深海多金屬硫化物采礦研究進展及其前景探討

李江海 宋玨琛 洛怡

摘要：隨著陸地金屬礦產資源的日漸枯竭，深海多金屬硫化物逐漸成為海洋礦產資源勘探的新趨勢。文章介紹了全球主要海底多金屬硫化物礦床的成因及分布特點，闡述了多個國際礦業公司和國際海洋組織對西南太平洋、大西洋和印度洋海底塊狀多金屬硫化物勘探活動的最新進展。從海底多金屬硫化物的金屬品質、深海采礦的法律政策和環境保護等方面對海底多金屬硫化物的開發前景進行探討，并提出積極投身國際海底資源開發規章制定，進一步細化國內法律制度，為深海采礦提供良好的法律制度環境;提升深海治理能力，增強我國在深海領域的話語權;完善深海技術裝備體系，提高深海開發創新能力等建議。

關鍵詞：多金屬硫化物;深海采礦;西南太平洋;西南印度洋;洋中脊

中圖分類號： P744文獻標志碼：A文章編號：1005-9857（2019）11-0029-09

Research Progress and Prospect of Deep Sea Polymetallic Sulfide Mining

LI Jianghai1，2，3，SONG Juechen1，2，3，LUO Yi1，2，3

（1Key laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution，Ministry of Education，school of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China;2Institude of oil and gas，School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China;3School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China）

Abstract：With the exhaustion of terrestrial metallic mineral resources，deepsea polymetallic sulfide has gradually become a new trend in marine mineral resources exploration.This paper introduced the major global origin and distribution characteristics of ocean polymetallic sulfide deposits，and expounded the latest development of exploration activities of massive polymetallic sulfide deposits in the southwest Pacific Ocean，Atlantic Ocean and Indian Ocean by several international mining companies and ocean organizations.The development prospect of polymetallic sulfides on the seabed was discussed from the aspects of the metal quality of polymetallic sulfides on the seabed，the law and policy of deepsea mining and environmental protection.It is also important for government to participate actively in the formulation of regulations for the development of international seabed resources，further refine the domestic legal system，and provide a good legal system environment for deepsea mining.Additionally，increasing deepsea governance capacity，and improving the deepsea technical equipment system as well as innovation capability are the top priority to enhance China′s voice in the deepsea field.

Key words：Polymetallic sulfide，Deepsea mining，Southwest Pacific，Southwest Indian Ocean，Midocean ridge

0引言

海洋約占地球表面積的71%，存在著巨大的、尚未被人類充分認識和利用的各種礦產資源。20世紀70年代中期，隨著海底熱液噴口及塊狀硫化物的發現，人們開始關注這些富含金、銀、銅、鋅等金屬礦物的塊狀硫化物礦床的潛在經濟價值[1]。由于初期深海勘探和開采技術的落后和預期的高昂成本，以及70年代諸多陸上礦床的發現，這些礦床在金屬含量方面完全可以替代海底塊狀硫化物礦床，深海塊狀硫化物的勘探工作逐漸淡出公眾視線[2]。

自20世紀末，隨著陸上資源的大量消耗和海底資源勘探事業的發展，深海開采進入一個新的階段[3- 4]。除海洋油氣資源和海濱礦砂外，海底目前已知有商業開采價值的還有多金屬結核、富鈷結殼和多金屬硫化物等金屬礦產資源。海底多金屬硫化物礦床賦存水深一般在數十米至3 700 m，大量出現在2 500 m水深附近，相比于陸上礦床而具有更高純度金屬含量的特點，并且這些礦物中富含鉛、鋅、銅、金、銀等金屬[5]，總儲量分別高出陸上相應儲量的幾十倍到幾千倍，單個硫化物礦床礦體的資源量高達1 000萬t，資源潛力十分可觀，吸引了各國開展勘探活動[6]。中國大洋礦產資源研究開發協會在2011年便與國際海底管理局就西南印度洋區域多金屬硫化物勘探簽署合同;日本于2017年在沖繩縣附近海域成功進行了世界上第一次海底多金屬硫化物開采和提礦的中試。國際上一些深海采礦公司也開始籌備海底多金屬硫化物的商業開采，如鸚鵡螺礦業公司（Nautilus Minerals Inc）、海王星礦業公司（Neptune Minerals）、多拉多海洋資源官方管理公司（Dorado Ocean Resources）等，海底多金屬硫化物商業開采即將成為現實[7]。因此，一些分析人士預測，到2030年深海采礦行業將占到采礦業總產量的10%[8]。

