海底熱液多金屬硫化物勘探開發與管理研究＊

公衍芬，劉志杰

（國家海洋信息中心 天津 300171）

海底熱液多金屬硫化物勘探開發與管理研究＊

公衍芬，劉志杰

（國家海洋信息中心 天津 300171）

文章綜合分析了熱液多金屬硫化物勘探開發的技術可行性、經濟可行性、環境和生物影響以及管理政策，并在此基礎上，提出了建立我國國際海底資源開發的戰略和對策建議。

海底熱液多金屬硫化物；勘探；開發；管理

隨著陸地金屬礦產資源的日漸枯竭，人類逐漸把目光轉向深海礦產資源，海底塊狀多金屬硫化物是繼多金屬結核和富鈷結殼等深海礦產資源之后人類認識到的又一種新的海底礦產資源，由于其賦存水深較淺、距離陸地較近，經濟價值也相對較高，被認為具有較好的開采價值。海底塊狀多金屬硫化物的開發已引起了國際采礦界的高度關注。日本完成了硫化物資源勘探相關工作，已選定了兩個開采區。俄羅斯完成了多金屬硫化物礦區的第一階段勘探工作，進入了多金屬硫化物資源采礦系統設計研究階段。澳大利亞的兩家公司在西南太平洋區域的巴布亞新幾內亞和新西蘭等國專屬經濟區內申請和獲得了面積達50萬km2余的勘探區。海王星礦產公司完成了熱液礦區勘探工作，并于2010年進行試驗開采；鸚鵡螺礦產公司完成了熱液礦區勘探工作和采礦設備的制造，于2010年開始進行商業開采。

1 海底熱液多金屬硫化物概況

多金屬硫化物（polymetallic sulfide）是指熱液作用形成的硫化物礦床及伴生的礦物資源［1］，亦稱塊狀硫化物（seafloor massive sulfide，SMS），是匯聚或發散板塊邊界巖石圈與大洋（水圈）在洋脊擴張中心、島弧、弧后擴張中心及板內火山活動中心發生熱和化學交換作用的產物［2－3］，一般富含銅、鉛、鋅、金和銀等金屬，同時副產物有鈷、錫、硫、硒、錳、銦、鉍、鎵與鍺等［4］。按其形態分為海底多金屬軟泥和海底多金屬硫化物礦床兩種。2010年1月，世界上第一個海底礦產項目開發公司——鸚鵡螺礦產公司宣布，2009年對巴新巴薩穆克海域勘探樣品分析結果顯示，銅等級至32.4%，鋅升至52.6%［5］。

據不完全統計，當前發現及經推斷確定的海底熱液成礦的硫化物礦床有350多處［6］，規模比較大的近20處，其中多處資源量超過百萬噸。它們主要分布在10°S～30°N，其水深范圍為2 500～2 900m，集中在地質構造不穩定的區域，如洋中脊、板內熱點和弧后盆地［7］。這些區域大都與地震、火山、斷裂、擴張緊密相關（圖1）［8］。

圖1 世界大洋主要海底熱液區分布位置

2 國內外研究現狀

1948年瑞典科學家利用“信天翁號”（al－batross）考察船在紅海中部AtlantisⅡ深淵附近（21°20′N，38°09′E，水深1 937m）發現高溫高鹽溶液。1963—1965年國際印度洋調查期間，在紅海軸部及中央盆地中識別高溫高鹽溶液，發現熱液多金屬軟泥，揭開了海底熱液活動研究的序幕［9］。從20世紀80年代起，世界上幾個主要工業國家就制定了勘探和開發海底多金屬硫化物的國家計劃。蘇聯早在20世紀60年代中期，就在太平洋獲得了多金屬硫化物樣品，并對大洋熱液過程的成因進行研究。20世紀60—70年代，蘇聯在太平洋洋中脊和印度洋進行了一系列的調查，研究低溫金屬沉積物和熱液礦床的成因。除俄羅斯外，大力進行海底多金屬硫化物調查勘探和研究工作的還有美國、法國、德國、英國、日本、加拿大和澳大利亞。目前，葡萄牙和意大利也制訂了勘探深海多金屬硫化物的計劃。

