)均需要將深海固體物質(zhì)和水從海底運(yùn)輸?shù)剿?也包括生物、微生物和病毒;另一方面,尾礦在深海的排放可能會(huì)將水面污染物攜帶到深海水層。深海真核生物可能會(huì)在采礦極端不同環(huán)境中幸存,并傳播到水面支持母船。水面污染物在深海海底持續(xù)的繁殖是不可能的,但不排除一些細(xì)菌、古菌和病毒給海底生物群落帶來(lái)潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)。深海金屬礦物開(kāi)采影響的不僅僅是底棲生物群落,也可能會(huì)影響到深海生態(tài)系統(tǒng)組成。對(duì)于深海生物而言,一些影響可能是致命的,大多數(shù)會(huì)削弱攝食、生長(zhǎng)和再生產(chǎn)過(guò)程,導(dǎo)致生物資源量減小,生物群落改變以及生物多樣性降低。然而對(duì)深海種群,食物鏈和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)間接影響的潛在結(jié)果及規(guī)模的判斷是相當(dāng)困難的,需要通過(guò)技術(shù)手段系統(tǒng)地長(zhǎng)期地開(kāi)展監(jiān)測(cè)研究。

3 深海采礦環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系

3.1 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)目標(biāo)任務(wù)

深海采礦環(huán)境影響研究應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo):更好地認(rèn)識(shí)深海生態(tài)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)可靠地預(yù)測(cè)潛在的影響;探明工業(yè)化采礦活動(dòng)在生物多樣性、生物量以及功能關(guān)系等方面造成的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化[43]。

深海采礦環(huán)境影響因素是綜合的多方面,比較大的影響主要包括底層物質(zhì)移除,沉積物羽流,尤其尾礦排放羽流的產(chǎn)生擴(kuò)散及其造成生境變化。由于傳播擴(kuò)散的路徑最短,尾礦海底排放可能對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響最小,環(huán)境調(diào)查研究主要任務(wù)可基于海底排放開(kāi)展系統(tǒng)全面調(diào)查監(jiān)測(cè)研究,在此基礎(chǔ)上針對(duì)排放水層的不同增加調(diào)查監(jiān)測(cè)研究任務(wù)。

(1)靠近海底排放。應(yīng)研究海洋哺乳動(dòng)物出現(xiàn)情況及其背景噪聲,不同層深浮游動(dòng)物組成、豐度和生物量,底邊界層浮游生物組成豐度和生物量,底邊界層以及近底游泳動(dòng)物的組成、豐度和總量。通過(guò)研究魚(yú)類(lèi)和大型無(wú)脊椎動(dòng)物胃容物監(jiān)測(cè)研究受影響水層的食物網(wǎng)變化,采用原位實(shí)驗(yàn)研究生物群落的新陳代謝以及顆粒物濃度增加后對(duì)濾食生物的影響,原位實(shí)驗(yàn)研究不同營(yíng)養(yǎng)等級(jí)物種有毒物質(zhì)影響。

(2)光合作用帶以下排放。還需要在選擇多個(gè)站位,按深度評(píng)估本層以及下層一直到海底水體的浮游生物組成、豐度和生物量(若水體出現(xiàn)垂直對(duì)流,上層水體也應(yīng)該考慮)。

按深度評(píng)估本層以及下層一直到海底水體的弱泳生物和游泳生物組成、豐度和生物量。若中深層(暮光層)受到影響,晝夜垂直遷移(DVM)生物的影響需要研究,如出現(xiàn)貧氧層,須特別重視。

(3)光合作用帶排放。還需要調(diào)查浮游植物大小、種類(lèi)組成,按深度分層評(píng)估光合作用帶浮游生物、弱泳生物和游泳生物組成、豐度和生物量時(shí),需要考慮垂直遷移生物的影響。

多金屬硫化物區(qū)和富鈷結(jié)殼區(qū)的復(fù)雜地形使近底生物群落的環(huán)境影響評(píng)估尤其困難。尤其海山區(qū),生物棲息地隨深度變化劇烈,微地形地貌與海流的相互作用使得海流形式更加復(fù)雜,導(dǎo)致了深海生物群落時(shí)空變化較高,鐵錳結(jié)殼礦及其開(kāi)采產(chǎn)生羽流可能位于垂直遷移生物范圍內(nèi),并且會(huì)影響到表層環(huán)境,需要特別關(guān)注。