作為海洋勘探的一個新趨勢，深海采礦依然存在潛在的環境影響[9]。海洋資源巨大的商業價值和開采造成的生態環境破壞，讓人們開始尋找海底礦產資源可持續利用的方法和途徑[10-11]。本研究從海底多金屬硫化物的資源分布、開采現狀、法律條例、環境影響和開采前景等方面對多金屬硫化物的勘探與開發進行綜述和討論。

1海底多金屬硫化物成因與礦床分布

洋中脊熱液活動是集中發生在洋中脊及離軸區內的海底熱液活動，具有獨特的熱液系統。在洋中脊熱液系統中，海水和洋殼巖石是熱液系統形成的兩大物源，而熱液流體和熱液產物代表了兩大物源在熱液系統不同區域和不同階段相互作用后的產物。巖漿沿通道上涌，在海底形成了新的洋殼。冷海水從洋殼斷裂或微裂隙中向下滲透，下滲過程中被巖漿等熱源加熱，從圍巖中淋濾出銅、鐵、鋅等金屬元素，隨后又沿裂隙上升從海底噴出，形成煙囪體結構（即黑煙囪）和熱液羽狀流，冷卻后在海底及其淺部通道內堆積了硫化物的顆粒，形成多種具有重要經濟價值的金屬礦產。

海底多金屬硫化物形成于熱液噴口地區，由海底熱液產物堆積而成。前人對全球熱液硫化物區的研究揭示了3種完全不同的礦化類型：①形成于高溫集中噴溢熱液流體的塊狀硫化物丘體（如大西洋TAG熱液區）;②來自低溫彌散流的FeMn羥基氧化物和硅酸鹽的堆積體;③來自熱液羽狀流的細小顆粒沉淀物。其中，塊狀硫化物堆積體只占所有被搬運到海底的可溶性成礦物質的一小部分，而搬運來的大部分物質通過浮力和非浮力羽狀流擴散到了洋脊的側翼[12]。

幾乎所有已發現的海底多金屬硫化物礦床都位于板塊邊界的大洋中脊和溝-弧-盆體系，這些地區的巖漿活動、地震活動、熱液活動之間都有很強的時空關系[13]。全球57%的海底多金屬硫化物礦床發育在大洋中脊附近，另有19%發育在弧后盆地、21%發育在火山弧[1]，主要分布在東太平洋海隆、東南太平洋海隆和東北太平洋海隆[13-16]，已知大西洋中脊也有一些礦床，但在印度洋洋中脊附近發現的熱液硫化物礦點較少[17]。大西洋中脊和印度洋中脊的已知硫化物礦床較少，主要原因是在這些地區內進行的勘探活動有限。根據國際大洋中脊協會InterRidge數據，截至2018年，全球發現熱液噴口區共計705處，其中探明的活動性噴口區297處，推測的活動性噴口區354處，以及無活動性噴口區54處[18]。

雖然發現了大量海底塊狀多金屬硫化物礦床，但是這些礦床無論是分布位置、規模還是礦石的金屬含量都存在較大差別，不同構造環境下發育的多金屬硫化物礦床規模不一樣[19]。由于硫化物中金屬含量的高度變化，并不是所有的硫化物區都具有經濟價值。如沿東太平洋海隆及大西洋中脊分布的一些硫化物區，由于多為富鐵硫化物而不具有經濟價值。Petersen[20] 統計了不同構造背景下的多金屬硫化物的Au、Ag、Cu、Zn、Pb等含量，發現洋中脊多金屬硫化物的Au和Ag的平均含量明顯低于弧后盆地及火山弧等構造環境，Cu和Zn的含量與其他構造環境相當，而Pb的含量又明顯較低。

2全球海底多金屬硫化物開采技術與開發現狀

正是由于海底多金屬硫化物具有巨大的潛在資源價值，盡管目前對于海底多金屬硫化物的開采還存在技術可行性及經濟性、環境影響和相關法律政策等諸多的未確定因素，一些國際大型礦業公司和國家已投入到海底多金屬硫化物的商業化開發活動中[11，21-22]。

