深海采礦潛在環境影響因素及監測技術體系研究

丁忠軍,孫永福,高偉,任玉剛

(1.國家深海基地管理中心 青島 266237;2.青島海洋科學與技術國家實驗室 青島 266237)

0 引言

深海擁有豐富的金屬礦產資源,隨著深海資源勘查評估工作的不斷深入以及深海采礦裝備技術的持續發展,深海礦產資源勘探開發活動進入了高度活躍時期,從國際海域礦區申請來看,2010年僅7塊礦區,到2019年猛增到了29塊礦區(ISA)。即20世紀70年代國際上首次完成深海采礦試驗以來,隨著韓國、日本、印度等幾個國家的深海采礦試驗工作開展,沉寂了幾十年的深海采礦再度活躍起來。

同時,金屬礦產資源在深海海底廣泛分布,這意味著商業化的深海采礦活動啟動后幾乎整個深海海底均會造成破壞,如不加深對深海采礦環境影響的研究以制定必要措施實施環境保護性開發,深海采礦對深海環境的破壞將不可估量,甚至是毀滅性的。

深海采礦是一項大型人類活動,從目前主流的深海采礦工藝和裝備來看,主要采用海底集礦、管道提升輸送和水面選礦等方式,作業過程中,底層物質移除、沉積物羽流生成,以及廢棄物排放,既對海底形貌不可避免地產生破壞,又對整個水體和海洋表層產生重要影響,除此之外采礦系統運行的聲光電磁噪聲的影響也不可忽視[1],與海洋漁業生產、油氣生產以及水上運輸相比,對于極端脆弱的深海生態環境而言,其破壞性嚴重得多。

為了研究深海結核采礦活動擾動的生態環境響應,國際上與20世紀70年代結核試采同步先后開展了幾個深海環境影響實驗研究計劃,如DOMES、MESEDA、DISCOL、ATESEPP等,并持續報道一系列研究成果[2-3]。由于目前對海洋生命特性、生物地理學分布以及深海生物,尤其底棲生物的連通性了解的極少,對計劃投入的采礦技術以及規模還在研究,深海采礦的影響是否能夠在時間和空間上得到控制,是否會產生持續和大面積的影響很難預測。可以預測的是,如果產生大規模持續的海底環境變化,將會導致近底生物群落的長期變化,可能會加大因大洋暖化和酸化造成的生態系統壓力[4]。

深海礦產資源開發的前提是對采礦環境影響取得全面深入的認識,并能提出應對措施,由于深海環境極其復雜,需要長期深入開展監測研究,開展監測研究必須研發環境監測技術,反之,研發深海采礦環境監測技術,必須了解深海采礦環境監測研究的需要。本研究從深海礦產資源現狀、深海采礦環境影響的因素、深海采礦環境監測研究需求以及國際上采礦實驗研究計劃實施情況等幾方面全鏈條系統地梳理了前人的研究成果,提出了深海采礦環境監測技術的發展方向,以期為今后全面開展深海采礦環境監測研究提供參考。

1 深海金屬礦產資源分布

深海存在大量礦產資源,目前5種礦產資源被普遍認為具有潛在的商業開發前景,包括鐵錳結核、富鈷結殼、多金屬硫化物、多金屬軟泥和磷灰巖結核。其中:鐵錳結核又稱多金屬結核,廣泛分布在深海海盆,尤其太平洋最為豐富;富鈷結殼主要分布在800～2 500 m水深,沒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;多金屬軟泥,目前僅在紅海中央區域被發現;磷灰巖結核,多分布在200～400 m水深的陸坡上。考慮到磷灰巖結核多用于制造磷肥,多金屬軟泥區域比較集中,本研究主要以多金屬結核、富鈷結殼和多金屬硫化物等3種主要金屬礦產資源開采為主,討論深海采礦環境影響監測問題[4]。

