深海礦產資源勘查開發進展及挑戰

陳軍典，白昕冉，韓曉濤，吳 曼，羅銀花，衣 欣

（1.遼寧省物測勘查院有限責任公司，遼寧 沈陽 110031；2.遼寧省地質礦產研究院有限責任公司，遼寧 沈陽110033；3、遼寧省有色地質勘查總院有限責任公司（遼寧省有色地質局勘查總院），遼寧 沈陽 110013）

二十一世紀可以說是海洋發展的世紀，雖然海洋離人類日常生活較遠，但卻是供給全球人口快速增長所需原料的重要源泉。在過去的十幾年當中，深海礦產資源的勘查工作在國際上引起各國的重視，各國都嘗試著開展深海礦產資源勘查工作，或者通過國家和政府的立法，給民間深海礦產資源勘查開采提供更有利的條件。近年來，各項法律法規都隨著全球深海礦產資源勘查能力的不斷升級而日益完善。從客觀角度來看，原材料價格的上漲和大幅度波動造成的深海材料供應危機，已經成為各個國家進行深海礦產資源商業化開發的驅動力。文章首先分析了深海礦產資源勘查開采的新進展，隨后就深海采礦中的新技術、經濟環境背景以及國際問題等來展開探討，最后筆者提出了自身對深海礦產資源勘查開發前景的看法。

1 深海礦產資源的開采驅動力

書面意義上的深海，指的是大陸架以外的海洋，水深需要在200m以上。深海資源指的是公海或者國家經濟區以外的海洋資源。同時，深海資源可以分為兩大類別，分別是礦產資源和生物資源。深海的礦產資源例如結核、結殼、海底塊狀硫化物等，其中都蘊含著豐富的金屬和非金屬成分。結核當中的金屬資源有鎳、銅、錳，非金屬資源有鈷、鋰、鉬、REE、釔、鋯；結殼中的金屬資源有鈷、鎳、錳，非金屬資源有鉍、鉬、鈮、鉑、REE、碲、釷、鈦、鎢、釔、鋯；海底塊狀硫化物的主要金屬有銅、鋅、金、銀，非金屬資源有砷、鎘、鎵、鍺、銦、銻、硒。這些在深海當中的金屬和非金屬資源，幾乎都是在新時代高新技術和綠色技術研發中必不可少的原料。例如，鈷被廣泛利用在混合動力的汽車和電動車電池、太陽能電池、手機中；鉑被用在化學傳感器、平板電腦顯示器等電子產品當中；釔被用在led燈、平板電視、醫療制品、陶瓷當中。開發深海礦產資源不僅能促進全球經濟增長，還能滿足各個產業發展的戰略需求，同時也可以促進海底采礦技術和相關設備、裝備的研發，加強新時代人們對深海資源的認識和重視，維護國家的利益。目前各國對深海礦產資源的開采力度與日俱增，競爭日益激烈。在荷蘭的資源數據庫中顯示，美國深海采礦技術和創新力排在全球首位，歐洲各國排名第二，第三就是中國，中國后是日本和韓國。

2 深海礦產資源開發技術和裝備需求

雖然深海礦產資源的儲量高、質量好，但由于地理及海洋條件的限制，深海礦產資源開發工作較為艱難，導致原本在陸地上較為完善的專業技術設備不能在深海礦區中表現出高度的適用性。世界各國都未能對深海礦產資源進行大規模的商業化勘查和開發，但在測繪聲納愈加體現商業價值的趨勢下，很多先進的深海礦產資源勘查技術設備都陸續得到相關應用，為深海礦產資源勘查開發助力。不僅如此，相關技術的不斷改進升級，也給深海資源勘查創造了許多優勢條件，讓深海礦產資源勘查開發愈加具有合理性和專業性。從科學技術種類的角度來說，深海礦產資源勘查開發技術的相關工作會涉及基本探索、實踐探索、試驗更新等發展流程，各個發展流程都會在技術、設備方面提出不同的要求。

2.1 前期勘探階段

基本探索、實踐探索、試驗更新等發展流程的技術要點是資源勘查技術和評價技術，也會涉及樣本抽取技術、成礦機理、礦場勘查、資源整體評測、礦場勘查區域規劃等。主要設備會涉及鉆探設備、潛水設備、地質勘查設備等。