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)研究技術(shù)需求

3.2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)調(diào)查方法

深海采礦活動(dòng)及其對(duì)環(huán)境的干擾是動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的、多方面的具有系統(tǒng)性、耦合性,需要科學(xué)的監(jiān)測(cè)調(diào)查方法,主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)調(diào)查監(jiān)測(cè)任務(wù)的時(shí)序或流程。采礦試驗(yàn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)研究之前應(yīng)首先開(kāi)展環(huán)境基線調(diào)查,采礦擾動(dòng)試驗(yàn)開(kāi)展后應(yīng)立即開(kāi)展擾動(dòng)監(jiān)測(cè)和影響評(píng)估,然后不間斷地定期開(kāi)展研究。

(2)監(jiān)測(cè)采樣網(wǎng)格設(shè)計(jì)。應(yīng)能代表采礦站位的生物和非生物特征,采礦作業(yè)和排放羽流至少包括高、中、低幾個(gè)顆粒物濃度地點(diǎn),要有一個(gè)以上的影響區(qū)域以外的參考站位。

(3)樣品數(shù)據(jù)要求。每個(gè)站位必須有足夠數(shù)量的樣品和數(shù)據(jù),以保證統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的質(zhì)量,盡可能完成多次重復(fù)測(cè)量以了解自然地時(shí)間變化,在生物調(diào)查取樣的同時(shí),完成水體物理化學(xué)剖面等環(huán)境屬性的測(cè)量。

(4)監(jiān)測(cè)時(shí)間要求。具有季節(jié)性變化特征的,需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),應(yīng)覆蓋一個(gè)以上變化周期,如一年以上,監(jiān)測(cè)垂直遷移生物需要晝夜分別觀測(cè)。

3.2.2 裝備技術(shù)

深海采礦環(huán)境監(jiān)測(cè)研究,需要獲取高質(zhì)量環(huán)境樣品和數(shù)據(jù),高度依賴(lài)深海裝備技術(shù)。一般情況下,不同作業(yè)任務(wù)需要不同的技術(shù)裝備支持,包括運(yùn)載裝備、固定觀測(cè)裝備、監(jiān)測(cè)調(diào)查儀器以及小型取樣裝置。

水體、底邊界層和近底游泳動(dòng)物的組成、豐度和生物量調(diào)查監(jiān)測(cè),需要圍網(wǎng)、聲光系統(tǒng)、誘捕裝置以及載人潛水器、ROV或AUV等運(yùn)載裝備,搭載長(zhǎng)期定時(shí)照相機(jī)和多頻水聽(tīng)器的錨系或者LANDER系統(tǒng)。

水體及底邊界層浮游生物組成豐度和生物量監(jiān)測(cè),需分層拖網(wǎng)、底表撬網(wǎng)或者ROV和成像系統(tǒng)調(diào)查。

按深度分層評(píng)估光合作用帶浮游生物、弱泳生物和游泳生物組成、豐度和生物量時(shí),需要分層拖網(wǎng)、攝像系統(tǒng),如視頻浮游生物記錄器、水下攝像剖面儀等,多頻水聽(tīng)器等。

在海底形貌極端復(fù)雜的站位和活動(dòng)熱液噴口開(kāi)展調(diào)查研究,靠近海底的生物群落應(yīng)使用配置拖網(wǎng)和成像系統(tǒng)的載人潛水器、ROV或者AUV開(kāi)展調(diào)查研究,如果豐度極高,可采用泵類(lèi)設(shè)備。小型網(wǎng)具、聲光系統(tǒng)、誘捕裝置、小型撬鏟均可以使用。

考慮到海山區(qū)和熱液區(qū)生物群落的時(shí)空變化特征,需要采用聲光錨系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè);羽流跟蹤和大面積環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè),可采用水下滑翔機(jī)或AUV等運(yùn)載裝備。