1.1 多金屬鐵錳結核

多金屬鐵錳結核最早由C.W.Thomson在1873年3月7日英國皇家海軍探險期間發現的。主要在水成作用、成巖作用和熱液流體沉積作用下生成的,外形呈不規則球形,類似土豆,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。

目前發現具有較高經濟價值的礦區主要有東北太平洋CC區(Clarion-Clipperton Zone),中印度洋盆、庫克群島海區和秘魯海盆[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、中印度洋的結核經濟價值最高。一些淺海如波羅的海也發現了鐵錳結核,由于其金屬品位低,所以經濟價值不高。

(1)CC區礦區存儲情況。CC區具有大面積連續的集合分布,大約400萬km2,幾乎和整個歐洲的面積相同(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80%,由CC區東部經過中心區域到西部逐漸增高[7]。這導致了鈷元素和稀土含量從中心到西部逐漸略有增大。與結核分布豐度的變化相比,整個CC區結核化學組成是極其穩定的。CC區東部結核化學組成變化系數(Co V)小于10%而豐度變化大于30%。結核豐度濕重0～30 kg/m2,平均15 kg/m2,錳結核總量估計可達210億t,錳含量估計可達6億t,錳的總量估計與全球陸地錳的儲量相等,而Ni,Co,Y,Tl可是全球陸地儲量的幾倍[8]。

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

(3)庫克群島專屬經濟區存儲情況。庫克群島專屬經濟區位于西南太平洋,包括彭里斯和薩摩亞海盆約200萬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]。該區域的特征是低沉積率、低有機物通量、高核心物質、強底流。長期不變的深海環境,海底和沉積物內氧的狀況長期不變,導致了緩慢生長,平均1.9 mm/Myr的水生鐵錳結核形成,這類結核含 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%。調查研究發現,潛在勘探區豐度19～45 kg/m2,在個別區域最大可達58 kg/m2[15]。

(4)中印度洋海盆存儲情況。中印度洋海盆具有潛在經濟利益的結核區位于10°S—16°30'S,72°E—80°E,水深3 000～6 000 m,面積約70萬km2。該區域的結核富集區被稱為印度洋結核區(IONF),面積大約30萬km2[16],結核總量約14億t,平均豐度為4.5 kg/m2,銅鈷鎳含量約為2 184萬t,還含有高濃度的鉛和稀土元素。其結核分布豐度極其不平均,差別較大,與該區域存在大量的海山和斷層相關[17],印度洋結核區包括幾個不同的扇區,不同的扇區結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%。礦物學組成涵蓋了復水錳礦、水鈉錳礦和鋇鎂錳礦,表明結核生成的水成作用和成巖作用相比例是變化的[18]。不同扇區硅質軟泥、陸源物質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]。結核的化學和礦物學組成及沉積環境特征表明結核生成的機制與CC區是類似的,兩個區結核的不同主要是豐度,印度洋結核區結核豐度明顯高于CC區,主要原因可能是較低的沉積速率和較高的陸源物質輸入。

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

1.2 富鈷結殼

富鈷鐵錳結殼在全球大洋均有發現,主要生長在水下海底火山或平頂海山的山頂、斜坡和臺地上,該區域由于洋流的作用,幾百萬年鮮有沉積物沉積,水下平頂海山的山頂也發現有水成結核[19]。

估計西北太平洋有5萬座海山具有結殼分布,該區域發現了最富的結殼礦。中太平洋海盆海山斜坡上采樣發現的結殼,厚度達8 cm,生長在火山玻璃碎屑基巖上。厚的富金屬結殼一般生長在海山山頂外緣、海山平臺以及山脊上[20]。海山斜坡階地也有結殼分布,經常伴生水成作用結核,還有一些小的結殼碎片。具有經濟利益的結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遠少于西太平洋,因此高豐度結殼礦發現的前景很小。