3 海底多金屬硫化物勘探開發

3.1 技術可行性分析

根據發現的礦點水深情況，相對其他海底多金屬結核及富鈷結殼等資源而言，海底多金屬硫化物一般分布在相對較淺的水域，從幾十米至3 500m不等，多出現在2 500m左右，開采系統技術問題相對比較容易解決。

海底多金屬硫化物特殊的地質背景及結構形態，從另一個角度為開采系統設計提供了極大的便利，即對于一般呈丘狀的硫化物礦體，采集器無需像采集多金屬結核那樣在較大的區域來回采集，更無需復雜的路徑規劃，而更趨向于集中在小塊海底區域內的定點作業。因此，采礦系統對采集器行駛性能及控制系統的要求將大為簡化，系統的可靠性將得到提高。同時，現有的深海采礦方法、陸地金屬冶煉工藝、較為成熟深海機電產品技術及ROV裝備、海洋石油開采技術及工程經驗等為海底多金屬硫化物的開采提供了借鑒的可能，經過適當的整合與集成，這些方法及技術完全可以保證硫化物開采的需要。

3.2 經濟可行性分析

海底多金屬硫化物普遍具有較高的金、銀、銅、鋅含量，無論是與海底多金屬結核資源還是與陸地硫化物礦相比，都具有明顯的開采價值，美國國家地質調查局1983年針對Juan de Fuca的三組硫化物礦樣品的分析結果［10］顯示，根據當時的金屬市場價格，每噸硫化物礦剔除含有的稀有金屬鎘的價值（約106美元/t）后，僅銅、鋅、金、銀等的綜合價值為348.23美元，而Cyprus的硫化礦每噸的綜合價值為38.28美元，海底多金屬結核每噸的綜合價值為191.97美元。

鸚鵡螺礦業按開發期4年對SolwaraⅠ礦區塊狀硫化物（SMS）開發利用的技術經濟性進行了初步的估算，得到支出與收入的大致情況如表1所示。

表1 鸚鵡螺礦產公司關于SolwaraⅠ礦區塊狀硫化物開發計劃的收支情況預計［11］

從表1來看，鸚鵡螺礦業對SolwaraⅠ礦區SMS開發的經濟效益給了收益率高達39.6%～89.6%的樂觀估計。當然，這些估計只是在一系列假設下得到的一個初步粗略估算［11］。

目前，海底采礦的主要金屬，即金、銀、銅、鎳和錳的價格，盡管有些動蕩，但總體上呈強有力的上升趨勢。總之，在國際金屬市場價格上浮且有著良好的走勢時，海底多金屬硫化物將具有更好的采礦經濟效益。

3.3 環境影響分析

開采多金屬結核對環境影響主要有以下幾種：①采礦系統對海底環境的影響。在集礦機采集多金屬結核的過程中，對表層沉積物進行攪動，破壞沉積物原有的結構，并使沉積物進入水體形成沉積物云團，結果會使光照條件變差，并降低水體的清潔度。②采礦船廢液、廢水排放對海洋環境尤其是表層水域環境的影響。集礦機將結核收集到一起之后，將利用射流將結核沖洗干凈，然后壓碎，并將包含破碎結核與海水的泥漿提升到采礦船上。如果再在采礦船上對結核進行處理、加工，則勢必將大量尾礦、廢水排放到海水中，這些廢水、礦渣中含有大量顆粒物質和微量元素，必將對表層海水產生嚴重的污染作用。③陸上加工處理造成的環境影響。在對多金屬結核進行陸上加工處理過程中，會產生大量的廢棄物，它們會對周圍居民的生活和大氣環境產生影響［12］。