原位實(shí)驗(yàn)研究生物群落的新陳代謝以及顆粒物濃度增加后對(duì)濾食生物的影響,需要搭載聲光觀測(cè)系統(tǒng)的錨系或者LANDER系統(tǒng);原位實(shí)驗(yàn)研究不同營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的物種有毒物質(zhì)影響。需要搭載聲光觀測(cè)系統(tǒng)的錨系或者LANDER系統(tǒng)。

3.2.3 仿真模擬技術(shù)

深海采礦,尤其進(jìn)入工業(yè)化開(kāi)采階段,環(huán)境影響范圍大,機(jī)理復(fù)雜。僅靠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取樣研究,無(wú)論從人力、物力、投入還是科學(xué)認(rèn)識(shí)本身,都難以實(shí)現(xiàn)可靠地評(píng)估。模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是不可或缺的重要技術(shù)手段,并且取得了一系列的研究成果。仿真模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算等兩類(lèi)。

利用物理模型試驗(yàn),可開(kāi)展新型采礦裝備海底采礦作業(yè)與海底底質(zhì)環(huán)境的相互作用研究,如底流作用下,海盆、海山、洋中脊等不同地質(zhì)環(huán)境,不同采礦裝備,不同作業(yè)方式下,作業(yè)沉積物羽流的產(chǎn)生動(dòng)態(tài)特征模型研究。

利用數(shù)值模擬仿真,可開(kāi)展沉積物羽流,包括作業(yè)羽流及尾礦排放羽流,在水動(dòng)力環(huán)境下的運(yùn)移研究,包括不同底質(zhì),不同微地形地貌下采礦作業(yè)羽流的運(yùn)移,不同深度尾礦排放羽流的運(yùn)移,渦旋、湍流對(duì)沉積物羽流的影響等。

3.3 技術(shù)體系構(gòu)架

深海采礦對(duì)深海大洋生態(tài)環(huán)境的影響是深遠(yuǎn)的、多方面的、復(fù)雜的,其監(jiān)測(cè)評(píng)估系應(yīng)滿足不同礦種、不同海域、不同規(guī)模海底采礦活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響,環(huán)境影響監(jiān)測(cè)的技術(shù)體系應(yīng)具備多目標(biāo)、多維度、多層級(jí)、多手段、多學(xué)科,全開(kāi)放、全鏈條、全天候,陸海一體、軟硬一體等基本特征。

(1)多目標(biāo):技術(shù)體系以監(jiān)測(cè)深海采礦活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響為主,解決深海生物,尤其底棲生物群落結(jié)構(gòu)變化、多樣性和生物量的影響,同時(shí)監(jiān)測(cè)深海采礦活動(dòng)對(duì)目前以出現(xiàn)的海洋酸化、暖化等現(xiàn)象及其對(duì)全球氣候的可能影響。對(duì)于具體采礦活動(dòng)的影響,即可以監(jiān)測(cè)多金屬結(jié)核采礦活動(dòng)的環(huán)境影響,也可實(shí)現(xiàn)富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物甚至稀土和多金屬軟泥等礦產(chǎn)開(kāi)采活動(dòng)的影響;即監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境影響,又可監(jiān)測(cè)可能出現(xiàn)的局部生態(tài)和地質(zhì)災(zāi)害。

(2)多維度:時(shí)間上既滿足采礦前環(huán)境基線的調(diào)查研究需要,又可滿足采礦活動(dòng)環(huán)境干擾的動(dòng)態(tài)全過(guò)程,并在采礦擾動(dòng)產(chǎn)生后可長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)其變化;在空間上從海底沉積物層到底邊界層,1 000 m以深深海,1 000～200 m暮光層直至200 m以淺光合作用帶可實(shí)現(xiàn)全面原位監(jiān)測(cè)。

(3)多層級(jí):作為技術(shù)體系,應(yīng)包括多個(gè)層級(jí)。技術(shù)體系構(gòu)建首先應(yīng)以環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)需求為導(dǎo)向,監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法,包括技術(shù)規(guī)范規(guī)程以及標(biāo)準(zhǔn)是監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的頂層;深海調(diào)查監(jiān)測(cè)高度依賴(lài)技術(shù)裝備,技術(shù)裝備是技術(shù)體系的核心層,技術(shù)裝備同樣應(yīng)成體系構(gòu)建,除科考船外,包括MUV、ROV、AUV、水下滑翔機(jī)、著落器等水下運(yùn)載裝備,聲學(xué)、光學(xué)拖體,潛標(biāo)、錨系等固定觀測(cè)裝備、各類(lèi)物理化學(xué)傳感器以及甲板和室內(nèi)分析測(cè)試儀器;數(shù)據(jù)分析處理層,包括各類(lèi)數(shù)據(jù)處理軟硬件、數(shù)值技術(shù)與仿真軟硬件平臺(tái)等;試驗(yàn)驗(yàn)證層,包括物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)、深海采礦原位試驗(yàn)場(chǎng)。