結殼的分布和組成是復雜的,主要受海山形貌、海流、物質坡移、基巖類型、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率。這些潛在金屬資源的區域重要性最終依賴結殼的分布、礦區小尺度形貌、礦物品位、儲量以及水深范圍。通常結殼層生長的基巖形貌在厘米-分米尺度變化。圓形的巨石和火山流構造形貌在結殼表面得到了再現,小尺度構造形貌經常表現出多節節結構。基巖完全覆蓋的結殼厚度3～5 cm,其局部豐度可達濕重50～90 kg/m2。

與結核相比,結殼一般僅僅固結在基巖上。在中太平洋16°～18°海山斜坡上發現了一些米到分米級的結殼碎片受自然過程影響正從基巖上脫離下滑脫落并破碎分解[21]。結殼碎片脫離的斜坡一般比較光滑,脫離區域上方結殼發現了縱橫交錯的收縮裂縫,估計是隨著鐵錳物質成熟度的升高孔隙度和含水率相應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,在重力作用下產生了滑塌并形成了一些小的結殼碎片。

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。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”號載人潛水器在加拉帕戈斯裂谷發現的,是20世紀重大的海洋科學發現之一。由于熱液噴口具有大量的高濃度金屬物質排放至海底,該發現具有重要的基礎研究意義和經濟意義。

海底熱液系統分布及海底硫化物礦具有全球特征。目前已知的活動熱液點接近了500個,估計數量可能提高數倍。根據目前已知海底硫化物礦藏研究結果,估計在現代海底可能存在1 000～5 000個大型硫化物礦,這些礦區約58%在國家管轄海域以外,36%在專屬經濟區,6%在各國大陸架及延伸區[22]。海底硫化物礦所處位置具有顯著的地質多樣性,如大洋中脊和島弧系統。

海底硫化物礦藏的形貌由熱液系統的演化階段及其所處的不同的地質背景決定的。黑煙囪是典型的熱液礦藏形成的初級階段,已發現的黑煙囪高度從幾厘米到45 m[23]。在中速擴張的胡安·德富卡洋脊發現的玄武巖為主的活動噴口,陡峭的硫化物煙囪體一般幾十米高,存在多個活動的高溫流體排放點[24]。在慢速擴張的大西洋中脊發現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。除了煙囪外,在TAG熱液區和其他的熱液區還發現了類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90 m,是該區域最大的單個硫化物堆積體[25]。TAG熱液區的Mir小丘直徑40～50 m高,直徑達200 m,巨大的體積是長期堆積形成的,最長約達5萬年[26],除了洋中脊外,直徑幾百米,高數十米的巨大的硫化物丘狀堆積體也在其他地質背景被發現,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有助于采礦作業。

2 深海采礦潛在的環境影響因素

將幾百米直至數千米的海底金屬礦物采集并運輸到水面,是一項大型的人類活動,目前主流的深海采礦工藝和裝備來看,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。環境影響的主要因素有底層物質遷移、環境水遷移、光和噪聲的產生、作業沉積物羽流的產生、沉積物(尾礦)排放羽流產生、有毒物質釋放、海水酸化、溶解氧耗竭、棲息地改變、外來物種或致病物質輸入等幾方面[27]。

2.1 底層物質及底層水遷移

幾乎所有海底金屬礦產的開發均涉及大量海底物質的遷移。由于金屬礦產在深海大洋海底大面積的廣泛分布,未來結核、結殼工業化采礦影響面積將是巨大的。一個單一的鐵錳結核采礦點估計每年會開采100～600 km2的礦物[29-30],一個260 km2的富鈷結殼礦僅20年的開采周期[31]。海底集礦作業過程中,需對大面積的礦物及其周圍沉積物進行刮耙、切割,對原位浮游生物和底棲生物的直接影響無法忽視。如使用射流技術使結核松散并抽吸收集,礦石、沉積物和水流勢必混合在一起,小的底棲生物和浮游生物無法逃避水流。礦物及其周圍沉積物等一些物質的永久移除,對生態環境的影響可能是深遠的,也是多方面的。