21加拿大

加拿大鸚鵡螺礦業公司作為深海采礦的先驅，較早地進行了深海礦產資源開發戰略布局。在1997年鸚鵡螺礦業公司便獲得了在巴布亞新幾內亞（PNG）專屬經濟區內開展多金屬硫化物礦床勘探的執照，在該國以北約50 km的俾斯麥海16 km深處進行開采，成為世界上深海底礦產資源商業開發的“第一人”[3，23]。經過將近10年的勘探籌備工作，鸚鵡螺公司在2007年3月啟動了世界上最大的高品位多金屬硫化物系統商業勘探計劃——Solwara項目，該項目位于巴布亞新幾內亞專屬經濟區俾斯麥海和所羅門海內，所涉及的勘探開發項目包括海洋環境研究、礦床資源評估鉆探、多金屬硫化物礦石取樣等，其中最具經濟價值的礦床位于俾斯麥海的一處海底噴溢口附近，該礦床被命名為“Solwara 1”。根據鸚鵡螺礦業公司勘探數據顯示，Solwara 1礦床位于水下約1 600 m，為一大型塊狀硫化物礦床，大約可生產130萬t銅和金的混合金屬，銅品位為75%，金品位遠遠超過20 gt [24]。到目前為止，Solwara項目開展近20年，涵蓋設計、船運和制造、冶金，但迄今為止仍未能進行海試。此外，在2008年鸚鵡螺礦業湯加公司在湯加海域開展了首個深海商業海底礦產資源勘探項目，已查明了19個富有遠景的多金屬硫化物礦點，其中8處位于西南太平洋勞盆地（Lau Basin）東北部，另外11處位于湯加塔普附近的Valu Fa脊附近。

根據對大量樣品的力學性能測試，多金屬硫化物的斷裂性能類似于煤，韌性和塑性類似于鹽和碳酸鉀，鸚鵡螺礦業公司根據陸上采煤技術提出了管道提升式海底多金屬硫化物采礦系統，該系統由采礦支撐船、海底采礦車和管道提升系統組成（圖1），并制造了海底采礦設備，如水下輔助切割車（Auxiliary Cutter）、散裝切割車（Bulk Cutter） 和集礦車（Collecting Machine）等。開采技術原理是首先通過采礦船下放主采礦車、輔助切割車和集礦車到海底，由采礦車負責破碎海底礦物，然后集礦車對破碎后的海底礦物進行收集，收集到的礦物從集礦車頂部出口通過泵送系統經過提升管道泵送至采礦船。在采礦船上的后處理裝置中對礦物進行提純，提純后的廢物由排入海底回填。

22日本

日本一直致力于深海礦產資源的開發與研究，尤其是海底多金屬硫化物的開采。在過去的幾年里，日本在島縣周圍海域發現了6處礦藏，均位于日本專屬經濟區內。2017年9月，日本經濟產業省（METI）和日本金屬國家公司（JOGMEC）在沖繩縣附近海域進行了世界上第一次海底多金屬硫化物開采和提礦的中試，并取得了成功。在這次試驗中，METI和JOGMEC使用其自主研發的三菱挖掘與集礦試驗機成功地挖掘出位于海平面以下約1 600 m的海底多金屬硫化物，并通過潛水泵將其與海水一起收集和提升到集礦支撐船上。目前，日本主要采用由日本學者Tetsuo Yamazaki提出水深700～1 600 m，可在海底半徑250 m范圍內采集多金屬硫化物的采礦方案[25]，該方案由半潛式平臺、垂直管道、水力旋流器、軟管和集礦機等組成。日本還在研制流體挖掘式采礦實驗系統，水深可達5 250 m，采礦能力可達日產1萬t。

23其他國家

澳大利亞公司海王星礦業也在西南太平洋區域申請并獲得了約175萬km2的多金屬硫化物礦區的勘探執照，涉及日本、巴布亞新幾內亞、所羅門群島、瓦努阿圖、斐濟、湯加和新西蘭等國家的專屬經濟區。美國伍茲霍爾海洋研究所研制成功大深度自治潛水器ABE，該潛水機器人在2007年為我國科學家首次在西南印度洋中脊發現海底熱液活動區，并對噴口進行了精確定位。

3海底多金屬硫化物開采前景

在過去的幾年里，深海采礦技術取得了巨大的進步[26-28]。就勘探和開采方式而言，深海采礦業與近岸采礦業相似，隨著動力定位、海底地形成圖，攝像技術，遙控潛水器的運用，多金屬硫化物的開采可以在非常深的水域進行作業[29-33]。

