深海採礦是人類發展的新曙光？

文/圖 劉暢 來源於：沉積之聲

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人類社會和科技發展的速率由金屬礦石資源的可獲得性所決定。隨著陸地上較容易獲得的金屬礦石資源因被大肆開採而逐漸枯竭，資源短缺的問題也逐漸浮出水面。科學家們現拓展了一條資源開採的新思路：深海採礦（Deep-sea mining）。然而，目前海洋礦床方面的研究相對較少，科學家們也沒有得出非常多堅實的結論，得到的實驗數據和結論也是具有探索性的；而這正暗示著深海採礦蘊含的無限可能性，其戰略意義和發展前景正逐漸嶄露頭角。

首先要了解一個問題就是，深海採礦是做什麼？一些陸地資源比較匱乏的國家，例如日本，已經在衝繩海域進行鋅的開採實驗。據報導，日本政府認為從海洋中採得的鋅等金屬的數量可以和其國內年均消耗量媲美（來源於japantimes.co.jp，2017/09/26）。這聽上去對於任何一個國家來說都十分的誘人。海洋具體有哪些資源是人類感興趣？比如在熱液循環系統旁沉積的金屬硫化物，在海底火山的富鈷結殼，以及在海底平原上的多金屬結核或者錳結核。最後我們需要思考，從深海的海底捕撈礦物能否實現利大於弊？

01.

錳結核及其可能的形成過程

錳結核的開採和研究較為普遍，相對成熟。本文以此為例進行簡要介紹。

圖1 開採出的錳結核（網絡圖片)

和其他深海礦產一樣，科學家們對於其形成和有效的開採方法還存有爭議。就目前來看，這個直徑四到十釐米，長得像烤焦的土豆一樣的球體(圖1)裡富含錳、鎳、鈷和銅的氧化物，每種金屬元素的含量隨著當地海水的化學成分變化而呈現出一些微調；球體裡還是以錳居多，剩下的都是些微量元素和不能用的硬物質。

那些最具有經濟價值的球體裡含高達30%的錳，而這種球體主要聚集在世界上的四個位置：秘魯海盆、印度洋、彭林海盆、以及CC（Clarion-Clipperton）區（圖2）。

圖2世界大洋海底錳結核的分布圖，紅圈標出四個主要產地（改自：J.R. Hein et al., 2013）

接下來簡單介紹一下錳結核幾種較為常見的形成機制（圖3）：

第一種為成巖作用成核，此過程是發生在沉積層中而非於沉積層表面水體中的。沉積物孔隙中的水體氧含量較低，使得這類環境氧化能力相對較弱，從而使富集鈣錳礦的錳結核在海底泥漿（oozes）中通過附著在生長核的周圍來生長。

第二種為水生成核，即錳的氧化物直接從與底層海水充分混合、反應並氧化的熱液中析出，並附著在某種生長核上，從而一層層地向外延伸。這種核可以是任何固體，比如石英顆粒或鯊魚牙齒（Burns et al, 1997），等等。通過這種方式形成的結核裡，錳以在富氧海水中穩定的水鈉錳礦的形式出現。

第三種機制是通過富水羥錳礦來形成錳結核；這種錳結核通常被發現於海底高地區域。富水羥錳礦的錳結核中鐵：錳與海水中鐵錳比幾乎一致，暗示它是直接從海水中過飽和析出形成的可能性。大多數的錳結核是通過上述機理（Takematsu et al, 1989）加上潛在的細菌氧化還原共同作用形成的；每種機理的作用程度和速度會隨著當地海水成分、溫度、壓強、生長核的可獲得度及海底洋流速度等條件的變化而變化。

雖然具體的成因機制有待更多的研究，但是一些有利於錳結核形成的條件（Mero,1962）包括：（1）較低的沉積速率，大部分的錳結核都被發現於遠洋沉積物中，並遠離陸源沉積物，這說明錳結核需要在安靜的水體中且不被幹擾環境下生長；（2）較為活躍的海洋底部洋流能夠為形成錳結核的環境保持相對高含氧的狀態，並帶來可能成為生長核的碎屑等；但海底洋流也有可能通過增加錳結核上所覆蓋沉積物的量而影響其生長。

圖3 兩種錳結核形成機制示意圖

（圖源：https://www.grida.no/resources/7364）

02.

開採錳結核所帶來的問題

首要問題在於，這種礦物再生速度實在是太慢；大概每一千年能生長多至10cm，少則0.001cm（Mero,1962）。人類很可能等不到也看不見它們的含量恢復到開採前水平，所以人類總會面臨錳結核礦枯竭的威脅。第二個問題是，現代的開採錳結核的技術包括使用帶鉤拖船等在海床上進行刮擦（Miller et al.,2018），將海底沉積物表面十幾釐米甚至一米的全部弄散才能有效分離出錳結核和鬆散的淤泥（圖4）。

海底淤泥經過攪擾之後會懸浮在海洋水體中，並且要經過很久才能重新降回到海床表面。在此期間，海水會變得渾濁，從而不利於光合作用的進行，牽一髮而動全身，深海的整個食物鏈和生態系統都會受到極大的影響（Miller et al.,2018）。在洋流的擴散作用下，這個環境問題可能會加劇到不可控狀態。一些微生物以錳的氧化還原反應獲得能量從而在這種環境下生存下來，而大量開採錳球可能導致這些微生物的滅門慘案。