(4)多手段:技術(shù)體系采用多種技術(shù)手段,在監(jiān)測(cè)研究實(shí)施層面包括長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)、分階段走航調(diào)查、陸上模擬實(shí)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)分析處理以及仿真計(jì)算等;在采用的技術(shù)方法方面包括聲、光、電磁等手段。

(5)多學(xué)科:調(diào)查技術(shù)方法涉及生物生態(tài)、海洋地質(zhì)、物理海洋、地球物理等多個(gè)學(xué)科,技術(shù)裝備研發(fā)同樣涉及材料、結(jié)構(gòu)、控制、通信、傳感檢測(cè)等多個(gè)學(xué)科。

(6)全開(kāi)放:技術(shù)體系的全開(kāi)放性表現(xiàn)在兩個(gè)方面,從應(yīng)用方面要向海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)放,從體系構(gòu)建方面要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)開(kāi)放,不斷跟隨技術(shù)進(jìn)步豐富和完善技術(shù)體系的架構(gòu),不斷增加新的技術(shù)手段。

(7)全鏈條:監(jiān)測(cè)體系的全鏈條指從采礦環(huán)境干擾信息的提取,到不同時(shí)空環(huán)境影響樣品和數(shù)據(jù)的獲取,到分析測(cè)試研究,再到試驗(yàn)驗(yàn)證一體化全鏈條。

(8)全天候:監(jiān)測(cè)技術(shù)體系滿足監(jiān)測(cè)活動(dòng)的時(shí)限要求,既可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,又可以解決應(yīng)急監(jiān)測(cè)需要。

(9)陸海一體:海上調(diào)查監(jiān)測(cè)與陸上分析測(cè)試、仿真模擬一體化。

(10)軟硬一體:監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法、數(shù)據(jù)分析處理方法、仿真計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)等軟技術(shù)和重大裝備和原位精密傳感器以及甲板和室內(nèi)測(cè)試儀器等硬件一體化。

4 結(jié)論和建議

本研究從深海采礦活動(dòng)監(jiān)測(cè)評(píng)估需要,系統(tǒng)地分析多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物等主要深海礦產(chǎn)資源的在全球各大洋的分布狀況,以及海盆、海山、洋脊和海溝等以上幾類(lèi)資源的生長(zhǎng)的地質(zhì)背景;從底層物質(zhì)遷移、沉積物羽流產(chǎn)生輸運(yùn)、聲光噪聲的產(chǎn)生以及有毒物質(zhì)釋放等10個(gè)方面在采礦活動(dòng)工程角度分析了深海采礦對(duì)環(huán)境的印象因素,分析了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究的目標(biāo)任務(wù),提出了深海采礦環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系構(gòu)建的基本要求,對(duì)今后系統(tǒng)全面地開(kāi)展深海采礦環(huán)境監(jiān)測(cè)具有一定的技術(shù)支持作用。然而,由于目前深海采礦技術(shù)工藝尚在不斷發(fā)展中,進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)采礦的時(shí)間也難預(yù)測(cè),本研究提出的技術(shù)體系構(gòu)建理念還需要進(jìn)一步深化細(xì)化。

目前處在深海采礦事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期,為了盡快提升深海采礦環(huán)境影響評(píng)估的能力,推動(dòng)深海采礦向商業(yè)化工業(yè)化邁進(jìn),建議系統(tǒng)地謀劃環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),加大重大裝備研發(fā),啟動(dòng)采礦環(huán)境影響試驗(yàn)工程,發(fā)展數(shù)值模擬技術(shù),推動(dòng)深海環(huán)境監(jiān)測(cè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定,以期在未來(lái)深海資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)中維護(hù)國(guó)家利益。