全球深海礦產資源開發進展與啟示

摘要： 隨著全球戰略性新興產業的快速發展，鈷、鎳、錳、鋰等關鍵礦產的需求急劇增加，這些礦產在新能源、電子產業及國防安全等領域中扮演著不可或缺的角色，深海礦產資源具有重大戰略價值，同時這些資源開發過程還帶動深海科技和產業向更高層次發展，對提升國家海洋開發與探測能力具有重要意義。在全球深海礦產資源開發過程中，裝備技術具有核心作用。自２０世紀６０ 年代起，發達國家在深海礦產資源的開發管理體制、勘探裝備、開發平臺和開采作業裝備等方面持續突破，強化了本國大洋事務管理體系，發展了海底鉆探技術、深海采礦平臺技術、環境影響評估技術等，部分國家已經完成了多項海上采礦試驗，展示了主導國際海底采礦標準規則制定的能力。我國自２０ 世紀９０ 年代起顯著提升了海底資源開發相關的行政管理能力和法治建設水平，積極參與了國際海底礦區勘探和申請工作。“ 十二五” 迄今，我國相繼完成從５００ 米到４ ０００ 米海試的采礦車單體試驗，為下一步工作奠定了堅實基礎。但是，相較于國外發達國家，我國仍然存在較大差距，主要體現為基礎研究不足、核心技術裝備驗證與研發能力有限、關鍵元器件自主研發能力欠缺、全系統聯合海試與商業化開采方案缺失，以及環境友好型裝備研發與環境評估滯后等。面向即將到來的深海采礦時代，我國應加強對深海礦產資源開發的戰略研究，加大技術創新力度，加快推進深海采礦裝備技術體系發展，培育深海高技術裝備產業，拓展我國深海活動的利益空間。

關鍵詞：深海采礦；海洋工程裝備；關鍵技術

中圖分類號：Ｄ８１５ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：１００４－８０４９（２０２４）０８－００６２－１４

一、深海礦產資源開發具有重大戰略價值

１．１ 海底金屬類礦產資源種類豐富，開發潛力巨大

大洋底部蘊藏著豐富的礦產資源，富含鈷、錳、鋰、鐵、鎳、銅等多種高價值金屬礦產，以及金、銀等貴金屬，開發潛力巨大。這些金屬礦產的存在形式主要包括多金屬結核、多金屬硫化物、富鈷結殼和深海稀土四種。

多金屬結核多產在水深４ ０００～６ ０００ 米深海平原的淺表層沉積物中，成分非常穩定，錳、鎳、銅、鈷是主要有用組分，鉬、釩、鉑族金屬、鉍、稀土是伴生組分，目前經濟意義最大的是鎳、鈷、銅和錳。① 太平洋海底多金屬結核分布非常廣泛，最富集地是東赤道太平洋的克拉里昂—克里帕頓斷裂帶，迄今為止估算結核資源量約２１０ 億噸。② 此外，南美的秘魯海盆、中印度洋盆地、西北太平洋海山區也發現大量多金屬結核賦存。

多金屬硫化物多產于水深８００～３ ０００ 米的大洋中脊和弧后盆地，其形成與海底火山活動密切相關。多金屬硫化物主要組分為銅、鋅、金、銀和鉛，硒、碲、砷、銦為伴生組分。③ 目前全球大洋已發現大約３８０ 個硫化物點或高濕熱液噴口，但研究界對多金屬硫化物礦床的規模、構造、資源潛力等認識尚不夠明確。

富鈷結殼是一種富含金屬元素的層級沉積物，由水合氧化錳或水合氧化鐵沉積到大洋底部形成，多出現在８００～４ ０００ 米的海山、海脊和海臺，主要組分為錳、鈷、鎳和銅，伴生組分為鉬、鉑族金屬、稀土（首先是鈰）、鉍、鈦、碲，其中鈷是富鈷結殼中最具有經濟意義的金屬元素。④目前已發現的富鈷結殼儲量最多的海區位于中太平洋，平頂海山是形成富鈷結殼最有利的環境。