根據《聯合國海洋法公約》，全球大部分的海底塊狀硫化物礦床都位于國際海底管理局直接管理的國際海底區域內，不屬于任何國家經濟專屬區。因此，在慢速和超慢速擴張洋中脊上發現的大型硫化物礦床引起了許多國家的興趣。例如，位于10°N—20°N的慢速擴張大西洋中脊，經由俄羅斯科學家系統地調查，發現了多個活動和非活動熱液區，其中部分熱液礦床與長期存在的大洋核雜巖有關，與極具經濟前景的西南太平洋硫化物礦床相比，這些礦床也具有較高的Au和Cu等金屬含量[34]。目前發現海底熱液區和異常區700余個，其中具有硫化物資源效應的熱液區達100余個。按照熱通量平衡理論[35]，預測全球熱液區數量應達到1 000個左右。如果按上述比例估算，全球具有硫化物資源意義的熱液區的總量應在330個左右，目前資源量在百萬噸以上的熱液區有13處（表1）。鑒于洋中脊的調查程度約為10%，而現在已調查區域被認為是成礦相對有利的地段，因此余下90%洋脊的找礦前景應更低一些，在保守估算（50%）的情況下，初步預測全球洋脊熱液區為1 500處，其中有資源效應的多金屬硫化物產地500余處，超過100萬t資源量的產地約40處。

海底多金屬硫化物礦床相比于陸上硫化物礦床有較高品位的金屬含量而具有較大的開采價值。表2是Slowara 礦區內部分工區的金屬品位與陸地上的日本黑礦（Kurokotype）和加拿大Noranda地區兩個典型硫化礦的礦藏價值比較，可以看出總體上盡管海底硫化物礦床規模較小、開采流程較為復雜，但是它所蘊含的高品位銅、鋅、銀和金含量使其具有更高的商業開采價值[23，36]。

海底多金屬硫化物礦床往往上覆松散的沉積物或直接暴露于海底，并且受海底斷裂控制，與陸上硫化物礦床相比，具有礦床結構簡單，垂向厚度小，高品位礦石集中的特點。除去開采環境限制，海底多金屬硫化物礦床是進行Cu、Zn、Au、Ag等金屬商業開發的最佳選擇。值得注意的是，幾年來銅、鋅、金、銀等金屬價格已經上漲了數倍[38]，并且這樣的上漲形勢還將持續很長一段時間，這大大刺激了深海采礦事業的發展，使得越來越多的礦業公司開始介入海底多金屬硫化物的勘探與商業開發[39]。

4海底多金屬硫化物開發的可行性

深海礦產資源的開發涉及對海洋權益的爭奪和海洋大國間的政治博弈。國際海底區域（簡稱《區域》）的制度核心是資源開發制度，《聯合國海洋法公約》（簡稱“公約”）確立的國際海底制度是基于當時的世界政治形勢以及對國際金屬市場前景的預測，是世界各國經過長期談判達成的協議。

目前國際上對于海底多金屬硫化物的試采工作局限在沿海國領海外的專屬經濟區內。根據《公約》確立的法律制度，沿海國在其專屬經濟區有勘探和開發、養護和管理海床和底土以及上覆水域的自然資源的主權權利。而對于“區域”內的多金屬硫化物礦床的勘探與開發，各國必須按照與國際海底管理局簽訂的合同來實施，并且服從海管局的規章和程序。截至2018年9月，共有7份多金屬硫化物勘探合同已經簽署，勘探區位置包括大西洋中脊和印度洋中脊，涉及的國家有中國、俄羅斯、韓國等[39-40]。我國大洋礦產資源研究開發協會自2011年與國際海底管理局簽訂了面積1萬km2，為期15年的西南印度洋中脊海底多金屬硫化物礦區勘探合同以來，已進行了6個航次的勘探考察[41]。作為第一個與國際海底管理局在全球國際海域簽訂多金屬硫化物勘探合同的國家，我國依靠自主研發的4 500米級深海資源自主勘查系統“潛龍二號”、中深孔巖心鉆機和電法探測儀等設備，現已躋身全球多金屬硫化物勘探前列[42-45]。

隨著海底多金屬硫化物采礦事業的發展，采礦過程中所產生的環境問題也越來越尖銳[46-47]。海底多金屬硫化物開采對環境的破壞有多個方面，如采礦器械在海底進行礦物采集時，會嚴重破壞海地表面達數米，并產生巨大的漩渦，這將對熱液噴口附近的生物群落造成滅頂之災[48];當將礦石從海底提升到水面裝船時，不可避免地將大量的泥漿帶入到海洋表面，使一些金屬離子進入海洋中造成污染。近年來，包括中國在內的不少國家就深海采礦對環境的影響開展了大量的研究[49-50]，聯合國海底管理局的有關規章準則亦正在討論制定中。一些觀點認為，可以通過各種努力將深海采礦對環境的影響限制在可接受的程度，也有一些學者認為深海采礦對環境的影響實際上小于陸地采礦對環境的影響。綠色和平組織（Greenpeace）則對深海開采報以抵制的態度，正在尋求國際禁令，禁止海底采礦[8]。作為管理者，國際海底管理局有責任保護海洋環境使之不受到采礦的有害影響，以及必須發展環境規章，確保在勘探與開發活動時對海底和水體采取必要的保護環境措施，并樹立可持續發展的理念，讓每一個開采者減少、緩和以及盡可能地防止對廣闊生態系統和生境的有害影響和污染[51]。