目前的深海采礦工藝,大多數包含閉環提升系統,使用大量水稀釋沖刷礦物和抽吸泥漿到水面,同時還可能需要用水對設備進行沖洗。估計單一采礦點,硫化物礦每天環境水遷移大于40 000 m3/d,鐵錳結核礦大于50 000 m3/d[32]。大多數水是從距離海底不足10 m的上方取走,這是特種底棲動物群落的棲息地,大量的無脊椎動物和浮游動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備的直徑和速度以及水體物種的大小的移動能力。一些大的移動快的動物可能會逃避開水流抽吸,長期生活在無干擾環境下的深海魚類游動相當緩慢,可能逃避干擾能力較低,浮游動物,包括季節性浮游生物幼蟲一般會被吸走殺死。在活動熱液噴口,由于無脊椎浮游生物幼蟲比較集中,抽吸裹挾的影響會更特殊。

2.2 光和噪聲的產生

結核、結殼和硫化物集礦機需配備強光源沿著采礦路徑照亮海底,以便使用照相機控制作業。同時,用于調查、監測和維護的遙控運載器(ROV)等也會發出強光。幾乎所有礦種的海底集礦和提升設備都會產生噪聲,包括提升過程中震動摩擦以及管線移動。

陽光無法穿透1 000 m水深進入大洋,許多深海生物部分或者完全沒有眼睛或感光器官,但是許多魚類和無脊椎動物可以感覺到極弱的生物發光[33]。生物發光的物種范圍很大,從細菌到魚類,是深海唯一的自然光源,這種現象在各個大洋普遍存在[34]。一些魚類追逐亮光,一些魚類逃避亮光,還有一些對亮光沒有反應。這無疑增加了抽吸裹挾上海的危險性,生物發光的生態功能將會被局部破壞,比生物發光強得多的人工光源可能會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,估計采礦系統的噪聲會傳播幾百千米,影響較大區域。聲音的傳播是全向的,可以穿過溫鹽躍層到達表層,因此其影響的不僅是深海生物甚至包括整個水體和表層生物,無論主動還是被動利用聲音的動物,包括捕食、通信、導航等,都會有一定的影響。除了直接傷害聲音感應器或者誤導海洋生物行為,人為噪聲可能干擾聲音的自然應用,遮蔽了生物聲音信息或觸發了錯誤的響應。因為沒有合適的深海海底采礦噪聲產生和傳播的信息,以及對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測。

2.3 采礦作業沉積物羽流

海底采礦過程中的礦物刮、耙、切割收集,沖洗、破碎和研磨等操作,以及集礦機運動都不可必可避免地會產生沉積物羽流。目前,工業規模采礦產生的影響浮游生物濃度的羽流擴散范圍還不能可靠地估計。根據加拿大鸚鵡螺礦業公司數值模擬的結果,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距離礦井700 m遠,該結論還存在質疑,影響可能還要大得多。

鐵錳結核采礦區域較大,每年可影響幾百平方千米,沉積物羽流的沉降區域將更大。模擬計算估計一個12×12 km的結核采礦區大于0.1 mm顆粒物一年擴散的距離可以到達50 km。該沉降速率可能超過了背景沉降速率的100倍,既不包括長期采礦作業的疊加影響也不包括可以懸浮多年對浮游動物影響最重的極細小碎片[35]。

海山區結殼區沉積物極薄,一般在結殼表面裂隙中,采礦作業不可避免地會產生沉積物再懸浮,結殼的切割、刮耙將會產生沉積物云。沉積物羽流的產生在幾個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。懸浮無機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無營養或低營養顆粒物的攝入導致近底生物餓死或者減緩生長,并會導致級聯影響;干擾沉降食物產生的味道,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光傳播距離,降低生物發光求偶成功率,從而降低再生產率;掩蓋生物的化學痕跡,影響生物求偶從而減少再生產率。