深海稀土是２０１１ 年在太平洋海底發現的一種新礦物類型，主要賦存于５ ０００～６ ０００ 米水深的海底沉積物中，主要分布在西太平洋、中—東北太平洋、東南太平洋和中印度洋。據估算，太平洋深海稀土資源總量為目前陸上稀土資源總量的８００ 倍，具有重要的經濟價值。⑤

１．２ 全球戰略性新興產業催生關鍵礦產巨量需求

目前，全球經濟發展的新增長點集中在戰略性新興產業，鈷、鎳、錳、鋰等金屬就是這類新能源、電子產業所必需的關鍵材料。由于這類礦產在現代經濟、科技、國防和國家安全中具有至關重要的地位和作用，因而被國際上廣泛認定為“關鍵礦產”。２０１７ 年以來，歐盟、美國、澳大利亞、加拿大、英國、南非、印度等重要國家掀起了關鍵礦產保障的熱潮，多國制定“對于本國經濟和國家安全至關重要”的關鍵礦產清單，目的是從源頭上保障高科技產業安全，降低供應鏈風險。比如，歐盟２０１８ 年發布《歐盟原材料２０５０ 愿景與科技和創新路線圖》，強調鈷、鋰、鎳等３５ 種戰略性原材料的供應安全問題；美國眾議院２０２０ 年７ 月成立關鍵礦產工作組（ＣＭＣ，Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃａｕｃｕｓ），目標是應對稀土、鋰、鈷等關鍵礦產供應風險。⑥ 伴隨著陸地上關鍵礦產資源的儲量日趨減少，開采難度持續增大，全球已經形成廣泛的共識，未來關鍵礦產資源增量預計將主要來源于海底礦產資源開發，因此多國政府及跨國公司正積極加速推進本國海底礦產資源的勘探開發，全球礦產資源供應格局或將迎來深刻變革。

我國關鍵礦產資源稟賦不佳，安全形勢十分嚴峻。據統計，我國銅、鎳、鈷消費量均占全球４０％以上，２０２２ 年，我國鎳、鈷、鋰的對外依存度分別達到９３％、９８％、６３％。① 鑒于美國和歐盟的礦產戰略中明確將中國定位為競爭對手，可以預見，未來我國獲取境外礦產資源的外部環境將面臨更大的不確定性風險，甚至可能出現“源頭斷供”的極端情況，亟須扭轉關鍵礦產資源受制于人的被動局面，加強關鍵礦種的儲備工作。

１．３ 深海礦產資源開發將帶動我國深海科技和產業向更高層次進軍

從技術視角深入剖析，深海礦產資源開發面臨特殊且極端的自然環境挑戰，并承載著嚴苛的環境保護要求，整個開發過程構成了一個龐大而復雜的系統工程，不僅涉及了機械工程、海洋科學、地質勘探等多個學科，還跨越了海洋工程、通信技術、環境保護等多個技術領域，因此，需要以大載荷、多平臺、高協同的工程方式，將動力定位系統、地形探測系統、深海潛水器、水面支持母船與海底采礦機器等技術進行高度集成。因此，相較于成熟的海洋油氣開發領域，深海采礦技術無疑是當今全球海洋工程的尖端前沿。它對于自主創新能力的要求更為迫切，對產業間深度融合的需求也更為強烈。從另一個角度來看，這些關鍵技術難題的攻克與突破，亦將極大地推動并提升國家整體的海洋探測與開發綜合能力，為海洋經濟的可持續發展注入新的動力。

從產業層面深入分析，“十四五”規劃強調“要加快壯大新一代海洋裝備等產業”，明確指出了我國在海洋領域的發展藍圖。深海礦產裝備產業不僅規模龐大、產業鏈長，而且經濟效益顯著。以一套３００ 萬噸／ 年產能的高端采礦系統裝備為例，其估算價值可達５０ 億元以上，顯示出巨大的市場潛力和經濟價值。若我國能夠在此領域搶占先機，將有力推動海洋經濟向更高層級發展，同時在全球海洋資源競爭中占據有利地位。此外，“十四五”規劃還強調“提高海洋資源、礦產資源開發保護水平”，這要求我們在開發海底礦產資源的同時，注重環境保護和可持續發展。通過技術創新和產業升級，實現資源開發與環境保護的雙贏，是深海礦產裝備產業未來發展的必由之路。