開采多金屬硫化物的許多環境影響問題與開采多金屬結核所造成的環境問題相似，包括破壞動物棲息處的表層，甚至周圍火山生態系統的改變，底層水因懸浮的顆粒羽流而發生化學變化。另一方面，硫化物顆粒的高密度會使采礦設備所造成的任何硫化物碎屑立即重新沉積。由于與海水接觸面大，一些釋放出的硫化物碎屑會氧化，如同許多海底礦床的非活性塊狀硫化物的氧化過程一樣。采礦過程排放的廢水及機械泄漏將造成對海洋環境的污染等［11］。

3.4 生物影響分析

在全球60 000km長的洋中脊系統，已發現了400多處熱液噴口區，在熱液噴口周圍密集的生物群體和與熱液噴口對應的熱液生物的生命奇跡，為人類研究生命起源提供了新的視角。隨著更深層次的生物科學研究的全面展開，將會產生不可估量的科學意義。硫化物礦產資源的開采，影響甚至破壞活動的熱液噴口區的獨特生態環境［13］。采礦引起的沉積物漂流及聲吶設備的聲音干擾可能影響采礦區附近的海底生物。因此，應選擇性地開采多金屬硫化物礦床，尤其是那些沒有任何噴口動物生息的非活性礦床，因為在這些地方開采所造成的環境影響可能不會大于建造一個普通港口的設施。

4 海底多金屬硫化物管理研究

關于深海采礦立法方面，美國率先于1980年第一個通過了《深海海底固體礦物資源法》，聯邦德國1980年制定了《深海海底采礦臨時管理法》，英國1981年制定了《深海采礦法》，法國于1981年制定了《深海海底礦物資源勘探和開發法》，蘇聯1982年頒布了《關于調整蘇聯企業勘探和開發大陸架以外海底區域礦物資源活動的臨時措施》，美國、英國、法國和聯邦德國1982年9月還聯合簽訂了《關于深海海底多金屬結核的臨時措施的協議》等［12］。

根據《聯合國海洋法公約》的規定，國際海底區域屬國際海底管理局管理，因此深海礦產資源開采的法律問題應遵循國際海底管理局相關勘探開采章程。2010年4月26日至5月7日國際海底管理局在牙買加金斯敦召開第16屆會議，于5月7日通過了《“區域”內多金屬硫化物探礦和勘探規章》［14］。此規章是管理局繼《“區域”內多金屬結核探礦和勘探規章》后制定的第二個深?！安傻V法典”，對規范和促進國際海底區域資源的勘探及開采具有重要意義。

5 海底多金屬硫化物的開采

短期內，在特殊的條件下，海洋開采是可行的：①高的金和賤金屬品位；②離陸地較近，一般在淺水的專屬經濟區或平均12海里區內；③不超過2 000m的淺水區。在目前已發現的金屬硫化物礦床（點）中，僅有12個礦床具有相當的規模和高的品位，并且具有商業開采價值（表2）［15］。

人口對銅和金之類商品的需求不斷增大，一項名為海底塊狀硫化物的海洋采礦業便應運而生。迄今僅有日本、新西蘭和瓦努阿圖立法同意SMS的勘探活動。鸚鵡螺和海王星礦產公司是SMS礦業集團中的兩個主要企業。

表2 可能開采的海底硫化物礦床

我國已于2010年向聯合國國際海底管理局提交了位于西南印度洋的硫化物礦區申請，這是國際上首例對多金屬硫化物礦區的申請。我國在世界上按照相關規章第一個提出礦區申請，是建立在長期對海底熱液硫化物科考調查的基礎上，2011年11月18日，中國大洋礦產資源研究開發協會與國際海底管理局簽署《國際海底多金屬硫化物礦區勘探合同》［16］。

6 建立我國國際海底資源開發的戰略

制定深海礦產資源勘探規章，是執行《聯合國海洋法公約》的具體步驟之一，也是加強國際海底資源管理的一項主要措施，同時將使國際海底新資源的開發活動納入管理局的管轄范圍，可以阻止一些海洋技術強國壟斷海底資源。全面介入國際海底區域活動，維護“區域”這一全人類共同繼承財產，積極開展多金屬硫化物等新資源的勘探開發研究和關于新資源的國際立法研究，爭取國際游戲規則制定中的話語權，也是維護中國在“區域”的長遠利益，擴寬中國經濟建設戰略資源儲備的必要選擇。從長遠考慮，制定這樣的規章對中國在國際海底區域開發新資源是有利的。