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或者鏈桶系統輸送的水面支持母船進行預處理。預處理產生的尾礦,包括廢水、沉積物和礦石破碎磨損產生的細固體顆粒物,將被排放回海洋,在排放點產生沉積物羽流。估計每個鐵錳結核集礦機每天產生干重400 t的固體顆粒物懸浮在5萬t廢水里[36-37]。硫化物采礦每天產生的4萬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域大小取決于排放持續時間、排放量、排放物質粒徑分布、排放深度以及排放區海洋學狀況。仿真模擬發現大于15μm粗粒物質靠近源頭快速沉降,而細顆粒物可能漂浮在海上數年擴散至幾百千米,在中尺度渦的作用下,廢棄物可以傳輸更遠的距離[38]。尾礦排放沉積物羽流除了具有作業沉積物羽流一樣的深海生態環境影響外,排放深度不同還可能發生不同的影響[39]。

(1)在光合作用帶(0～200 m)區域排放:光合作用帶濁度增強會降低光的利用率,導致初級生產率顯著下降,可能產生級聯反應影響到高營養等級的生物。Chan等[40]估計18×2 km區域的全面結核采礦作業,短期的排放影響會導致初級生產率會降低到50%,持續數年的連續排放無疑會對浮游植物群落產生長期的影響。浮游動物攝入無機顆粒物會降低生長率,其高沉降率糞便的排泄也會導致顆粒物通量的增強。排放水與環境水流速和密度的不同可能會局部引起對流,直接干擾上層水,其對生態系統的影響上尚不能被預測。

(2)在中深層暮光帶(200～1 000 m)排放:晝夜垂直遷徙動物在該層出現,沉積物羽流造成的濁度增強,可能會減少依賴生物發光現象捕食的生物獵食成功率,通過生物發光進行通信的能力也會受到抑制,浮游動物無機顆粒物的攝入會提高其糞便的沉降速率[41]。顆粒物通量的增強是否會提高有機物質通量,從而增加深海動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以深深海區域排放:該區域除了生物發光外是完全黑的,顆粒物負載的增加與上層類似,包括抑制生物發光的生態功能,可能會更嚴重,因為該層的自然濁度是極低的。由于天然顆粒物豐度高得多,沉積物顆粒與天然有機物顆粒的競爭,與上面幾層相比,可能會大幅提高。

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

此外,泵輸礦物到水面支持母船的水會在礦物預處理過程中會變暖,排放的水的溫度與排放區域環境溫度不同,可能會引起湍流垂直流。深海動物群落一般適應很小溫差的低溫環境,在深海或者海底釋放暖水可能損害甚至殺死一些對排放敏感的生物。移動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境水快速混合,溫度會快速實現平衡,影響的區域較小。

2.5 酸化、氧損耗及生境改變

硫化物礦在采礦過程中由于硫化物氧化可能會產生硫酸,硫化物采礦酸的產出可能不會超過海水的緩沖能力。但由于采礦過程中酸的釋放是否會局部增大由于氣候變化導致的海洋酸化,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,海底采礦作業可能會攪起缺氧沉積物,缺氧沉積物在水體的排放可能會增加氧的消耗。由于采礦路徑上死亡動物的微生物分解,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局部的降低氧濃度,影響到該層的大多數浮游動物和弱泳生物。

深海采礦造成的底層物質移除和再沉積,以及采礦裝備在海底運動碾壓,除了多數底棲動物難以幸存外,將嚴重影響海底微形貌和結構,也可能會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似結核結殼等堅硬物質的難重塑性,海底結構的人為變化可能會持續很長的時間,其影響是直接的、多方面的。

(1)微小地質結構體的破壞、采礦裝備行走軌跡、溝槽的產生,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的深海底棲動物利用棲息地覓食或庇護,棲息結構移除的影響可能是長期的。

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

(4)采礦活動的底棲生物致死會影響深海底棲生物的食物供應變化,如浮游生物幼蟲的減少,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遭到破壞,只有通過快速地再移植才能重建。