從科學研究層面審視，以深海礦產勘探開發工作為關鍵驅動力，積極開展大洋科考將顯著提升我國對深海、極地、外大陸架等重點海域的深入研究能力，這將極大地增強我國的海洋科考和觀測能力，有助于構建與國際接軌的數據模型與標準，為國家海洋資源權益的維護提供堅實的科學基礎與數據支撐。

１．４ 深海礦產資源開發是打造深海“ 新疆域”的重要抓手

在２０１７ 年１ 月１８ 日的聯合國日內瓦總部的主旨演講中，習近平主席發表了題為《共同構建人類命運共同體》的重要論述，其中特別強調“開拓深海、極地、外空、互聯網等新領域的合作疆域”。就深海這一特定領域而言，其“新”的特質在多個維度上得以體現。

首先，從發展的視角審視，深海蘊含了豐富且待發掘的資源，這些資源不僅構成全人類共同財富的巨大寶庫，更是實現可持續發展戰略不可或缺的支撐。其次，從全球治理的角度分析，深海作為人類尚未大規模涉足和全面認知的最后區域，相關規則的制定將深刻影響各國在全球范圍內的利益分配，以及全球治理體系和國際秩序的構建。② 再者，從安全的角度考量，深海面積占據地球表面積約６５％，位于傳統國家管轄疆域之外，具有特殊的戰略意義。深海規則與秩序的穩定與否，將直接關系到未來全球海上戰略格局的演變，通過合理且積極的深海開發，能夠進一步拓展國家安全防線的邊界。

自２０００ 年起，國際海底管理局（ＩＳＡ）陸續頒布了一系列具有里程碑意義的文件，包括《區域內多金屬結核探礦和勘探規章》《區域內富鈷結殼探礦和勘探規章》以及《區域內多金屬硫化物探礦和勘探規章》等，這些規章為各國在深海礦產資源勘探提供了明確的法律框架和指導原則。截至當前，國際海底管理局簽發并仍然有效的國際海底的礦產勘探合同達到３１ 份，共計１５１ 萬平方公里，其中多金屬結核的有１９ 份，多金屬硫化物的有７ 份，富鈷鐵錳結殼的有５ 份。我國應正視這一全球競爭態勢，將海底礦產資源的開發作為我國參與全球海洋治理的重要戰略抓手，借此擴大在海洋權益和海洋安全等方面的國際影響力與戰略空間。

二、全球深海礦產資源開發的主要進展

目前，全球范圍內著力于深海礦產資源開發的主要集中在發達國家，這得益于發達國家在技術積累、資金投入、政策支持、國際合作等方面的優勢。進入２１ 世紀以來，多國已經完成了海底礦產資源開發的若干海上試驗，在資源勘探裝備、開發平臺裝備、開采作業裝備的研究上取得重要進展，并更加注重環境影響評估和監測等方面的研究。全球深海礦產資源開發正向著高效、安全、環保的趨勢迅速發展。

２．１ 發達國家深海礦產開發法規制定與管理機制構建情況

美國認為第三次海洋法會議有關海底制度的條款違背了美國的基本利益與市場自由理念，于１９８０ 年６ 月制定《深海底固體礦產資源法》（ ｔｈｅ Ｄｅｅｐ Ｓｅａｂｅｄ Ｈａｒｄ Ｍｉｎｅｒａｌ ＲｅｓｏｕｒｃｅＡｃｔ），以國內立法的形式繼續鼓勵其國內開發實體的海底活動。１９８２ 年，美國明確拒絕批準《聯合國海洋法公約》，還借口“公海自由” 原則，在國際海底開發制度之外與其他發達國家簽訂“互惠國協議”，公然與國際海底資源開發制度抗衡，意圖在《聯合國海洋法公約》正式生效之前，在發達國家內部形成一種有效的機制安排，在海底開發中掌握主動權，從而保護發達國家的海底利益。① 英國也制定了以《深海采礦法》《深海采礦（勘探許可證）（申請）規章》《深海采礦（勘探許可證）規章》為核心的法律制度，詳細規定了英國深海資源勘探和開發的許可程序、管理要求、環境保護措施以及收益分配等。德國則出臺了《深海海底采礦暫行辦法》，后又依據《聯合國海洋法公約》的內容對前者進行了修訂并頒布了《海底開采法案》，法案中規定了本國海底礦產資源勘探與商業開發的相關事宜，同時非常強調深海資源的可持續利用和生態環境的保護。日本將海洋資源開發作為提振經濟、加速經濟增長戰略的一項重要舉措，先后制定了《深海海底采礦暫行措施法》《海洋基本法》，有力推動了日本在深海資源開發領域的科技進步。

