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?dòng)的產(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(guó)在西南印度洋中脊首次發(fā)現(xiàn)熱液區(qū).2011 年，我國(guó)在印度洋國(guó)際海域成功申請(qǐng)了一塊面積為1 萬(wàn)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(kāi)發(fā)權(quán).2015 年以后，我國(guó)通過(guò)在西南印度洋“龍旂”等熱液區(qū)開(kāi)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(gè)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(wàn)平方千米，接近60%的海底多金屬硫化物資源位于國(guó)際海底區(qū)域.全球范圍內(nèi)具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)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(chóng)、蛤、貽貝、蟹等海生動(dòng)物，這些動(dòng)物通過(guò)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(kāi)采價(jià)值，許多國(guó)家和企業(yè)對(duì)海底多金屬硫化物的商業(yè)開(kāi)采表現(xiàn)出很高的開(kāi)采熱情，但截至目前，還沒(méi)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(kāi)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(shí)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(guò)管道提升至水面的采礦船內(nèi)，礦體顆粒經(jīng)過(guò)篩選后運(yùn)送至海岸上，提升過(guò)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(kāi)采海底多金屬硫化物，國(guó)內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)、學(xué)者開(kāi)展了海底多金屬硫化物切削方案設(shè)計(jì)與切削性能試驗(yàn)，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(guó)鸚鵡螺礦業(yè)公司開(kāi)展了海底多金屬硫化物原位切削試驗(yàn)，試驗(yàn)所用切削裝置為螺旋刀盤(pán)，在13 個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)成功采集了大約15 t 礦石［8-9］.陽(yáng)寧等［10］對(duì)海底多金屬硫化物采集技術(shù)方案進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，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(dòng)發(fā)生在水深800～5 000 m 的海底區(qū)域，采礦過(guò)程對(duì)海底環(huán)境潛在的影響包括沉積物和生物棲息地移動(dòng)、光照、羽狀流、噪聲、振動(dòng)等，對(duì)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(lái)說(shuō)，海底多金屬硫化物采集時(shí)，礦體在刀具切割后會(huì)導(dǎo)致沉積層表面破壞，不僅會(huì)移除生物棲息地，還會(huì)產(chǎn)生含沉積物的柱狀水柱.同時(shí)也會(huì)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(huì)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(yíng)養(yǎng)層生物體的損失.海底多金屬硫化物采集對(duì)周圍環(huán)境的影響范圍與采礦過(guò)程的時(shí)長(zhǎng)和海底潮流大小相關(guān)，當(dāng)采礦時(shí)間較長(zhǎng)、潮流速度較大時(shí)，采集過(guò)程對(duì)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(guò)程中產(chǎn)生的沉積物水柱，在采礦活動(dòng)結(jié)束后通常還會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)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(shí)長(zhǎng)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(kāi)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(kāi)采結(jié)束的幾十年才能基本恢復(fù).

盡管目前還沒(méi)有關(guān)于海底多金屬硫化物開(kāi)采對(duì)環(huán)境影響的試驗(yàn)研究報(bào)道，但關(guān)于海底多金屬結(jié)核采礦對(duì)環(huán)境影響的試驗(yàn)研究已開(kāi)展多次，積累了比較豐富的研究成果.例如，美國(guó)在東太平洋結(jié)核區(qū)開(kāi)展了深海采礦環(huán)境研究（DOMES，1975—1980），德國(guó)在東南太平洋結(jié)核區(qū)開(kāi)展了擾動(dòng)和再遷入試驗(yàn)研究（DISCOL，1985—1998），在東南太平洋開(kāi)展了深海生態(tài)系統(tǒng)中的底棲生物調(diào)查（ECOBENT，1995—1998），美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家和礦業(yè)公司合作開(kāi)展了底層影響試驗(yàn)研究（BIE，1991—1998）［11-13］.