2.6 有毒物質釋放及外來物種侵入

無論是礦物開采還是尾礦排放均會釋放有毒物質,如重金屬。鐵錳結核和鐵錳結殼的重金屬浸出較低,硫化物礦可能會有大量的潛在有毒金屬[41]。考慮到溫度、壓力和廢水的成分等不定因素,加之深海動物群落對高濃度金屬離子的敏感性數據還十分缺乏,可靠地預測有毒物質對具體生物組織的影響目前是不可能的,一些潛在的風險難以避免[42]。有毒化合物,如重金屬,對生物組織會產生急性或慢性的傷害,深海采礦作業和排放的羽流中,超過生物可利用量的重金屬進入水體可能會致死或者抑制深海生物生長,或者降低在生產率,高等的動物會由于有毒物質在食物鏈中的生物積累可能受到影響,并通過水平和垂直遷徙增大影響范圍。由于海底生物群落對好金屬例子濃度敏感性較小,如多金屬硫化物礦區,靠近海底釋放金屬物質,比在水體內釋放影響可能會小,還需要進一步的實驗驗證。

所有深海采礦活動均需要將深海固體物質和水從海底運輸到水面,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將水面污染物攜帶到深海水層。深海真核生物可能會在采礦極端不同環境中幸存,并傳播到水面支持母船。水面污染物在深海海底持續的繁殖是不可能的,但不排除一些細菌、古菌和病毒給海底生物群落帶來潛在的健康風險。深海金屬礦物開采影響的不僅僅是底棲生物群落,也可能會影響到深海生態系統組成。對于深海生物而言,一些影響可能是致命的,大多數會削弱攝食、生長和再生產過程,導致生物資源量減小,生物群落改變以及生物多樣性降低。然而對深海種群,食物鏈和整個生態系統間接影響的潛在結果及規模的判斷是相當困難的,需要通過技術手段系統地長期地開展監測研究。

3 深海采礦環境監測技術體系

3.1 生態環境監測目標任務

深海采礦環境影響研究應實現兩個目標:更好地認識深海生態系統,實現可靠地預測潛在的影響;探明工業化采礦活動在生物多樣性、生物量以及功能關系等方面造成的生態系統結構變化[43]。

深海采礦環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移除,沉積物羽流,尤其尾礦排放羽流的產生擴散及其造成生境變化。由于傳播擴散的路徑最短,尾礦海底排放可能對生態環境的影響最小,環境調查研究主要任務可基于海底排放開展系統全面調查監測研究,在此基礎上針對排放水層的不同增加調查監測研究任務。

(1)靠近海底排放。應研究海洋哺乳動物出現情況及其背景噪聲,不同層深浮游動物組成、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物的組成、豐度和總量。通過研究魚類和大型無脊椎動物胃容物監測研究受影響水層的食物網變化,采用原位實驗研究生物群落的新陳代謝以及顆粒物濃度增加后對濾食生物的影響,原位實驗研究不同營養等級物種有毒物質影響。

(2)光合作用帶以下排放。還需要在選擇多個站位,按深度評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(若水體出現垂直對流,上層水體也應該考慮)。

按深度評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,如出現貧氧層,須特別重視。

(3)光合作用帶排放。還需要調查浮游植物大小、種類組成,按深度分層評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,需要考慮垂直遷移生物的影響。

多金屬硫化物區和富鈷結殼區的復雜地形使近底生物群落的環境影響評估尤其困難。尤其海山區,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雜,導致了深海生物群落時空變化較高,鐵錳結殼礦及其開采產生羽流可能位于垂直遷移生物范圍內,并且會影響到表層環境,需要特別關注。