我國是目前在國際海底區域擁有最多具有資源專屬勘探權和優先采礦權的國家，為下一步實質性開發深海礦產資源奠定了堅實的基礎。綜合分析結果，在未來10年內，我國進行商業化開發深海礦產資源的可行性較低，在國際上其他發達國家已具備開發能力的背景下，我國應加快深海礦產資源開發布局，利用空檔期，做好相應的技術儲備和保障準備工作，特提出以下建議。

（1）積極投身國際海底資源開發規章制定，進一步細化國內法律制度，為深海采礦提供良好法律制度環境。鑒于國際海底礦產資源開發規章仍在制定當中，我國應加強與國際海底管理局的密切聯系，加大深海國際法規的研究，對開發規章草案提出建設性意見;針對《中華人民共和國深海海底區域資源勘探開發法》中的模糊性問題出臺更為詳細和具有操作性的實施辦法及配套政策，為深海采礦提供良好制度環境。

（2）提升深海治理能力，增強我國在深海領域話語權。積極培育國內涉深海的社會組織，充分發揮研究機構、智庫、公司等不同力量的優勢，鼓勵各方在不同的國際場合積極發聲，闡明中國參與國際海底資源開發和保護的理念，各方相互配合形成合力，共同維護我國和廣大發展中國家的深海權益。加強深海基礎科學研究提升國家對深海的認知，利用科學數據支撐深海關鍵領域，如采礦環境保護等方面國際規則的制定。

（3）完善深海技術裝備體系，提高深海開發創新能力。繼續加強深海運載和勘查裝備的配套技術研發，提高深海勘探產品的穩定性和適應性，加快開采和加工裝備的技術創新，全面保障深海礦產資源勘探開發各個環節的穩定運行。構建以企業為主體的創新主體，避免深海科研機構“單兵作戰”，出臺相關政策形成創新合力;建立深海裝備技術共管、共享平臺，促進國內深海技術集成創新。通過大力發展深海勘探和開發技術，降低未來深海采礦的成本，密切關注國際礦產品市場動態，預研預判評估深海采礦的成本收益，做好未來深海礦產資源商業化開發的遠景規劃和實施方案。同時，大力發展深海采礦環保技術和生態修復技術，為環境友好型深海采礦產業奠定基礎。

5結論

（1）海底多金屬硫化物形成于熱液噴口地區，由海底熱液產物堆積而成，賦存水深一般在數十米至3 700 m，大量出現在2 500 m水深附近，與海底構造活動具有很強的時空關系。海底多金屬硫化物以其較高的資源量和商業價值，成為目前海底金屬礦產資源勘探與開發的新趨勢。

（2） 海底多金屬硫化物以其高品位金屬含量受到越來越多的國家關注。目前僅日本在沖繩縣附近海域成功進行了世界上第一次海底多金屬硫化物開采和提礦的中試，加拿大鸚鵡螺礦業公司正在巴布亞新幾內亞專屬經濟區內進行商業勘探活動及開采準備。中國和韓國等國家在國際海域內多金屬硫化物的勘探活動，主要集中在大西洋中脊和印度洋中脊附近。

（3）海底多金屬硫化物礦床相對于陸上硫化物礦床開采環境相對惡劣，技術要求嚴格，開采成本高。國際上都在關注著鸚鵡螺礦業公司的Solwara 1項目是否能夠成功投產，如果該項目成功，則會改變全球的海底多金屬硫化物開采模式。

（4）目前國際上對于海底多金屬硫化物的試驗開采，都位于國家近海的專屬經濟區，關于該區域的開發遵循《公約》確立的法律制度，但該法律條例并不是對所有國家起到約束力，多金屬硫化物開采的合法性仍存在著諸多不確定因素。我國作為第一個與國際海底管理局在全球國際海域簽訂多金屬硫化物勘探合同的國家，在海底多金屬硫化物的勘探和開發方面發揮著越來越重要的角色。

（5）海底多金屬硫化物開采過程中產生的環境問題也越來越嚴重，環境保護嚴格限制著深海采礦的實施，對于海底多金屬硫化物的開采可以先從不活動的熱液噴口試采，努力將深海采礦對環境的影響限制在可接受的程度，減少因為開采所帶來的環境污染。

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