我國在海洋礦產的勘探開發及相關影響因素的立法管理，從20世紀70年代至今，做了大量的工作，先后頒布了多個法規。如《對外合作開采海洋石油資源條例》（1982）、《礦產資源法》（1986）、《礦產資源勘探登記管理暫行辦法》（1987）、《礦產資源監督管理暫行辦法》（1987）和《海洋石油勘探開發環境保護管理條例》（1983）等。但這些法律法規都是關于我國領土內的礦產資源的勘探開發，不適用于我國在大洋深?！皡^域”的勘探開發活動［12］?；诖笱蠖嘟饘俚V產資源勘探開發管理立法工作的現狀，應加快我國在這方面的工作進度。

多元化經略國際海底的戰略思想：①發展深?？茖W，為我國利用深海和國際海底提供科學基礎；②發展深海技術，探查技術、運載技術、勘探開發技術、環境技術，形成深海技術體系，基本完成深海多種礦物資源開采技術的研發。同時通過研究成果的產業化轉化獲取經濟效益；③尋找新的可開發資源和建立深海產業，深海技術裝備產業、深海采礦業、深海生物產業；④探索深海其他利用的可能性，包括國防安全的利用問題；⑤加強對全球海底金屬市場的調查研究。為實現“區域”資源的商業開采，應加強對全球金屬市場的跟蹤研究，合理制定我國相關產業政策［17］。積極參與國際海底科學研究、國際海底資源的勘探開發、國際海底管理事務，分享國際海底資源利用之利，在國際海底事務中發揮應有的作用。

［1］ 國際海底管理局.“區域”內多金屬硫化物探礦和勘探規章［Z］.2010.

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［16］ 中國大洋協會與國際海底管理局簽訂國際海底多金屬硫化物礦區勘探合同［N］.中國海洋報，2011－11－22（A1）.

［17］ 金永明.國際海底區域的法律地位與資源開發制度研究［D］.上海：華東政法學院，2005.

海洋公益性行業科研專項“國際海底資源開發與公海保護區選劃技術支持系統及應用示范”（201005003）.

我國海底多金屬硫化物研究起步較晚，1988年7—8月中德科學家合作So－57航次對馬里亞納海槽區熱液多金屬硫化物的分布情況和形成機理進行調查和研究，獲得非活動性的熱液多金屬硫化物和硅質“煙囪”。這是我國科學家首次參加的熱液活動調查。1988年9月至1989年1月期間，中國科學院海洋研究所組隊參加了蘇聯科學院組織，為期5個月的太平洋綜合調查，沿太平洋海嶺采到熱液沉積物樣品。1992年6月受國家自然科學基金委員會（NSFC）資助，中國科學院海洋研究所趙一陽教授組織對沖繩海槽中部熱液活動調查，這是我國首次獨立組隊進行熱液活動的調查，取得了一些重要成果。2005年，我國執行首次環球大洋科學考察任務，在大西洋進行海底熱液多金屬硫化物前期調查，獲得了超過200kg熱液多金屬硫化物和海底沉積物樣品［9］。2007年，中國“大洋一號”深?？疾齑谒? 800m西南印度洋中脊，發現了新的海底熱液活動區（“黑煙囪”）。2008年5月22日至2009年3月17日，“大洋一號”船兩度橫跨太平洋和印度洋，共發現了11個海底熱液區和4個熱液異常區。2009年7月18日至2010年5月28日中國第二次環球大洋科學考察遠涉太平洋、大西洋和印度洋三大洋，在大西洋發現了新的熱液活動區。中國大洋22航次（2010年12月8日至2011年12月18日）第二航段在南大西洋洋中脊新發現3個熱液區和4個熱液異常區。