2.2 開采階段

在近些年來的深海資源勘查工作中，基本上都是對一些硫化物以及殼類資源進行勘查與采集，并且勘查過程中涉及的技術措施和設備都得到了專業性的驗證。但一些商業性勘查和設備的開發運行還都處于機遇與挑戰并存的狀態，從技術層面分析得知，深海礦產資源勘查開發技術主要包括了基本技術和專項技術，基本技術涉及通訊和動力兩個種類，專項技術涉及勘查區域規劃、試采集、資源傳遞技術等方面。從設備的角度來說，包括船只、傳送設備、提升設備和采礦車等。在上述技術設備不斷改進升級的條件下，定能為相關單位發展提供先進助力，使深海礦產資源勘查開采向國際范圍發展。

3 世界各國在深海采礦項目上的進展

中國、韓國、日本、歐洲等國以及古巴、俄羅斯和斯洛伐克共和國共同組成了“洋際金屬”，同時也共同簽署了鐵-錳結核的相關合同，目前，中國、韓國、俄羅斯等國也已經簽署了共同勘查深海海底硫化物礦床的合同；中國、日本、俄羅斯三國制定了深海海底鐵-錳結殼的相關合同。海底礦產資源的勘查工作正在如火如荼的進行，在未來的發展中還會有更多的國家和企業參與到新合同的簽訂當中。

4 深海礦產資源在勘查過程中的優勢以及面臨的重大挑戰

相比起地面的采礦工作，深海采礦工作有著更多的優勢。首先，深海采礦工作不需要修路，也不需要建設任何海底設施。鐵錳結核和鐵錳結殼幾乎都暴露在海底的海床上，厚度達到幾十米的海底硫化物上也幾乎沒有覆蓋物，幾乎都是暴露在海下的，所以深海采礦船可以比較便捷的在規模較小但是價值含量較高的礦床上進行開采。另外，海底采礦一般會在采礦場回收金屬，這些金屬可以用于后續的科研工作當中。最具優勢的一點在于，深海采礦工作不會涉及到民眾居住糾紛問題，而且礦工相對安全。但當前國際面臨的共同問題是，深海采礦資源探明程度不高，相關的國際法律法規也不夠完善，再加上勘查開展技術難度較高、社會影響較大等，這些都是深海礦產資源勘查的重大挑戰。

4.1 對深海礦產資源的認識程度不足

在深海礦產資源的勘查過程當中，深海礦床的位置比較明顯，但是規模和價值難以明確，這成為制約海底資源開發的重要原因。例如，加拿大研制的索爾瓦拉一號是當前世界上比較先進的深海采礦資源項目，但是所探明的資源僅僅夠在海底開采兩年。在經濟層面，制造一艘海底勘查的船只，就要花費將近10億歐元，所以深海礦產資源勘查的經濟性難以保證。深海礦產資源開采的問題和風險，同時存在于社會環境影響方面。深海礦產資源的勘查工作一般都在各個國家的管轄區域之外，但是國際監管框架的制定還不夠完善，這就導致深海礦產資源勘查企業在開采過程中無章可循，一些投資者望而卻步。相關領域的科學家和學者也提出深海采礦會給自然生態環境造成較大的影響和破壞的觀點，因此需要預防在采礦過程中對海洋環境的影響，同時評估和制定嚴格的采礦規則來確定是否能開展深海礦產資源的開采工作。

4.2 國際相關法律法規框架不夠完善

絕大多數的深海礦產資源都在國際水域當中，因為是國際水域，所以法律框架比較復雜，國際法中暫時缺乏對深海資源開采問題的制定，現階段國際上海洋活動主要被聯合國海洋法公約所制約。為了加強管理協調深海采礦工作的相關事宜，目前已經有166個簽約國家在1994年成立了國際海底管理局。截止到目前ISA分別在2000年、2010年和2012完成了勘查海底硫化物結核和結殼的條款。但是與深海礦產資源開采的相關條款還在制定當中。