3.2 環境監測研究技術需求

3.2.1 環境監測調查方法

深海采礦活動及其對環境的干擾是動態的、復雜的、多方面的具有系統性、耦合性,需要科學的監測調查方法,主要包括以下幾個方面。

(1)調查監測任務的時序或流程。采礦試驗和環境監測研究之前應首先開展環境基線調查,采礦擾動試驗開展后應立即開展擾動監測和影響評估,然后不間斷地定期開展研究。

(2)監測采樣網格設計。應能代表采礦站位的生物和非生物特征,采礦作業和排放羽流至少包括高、中、低幾個顆粒物濃度地點,要有一個以上的影響區域以外的參考站位。

(3)樣品數據要求。每個站位必須有足夠數量的樣品和數據,以保證統計分析結果的質量,盡可能完成多次重復測量以了解自然地時間變化,在生物調查取樣的同時,完成水體物理化學剖面等環境屬性的測量。

(4)監測時間要求。具有季節性變化特征的,需要長期監測,應覆蓋一個以上變化周期,如一年以上,監測垂直遷移生物需要晝夜分別觀測。

3.2.2 裝備技術

深海采礦環境監測研究,需要獲取高質量環境樣品和數據,高度依賴深海裝備技術。一般情況下,不同作業任務需要不同的技術裝備支持,包括運載裝備、固定觀測裝備、監測調查儀器以及小型取樣裝置。

水體、底邊界層和近底游泳動物的組成、豐度和生物量調查監測,需要圍網、聲光系統、誘捕裝置以及載人潛水器、ROV或AUV等運載裝備,搭載長期定時照相機和多頻水聽器的錨系或者LANDER系統。

水體及底邊界層浮游生物組成豐度和生物量監測,需分層拖網、底表撬網或者ROV和成像系統調查。

按深度分層評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,需要分層拖網、攝像系統,如視頻浮游生物記錄器、水下攝像剖面儀等,多頻水聽器等。

在海底形貌極端復雜的站位和活動熱液噴口開展調查研究,靠近海底的生物群落應使用配置拖網和成像系統的載人潛水器、ROV或者AUV開展調查研究,如果豐度極高,可采用泵類設備。小型網具、聲光系統、誘捕裝置、小型撬鏟均可以使用。

考慮到海山區和熱液區生物群落的時空變化特征,需要采用聲光錨系統進行長期觀測;羽流跟蹤和大面積環境參數監測,可采用水下滑翔機或AUV等運載裝備。

原位實驗研究生物群落的新陳代謝以及顆粒物濃度增加后對濾食生物的影響,需要搭載聲光觀測系統的錨系或者LANDER系統;原位實驗研究不同營養等級的物種有毒物質影響。需要搭載聲光觀測系統的錨系或者LANDER系統。

3.2.3 仿真模擬技術

深海采礦,尤其進入工業化開采階段,環境影響范圍大,機理復雜。僅靠現場調查取樣研究,無論從人力、物力、投入還是科學認識本身,都難以實現可靠地評估。模擬實驗技術是不可或缺的重要技術手段,并且取得了一系列的研究成果。仿真模擬實驗技術包括物理模型實驗和數值模擬計算等兩類。

利用物理模型試驗,可開展新型采礦裝備海底采礦作業與海底底質環境的相互作用研究,如底流作用下,海盆、海山、洋中脊等不同地質環境,不同采礦裝備,不同作業方式下,作業沉積物羽流的產生動態特征模型研究。

利用數值模擬仿真,可開展沉積物羽流,包括作業羽流及尾礦排放羽流,在水動力環境下的運移研究,包括不同底質,不同微地形地貌下采礦作業羽流的運移,不同深度尾礦排放羽流的運移,渦旋、湍流對沉積物羽流的影響等。

3.3 技術體系構架

深海采礦對深海大洋生態環境的影響是深遠的、多方面的、復雜的,其監測評估系應滿足不同礦種、不同海域、不同規模海底采礦活動對環境產生的影響,環境影響監測的技術體系應具備多目標、多維度、多層級、多手段、多學科,全開放、全鏈條、全天候,陸海一體、軟硬一體等基本特征。