國際海底資源開采權的爭奪也體現了國家組織能力的較量，各發達國家除了積極頒布法律以外，還進一步強化本國的大洋事務管理體系。韓國在１９９６ 年設立了海洋水產部，旨在全面協調與推進海洋資源開發事務。俄羅斯在２００１ 年成立了聯邦海洋委員會，由政府高層領導擔任主席，并吸納了政府相關部門、地方政府以及海洋產業界和學術界的代表，共同負責海洋開發戰略和政策的制定與實施。２００７ 年，日本基于《海洋基本法》成立了政府綜合海洋政策總部，這一機構由首相直接領導，負責整合分散于多個政府部門中的海洋政策，形成統一的海洋政策框架。美國于２００４ 年１２ 月正式成立了新的內閣級海洋政策委員會，在２０１０ 年又對其進行結構整合， 成立了國家海洋委員會（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｃｅａｎ Ｃｏｕｎｃｉｌ），以加強海洋管理中各有關部門之間的協調，強化決策和爭端解決機制，實現更高水平的管理。

這些國家在構建海底礦產開發相關事務的體制時展現出了幾個顯著的特點。首先，這些體系均由國家主導，設立了專門機構來管理和指導國際海底資源的開發工作。這反映了海洋資源開發的國際競爭態勢，各國都在努力搶占先機，通過國家層面的組織來加強自身的競爭力。其次，這些管理機構多為綜合性協調機構，具備較高的行政級別和較強的綜合性。除了韓國的海洋水產部為部級單位外，其他國家設立的大多為國家級機構，直接向最高行政首長負責。這種體制有助于整合各方資源，形成協同推進的合力。最后，這些國家在國家主導的基礎上，積極引入市場和社會力量參與海洋資源開發工作。管理機構中不僅有政府部門和專家學者的參與，還有來自企業和社會各界的精英。同時，各國也充分借助市場力量，鼓勵科研機構和企業在深海資源開發技術研發、資金籌集、資源勘探等方面發揮積極作用。

２．２ 發達國家深海礦產資源勘探裝備研制進展

深海礦產資源開發是一個復雜且高技術含量的過程，需要一系列高技術裝備來支持全流程活動。其中資源勘探裝備主要用于對海底地質結構、礦產資源分布及儲量進行初步勘探和詳細調查；開發平臺裝備是海底礦產資源開發活動的核心基礎設施，用于支撐開采作業和相關設備的運行；開采作業裝備是直接用于從海底提取礦產資源的機械設備，需要具備高效、精準、耐用等特點，以應對海底復雜的環境條件和作業要求。

自２０ 世紀６０ 年代起，發達國家便致力于海洋礦產資源的勘查與勘探，取得了總體上的領先優勢。進入２０００ 年以后，隨著深海采礦技術的迅速進步以及法律框架的日益健全，深海礦產資源勘探活動已逐步聚焦于合同區的詳細勘探，并逐漸過渡到高效精細探測與智能評價的新階段。

當前，全球頂尖的勘探鉆探船包括美國的“決心”號和日本的“地球”號大洋鉆探船，它們代表了目前海洋勘探技術的最高水平。此外，海洋地質勘探領域的佼佼者荷蘭輝固集團公司（Ｆｕｇｒｏ－Ｊａｓｏｎ）也擁有多艘地質鉆探船，還有一些規模稍小的地質鉆探船，如日本在２０１２ 年建成的“白嶺” 號，以及地平線公司（Ｈｏｒｉｚｏｎ） 在２０１４ 年推出的探索地平線號（Ｑｕｅｓｔ Ｈｏｒｉｚｏｎ）鉆探船，在海洋礦產資源勘探領域也發揮著重要作用。在特定的商業勘探項目中，如加拿大鸚鵡螺礦業公司和美國海王星公司在巴布亞新幾內亞和新西蘭專屬經濟區進行的熱液硫化物礦床勘探，采用了經改裝的鉆探船亨特德普號（ＤＰ Ｈｕｎｔｅｒ）進行巖芯鉆探取樣。總的來說，盡管全球在海洋礦產資源勘探方面取得了顯著進展，但海底鉆探技術仍面臨諸多挑戰和提升空間，尤其是在多金屬硫化物的資源評價方面，現有技術尚不能滿足全面、準確評估資源潛力的需求。