4.3 海底結殼開采難度性大

深海礦產資源的開采需要運用足夠現代化的船只，當前已經有幾艘在運行中的勘查船，但這些船是屬于不同國家研究機構和地質調查局的。同時深海采礦船只的運營成本是非常貴的，一般運營成本在50，000歐元～100，000歐元，巡航研究費也非常昂貴。另外在深海采礦中，還有一項關鍵技術就是遙控機器人。海底塊狀硫化物需要用遙控機器人來開采，對于散落在海底泥土中的錳結核，就可以通過遙控機器人的真空功能，把錳結核從海底吸附出來。錳結殼能夠被海底作業的遙控機器人分離、磨碎，同時把這些混合物運輸到相關的開采系統當中，并管運到開采礦船上。一般來說，一套完整的深海礦產資源開采系統，包括四個子系統，分別是提升系統、處理系統、采掘系統和海面平臺系統。相關深海礦產資源的業內人士認為，當前的深海礦產資源開采技術足以滿足當前的需求，因此對深海礦產資源的商業化開展模式非常有信心。這些技術主要源自油氣鉆探，鉆探深度可以達到1km以上。然而，對于不同類型的深海礦產資源開采過程中要求的技術也是不同的。國際上現有的，或者目前正在研發的深海勘查技術只能是用在海底塊狀硫化物和結核資源的開采當中，難以應用在猛結殼當中。開采海底擴張硫化物的相關技術是將深海石油開采技術和金剛石砂礦開采技術兩者改造融合成的，相關技術人員正在根據深海大陸架到深水作業的相關技術，進一步改進創新金剛石砂礦開采技術，因此開采技術算是較為成熟。但是當前面對的最重要的一個問題，就是錳結殼在海底的特征不夠明顯，所以在開采技術的選擇上存在著比較大的難度和挑戰。

在開采結殼過程中，需要克服勘查和礦山特征這兩個重大的技術難題。相關的勘查工具也必須是可以裝載在遙控機器人上的設備，同時還能在開采過程中測量錳結殼的厚度和儲存量。當前最為理想的一種開發途徑就是多光譜地震探測工具以及伽馬輻射探測儀，但是在伽瑪輻射探測儀使用的過程當中，必須要解決伽馬射線信號可能會在深海中逐漸減弱的問題。與結核相比，結殼的種類非常繁多，伽馬射線探測儀在深海中區分結殼物理性能方面的效果是最好的。開采的難題是深海采礦過程中，必須要把結殼和結殼的基巖分離，如果只開結殼，忽略了結殼基巖，那么會進一步降低深海礦石的價值，但是因為結殼在深海中牢固地吸附在基巖之上，而且一般都是在深海下1500m～2500m處粗糙的海床上進行開采，再加上各種結殼基巖韌性不同，所以還需要不斷研發、創新更先進的開采技術。

4.4 礦產品價格和資本成本制約了深海采礦工作的開展

深海礦產資源的開采會受到礦產產品價格和資本成本等內外部因素的影響，由于深海開采船只的開發和科研技術投資成本巨大，所以不是所有商業化的開采項目都可行。采礦行業一直以來都作為國際上的高成本產業，深海礦產資源開采的成本比陸地采礦的成本更高。對于陸地采礦來說，總成本可能會包含著環境、成本基礎設施建設成本和相關的人力勞動成本等方面，對比深海采礦來說也體現出深海礦產資源開采的一些簡潔性，這一方面對相關的商業投資者來說是比較有吸引力的。近幾年，歐盟計算出國際深海礦產資源勘查工作每天的成本都會超過100，000美元，絕大多數的勘查船只預算在50，000，000美元～200，000，000美元之間，同時深海礦產資源的開采工作的運營成本是由礦床和資源的位置來決定的，若是在開采過程中遇到了困難，可能會造成高達數億歐元的成本。

5 發展對策

5.1 構建學科耦合和多圈層意識

真正意義上的深海資源勘查開發，必須要有多方面專業領域知識融入以及有關單位專項技術的助力，需要對這些專業常識和技術進行聯合應用。比如說，進行多專業知識交叉基本探索，創新深海礦產資源勘查設備。例如帶有智能自控系統、資源收集系統的海上運輸設備研發技術、深海礦場配電技術，深海通訊定位技術，資源深化勘查開發技術、環境質量評測維護技術等，充分發揮先進技術的顯著效應，提高多專業、多圈層意識，構建和完善多專業協同發展的人力資源培養機制，構建具有高度技能和職業素養的實戰型人力資源隊伍。生態學、計算信息學、探采礦等多領域知識的融合，將為深海資源開發相關工作奠定堅實基礎。對于深海資源勘查技術要求嚴格、成本高、風險高的現狀，需要借助地質勘查技術、遙感技術等先進手段聯合，助力地球信息科學的快速發展，使地球信息科學技術更加具有前瞻性，從而為更多專業常識和技術的聯合創造有利條件。