從上面這些來看，我覺得按照現有的這種粗暴的、竭澤而漁、殺雞取卵的採摘模式可能不是有效的方法，所以我們仍然需要發展相應的技術來降低海底採礦對於環境的副作用。同時，開採上岸的錳結核裡錳含量最豐富在有30%左右；換言之，現在的我們很可能要多花好幾倍的經濟成本來對其進行提煉，大有入不敷出的可能性；這說明，繼續發展和完善相關的技術以降低成本是必須通過的難關。另外，提純產生的廢料處理問題也不容忽視，且十分棘手；將深海採礦所產生的廢料留在陸地上可能會惡化陸地上的生態系統，加重原有一部分垃圾填埋場的負擔；然而礦渣並非一無是處：現有針對礦渣微晶玻璃等產品及其相關工藝的研究（陳國華等, 2002），能為礦渣處理開拓新的思路。

圖4 三種主要的深海資源及其開採方式

（修改自Miller et al.,2018）

03.

海洋採礦與全球政治經濟

從全球的角度來看，最後一個問題不在地質學，在於政治經濟領域。海洋資源的開發不同於陸地，尤其是在專屬經濟區以外廣闊海域裡，沒有那麼強的公平性可言，因為屬於全人類而非某個國家或組織，所以原則上只能是先到先得。誰的經濟和科技發達，誰就能優先開採這些資源。海洋資源的開採更是一次全球資源大洗牌，誰掌握了資源（包括但不限於金屬礦產和化石能源），誰就掌握了科技、經濟和生產力等優先發展的主動權，誰就會變得更加強大。

那些有領海又有海洋資料的高科技國家是非常佔優勢的，例如美國和日本；但那些沒有領海的國家呢？比如大部分的非洲國家四面均不靠海，全球貧富差距很有可能會因此加劇；如果一個有領海的國家卻沒有相應的海洋地質資料與開採技術，一些已經從海洋獲利的國家是否會經濟掠奪或制裁這些國家？

此外，各大國家因從海洋中採礦造成的汙染可能會隨著洋流擴散並混合到其他國家的海域並通過水循環和食物鏈進入當地生態系統，甚至是全球人民的飲食；這個汙染若已無法有效追溯其根源，由誰來承擔並收拾這些汙染又是個問題。對於那些沒有從深海採礦中獲利的地區和國家而言，更是不公平。最終結果可能就是強者越強，弱者越弱，差距往兩極分化情況下，強權政治和霸權主義有可能進一步泛濫，國與國之間就會出現我們常說的「拳頭即正義」。

04.

結語

首先，從海中採錳結核等固體礦產是新奇的做法，在不能很好控制其對環境的副作用前還是不建議大幅開採；我相信人類有這個能力來因地制宜，通過每一種礦物的特性來巧妙地開採海洋；作為地質學家，我們雖以發掘新資源為榮，但更要以人類發展的大局放在第一位，時刻警醒世人；第二點，我多少認為海洋採礦多少反映出人類徵服自然的勃勃野心，對於環境汙染的逃避態度。如果我們不能發展較完善的資源回收利用系統，那人類就可能會像啃老族一樣坐吃山空。等到陸地和海洋的資源全部枯竭，下一步是不是要開發大氣層、隕石，甚至求助於外星資源了？大氣層中可能有我們意想不到的驚喜，但就目前而言，它遠遠不能和海洋陸地的資源相抗衡。我們對於海洋的利用和開採像是在拆了西牆補東牆：海洋已經因為塑料、海冰融化和酸化的問題傷痕累累了。人類目前這些做法可能是在飲鴆止渴。

等到海洋和陸地都不再宜居，喪鐘將為誰而鳴？我們的命運與地球的命運緊緊聯繫在一起，善待地球真的就是在善待自己。

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本文作者為牛津大學地球科學系本科生劉暢。

主要參考文獻

https://www.japantimes.co.jp/news/2017/09/26/national/japan-successfully-undertakes-large-scale-deep-sea-mineral-extraction/#.XwLft2gzZnJ

【1】Miller KA, Thompson KF, Johnston P and Santillo D (2018) An Overview of Seabed Mining Including the Current State of Development, Environmental Impacts, and Knowledge Gaps. Front. Mar. Sci. 4:418. doi: 10.3389/fmars.2017.00418

【2】James R. Hein, Kira Mizell, Andrea Koschinsky, Tracey A. Conrad, Deep-ocean mineral deposits as a source of critical metals for high- and green-technology applications: Comparison with land-based resources, Ore Geology Reviews, Volume 51, 2013, Pages 1-14, ISSN 0169-1368. doi: 10.1016/j.oregeorev.2012.12.001

【3】John L. Mero; Ocean-floor manganese nodules. Economic Geology ; 57 (5): 747–767. doi: 10.2113/gsecongeo.57.5.747.

【4】Burns R. G., Burns Virginia M.,Easton A. J., Horne J. E. T. and Dunham Kingsley Charles, 1997 The mineralogy and crystal chemistry of deep-sea manganese nodules, a polymetallic resource of the twenty-first century., Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences 286283–301. doi:10.1098/rsta.1977.0118

【5】Noburu Takematsu, Yoshio Sato, Shiro Okabe, Factors controlling the chemical composition of marine manganese nodules and crusts: a review and synthesis, Marine Chemistry, Volume 26, Issue 1, 1989, Pages 41-56, ISSN 0304-4203. doi: 10.1016/0304-4203(89)90063-7.

【6】陳國華,劉心宇.礦渣微晶玻璃的製備及展望[J].陶瓷,2002,(4):16-20. DOI:10.3969/j.issn.1002-2872.2002.04.003.