(1)多目標:技術體系以監測深海采礦活動對海洋生態環境影響為主,解決深海生物,尤其底棲生物群落結構變化、多樣性和生物量的影響,同時監測深海采礦活動對目前以出現的海洋酸化、暖化等現象及其對全球氣候的可能影響。對于具體采礦活動的影響,即可以監測多金屬結核采礦活動的環境影響,也可實現富鈷結殼、多金屬硫化物甚至稀土和多金屬軟泥等礦產開采活動的影響;即監測生態環境影響,又可監測可能出現的局部生態和地質災害。

(2)多維度:時間上既滿足采礦前環境基線的調查研究需要,又可滿足采礦活動環境干擾的動態全過程,并在采礦擾動產生后可長時間監測其變化;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現全面原位監測。

(3)多層級:作為技術體系,應包括多個層級。技術體系構建首先應以環境監測技術需求為導向,監測的技術方法,包括技術規范規程以及標準是監測技術體系的頂層;深海調查監測高度依賴技術裝備,技術裝備是技術體系的核心層,技術裝備同樣應成體系構建,除科考船外,包括MUV、ROV、AUV、水下滑翔機、著落器等水下運載裝備,聲學、光學拖體,潛標、錨系等固定觀測裝備、各類物理化學傳感器以及甲板和室內分析測試儀器;數據分析處理層,包括各類數據處理軟硬件、數值技術與仿真軟硬件平臺等;試驗驗證層,包括物理模型試驗系統、深海采礦原位試驗場。

(4)多手段:技術體系采用多種技術手段,在監測研究實施層面包括長期原位監測、分階段走航調查、陸上模擬實驗和大數據分析處理以及仿真計算等;在采用的技術方法方面包括聲、光、電磁等手段。

(5)多學科:調查技術方法涉及生物生態、海洋地質、物理海洋、地球物理等多個學科,技術裝備研發同樣涉及材料、結構、控制、通信、傳感檢測等多個學科。

(6)全開放:技術體系的全開放性表現在兩個方面,從應用方面要向海洋環境監測各個領域開放,從體系構建方面要實現結構開放,不斷跟隨技術進步豐富和完善技術體系的架構,不斷增加新的技術手段。

(7)全鏈條:監測體系的全鏈條指從采礦環境干擾信息的提取,到不同時空環境影響樣品和數據的獲取,到分析測試研究,再到試驗驗證一體化全鏈條。

(8)全天候:監測技術體系滿足監測活動的時限要求,既可以長期穩定工作,又可以解決應急監測需要。

(9)陸海一體:海上調查監測與陸上分析測試、仿真模擬一體化。

(10)軟硬一體:監測的技術方法、數據分析處理方法、仿真計算和模擬實驗等軟技術和重大裝備和原位精密傳感器以及甲板和室內測試儀器等硬件一體化。

4 結論和建議

本研究從深海采礦活動監測評估需要,系統地分析多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物等主要深海礦產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資源的生長的地質背景;從底層物質遷移、沉積物羽流產生輸運、聲光噪聲的產生以及有毒物質釋放等10個方面在采礦活動工程角度分析了深海采礦對環境的印象因素,分析了生態環境監測研究的目標任務,提出了深海采礦環境監測技術體系構建的基本要求,對今后系統全面地開展深海采礦環境監測具有一定的技術支持作用。然而,由于目前深海采礦技術工藝尚在不斷發展中,進入大規模商業采礦的時間也難預測,本研究提出的技術體系構建理念還需要進一步深化細化。

目前處在深海采礦事業發展的戰略機遇期,為了盡快提升深海采礦環境影響評估的能力,推動深海采礦向商業化工業化邁進,建議系統地謀劃環境監測技術體系,加強頂層設計,加大重大裝備研發,啟動采礦環境影響試驗工程,發展數值模擬技術,推動深海環境監測國際標準制定,以期在未來深海資源開發與環境保護中維護國家利益。