上述試驗(yàn)研究表明：海底采礦可能對(duì)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(gè)水深帶，一個(gè)是海底，具體來(lái)說(shuō)是在集礦機(jī)采礦軌跡附近，另一個(gè)是在采礦船底部，具體來(lái)說(shuō)是在尾礦排放點(diǎn)附近.海底采礦對(duì)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(duì)海洋環(huán)境的影響

3 應(yīng)對(duì)策略

根據(jù)1982 年《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》相關(guān)規(guī)定，開(kāi)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(huì)對(duì)海底環(huán)境造成嚴(yán)重的影響.由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)海底多金屬硫化物商業(yè)開(kāi)采，可以根據(jù)如圖4 所示的應(yīng)對(duì)思路，通過(guò)協(xié)同開(kāi)展綠色采礦技術(shù)與環(huán)境評(píng)價(jià)研究為海底多金屬硫化物的商業(yè)開(kāi)采提供技術(shù)支持.

圖4 海底多金屬硫化物商業(yè)開(kāi)采思路

3.1 海底多金屬硫化物綠色采礦技術(shù)

開(kāi)展綠色采礦技術(shù)是降低采礦過(guò)程對(duì)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(duì)海底環(huán)境的影響，具體包括如下幾個(gè)方面：

（1）減少采礦船甲板收集礦石過(guò)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(duì)水力提升過(guò)程的礦石—水混合物進(jìn)行處理，減少采礦過(guò)程對(duì)采礦船底海域環(huán)境的影響；

（2）減少海底采礦機(jī)采礦過(guò)程對(duì)海底沉積物的擾動(dòng).可以采用接地比壓低的行走機(jī)構(gòu)、合理設(shè)計(jì)采礦機(jī)的浮力體以獲取合適的浮力，減少采礦過(guò)程對(duì)海底表層環(huán)境的影響；

（3）減少海底多金屬硫化物切削過(guò)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(guò)程工作參數(shù)，減少采礦過(guò)程對(duì)海底環(huán)境的影響；

（4）減少海底采礦過(guò)程中羽狀流的擴(kuò)散.可以通過(guò)設(shè)計(jì)合適形狀的集礦罩和引流裝置，實(shí)時(shí)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(guò)程對(duì)海底環(huán)境的影響；

（5）開(kāi)展羽狀流擴(kuò)散和沉積機(jī)理分析.通過(guò)數(shù)值模擬和模擬試驗(yàn)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(píng)估體系；

（6）開(kāi)展海底環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，研發(fā)智能化深海環(huán)境探測(cè)裝備和觀測(cè)儀器，以便動(dòng)態(tài)掌握海底采礦作業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度，開(kāi)展觀測(cè)調(diào)查方法研究，以保證觀測(cè)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(píng)價(jià)

海底多金屬硫化物采礦是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要開(kāi)展全過(guò)程環(huán)境評(píng)價(jià)研究，具體包括如下幾個(gè)方面：

（1）注重全過(guò)程環(huán)境影響評(píng)價(jià).目前還沒(méi)有關(guān)于海底多金屬硫化物采礦對(duì)環(huán)境影響的研究，其他海底礦物開(kāi)采過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響研究試驗(yàn)的規(guī)模均遠(yuǎn)小于商業(yè)開(kāi)采.因此，對(duì)海底多金屬硫化物采礦過(guò)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(guò)程與時(shí)長(zhǎng)的研究，還要注重采礦結(jié)束后環(huán)境的中長(zhǎng)期恢復(fù)狀況研究.

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

（3）加強(qiáng)采礦區(qū)域環(huán)境評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究.目前海底采礦過(guò)程環(huán)境評(píng)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(duì)環(huán)境間接影響的評(píng)估不夠，對(duì)環(huán)境累積影響的分析不夠，難以準(zhǔn)確評(píng)估深海采礦過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響.

4 結(jié)論

（1）海底多金屬硫化物開(kāi)采將對(duì)海洋環(huán)境造成影響.采礦過(guò)程對(duì)海底潛在的影響包括沉積物和生物棲息地移動(dòng)、羽狀流、光照、噪聲、振動(dòng)等，對(duì)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(kāi)采，有必要開(kāi)展海底多金屬硫化物綠色采礦技術(shù)研究和環(huán)境評(píng)價(jià)研究，以確保海底采礦符合相關(guān)國(guó)際海洋法規(guī).