5.2 研判產業技術著力點，推動形成產業競爭優勢

在深海礦產資源勘查機構與科研單位進行有效合作的基礎上，積極開展全面革新工作，明確資源勘查開發技術原理及其意義，積極改善發展戰略。著重強調底層設計的快捷高效，以目前最先進最具效用的技術為支撐，妥善解決相關科研工作中的各方面難題。充分結合深海資源勘查開發的要求，科學配置優勢資源。除此之外，要妥善處理深海資源勘查開采中的難題，使相關工作的開展進一步具有節能性和安全性，進一步注重數字礦區商業采礦方面的設計，注重模塊化系統、深海資源勘查設備管護、環保以及生態系統維護技術的改進升級，進一步全面化深海資源成礦機制，進一步明確礦產資源儲層結構的特征，加強深海資源勘查開發相關機構的綜合實力。

5.3 盤活資金投入、加強政策支持

通過頂層設計工作的高效開展，為深海礦產資源勘查、開發工作提供全程性的技術保障，有效鼓勵企業投入，集中企業精干力量和技術設備。在稅收、硬件物資等環節上施以政策上的幫扶，激勵企業為相關工作獻計獻策，促使相關科研機構確立開發礦產資源、優化礦場環境的發展路線，為海洋經濟的快速增長提供有利條件。

5.4 創新發展促合作共享

在盡量短的時間內，構建完善的深海資源實驗機構，為相關技術設備的持續向好發展奠定堅實基礎，與此同時，還需要對深海礦場災害仿真系統、資源掃描系統進行完善、優化。進一步合理化資源共享機制，完善優化具有戰略意義的科研系統，開放管理科研設備，為相關工作的開展提供有利條件，進一步注重對深海礦產資源勘查專業高資質人才的招聘，逐步強化深海礦產資源勘查、開采等方面專業隊伍成員的崗位技能和職業素養。

6 深海礦產資源勘查的前景展望

在未來深海礦產資源開采中，一個更困難的問題就是需要在深海原地測量浸透海水的樣品，這一測量樣品工作就代表著需要開展更多的技術工作，例如從海水中獲取金屬的機理、對比結殼與結殼基巖的探測技術要求、探尋結殼的強度以及結殼對開采技術的承受程度。雖然海底礦產資源的開采技術近年來得到了明顯的發展，但是相比起理想程度還遠遠不夠。因此也就說明不斷實現開采技術上的創新，采用更多低成本的綠色開采技術，是國際深海礦產業資源開采的必然趨勢。例如，使用簡單的酸浸法就可以吸附出結核和結殼中的珍貴稀有金屬，因此需要加強對化學和生物開采工藝的研發。例如，使用能與金屬充分結合的化學藥劑，針對性的回收稀有金屬，同時把剩下的礦渣運送到提取流程當中，回收其他與各個產業原材料相關的金屬，實現這一戰略是需要國家和國際上的經濟鼓勵政策來支持才能實現的。通過一些專業部門的大量探索和努力，深海礦產資源研究、勘查以及開發工作，都實現了階段性目標，相關產業發展呈現持續向好的態勢。國內相關部門也會為以上工作的開展提供更加適宜的條件。在蛟龍看海工程快速發展，以及深海勘查技術逐步升級的條件下，在不遠的將來，深海礦產資源定會得到更加深化的采集，進而為廣大民眾更好生活提供助力。

7 結論

總的來說，深海礦產資源勘查、開發技術是二十一世紀最能滿足人們生存和發展的戰略之舉，但是在發展過程中會受到多種因素帶來的挑戰，例如經濟、技術、政治、國際法等等。當前必須要認識到深海礦產資源的勘查開采工作，不僅關乎著民族發展，還關乎著國家興盛，因此，政府要不斷加強領導作用，強化監督和服務加強政策的引領為我國開辟一條全新的深海采礦創新之路。