發達國家在水下機器人技術領域展現出較高水平， 除了傳統的載人潛水器（ ＨｕｍａｎＯｃｃｕｐｉｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ， ＨＯＶ） 和水下遙控機器人（Ｒｅｍｏｔｅｌｙ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ， ＲＯＶ）外，還研發出了鉆機、切割機等多樣化的高精度海底取樣工具，顯著提升了地質取樣的精準度和自主性。未來基于自主水下航行器（ ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＵｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ， ＡＵＶ）平臺的高頻、高分辨率、高清的聲、光、磁探測技術將占據主導位置，為合同區內微地形地貌的描繪以及精細構造沉積特征的識別提供強有力的技術支撐。日本近年來正涉足混合潛水器的研發，這一創新將傳統的載人潛水器和水下遙控機器人的優點完美融合，將極大提升潛水器的操控性和工作效率。此外，美國、日本等國還在研發低擾動爬行式水下機器人，這類機器人具備在復雜水下地形（如巖石、泥沙等）上穩定爬行的能力，能夠到達傳統潛水器難以到達的區域，并能根據需求搭載不同的傳感器和工具，執行監測、探測、采樣等多種任務。同時，這類機器人在爬行過程中產生的水流擾動很低，能夠有效減少對周圍環境的干擾，預計未來將在海洋科學研究、資源勘探和環境保護等領域發揮重要作用。

在資源評價技術層面，隨著深海礦產資源調查所獲取的地質、地球物理和地球化學數據的持續累積，合同區內調查程度較高的詳細勘探區已構建起龐大的多源地學大數據集。面對這一數據量的激增，傳統的基于地質取樣信息的多邊形法、克里格法等評價方法已難以滿足高效精準的資源評價需求。因此，未來深海礦產資源評價領域將步入地球科學大數據挖掘和人工智能技術應用的新階段，以期實現對深海礦產資源潛力更精確、高效的評估。

２．３ 發達國家深海礦產資源開發平臺裝備研制進展

深海礦產資源開發平臺集航行、作業、居住、支持等功能于一體，需要滿足航程遠、作業水深大、作業周期長、系統集成度高等要求。平臺的完整作業程序是：快速抵達作業海域，在預定的海況下完成水下采礦系統的現場組裝和布放，然后在動力定位、綜合導航定位和中央控制等系統的協助下，操控水下采礦系統進行海底礦物采集和提升輸送作業，在對輸送到水面的礦漿進行處理后，將其儲存到礦物貯藏艙，并周期性地將礦物貯藏艙內的礦物卸載輸送到貨船上進行轉運。當局部區域海底礦物采集完成之后，水下采礦系統將停止采集輸送作業，并隨水面平臺在一定范圍內整體聯動（水下采礦系統不回收），整個系統抵達新礦區。最后，礦區礦物采集任務完成或應急避臺撤離時，平臺需要完成整個水下采礦系統的拆卸回收并快速駛離作業海域。

未來，全天候深水作業能力、高度安全性、環境友好性和經濟效益將成為深海礦產開發平臺的主導趨勢，這同時也對平臺結構的安全評估技術提出了更嚴苛的標準。在技術革新的背景下，云服務、大數據以及人工智能等前沿技術將成為推動深海開發平臺智能化和無人化管理的核心動力。這些技術的融合與應用，不僅能為深海開采作業提供前所未有的技術支持，還將極大地促進整個海洋工程領域的技術創新和產業升級。云服務通過提供高效、靈活的數據存儲和計算能力，使得平臺能夠實時處理和分析大量數據，為決策制定提供科學依據；大數據技術的運用使得平臺能夠深入挖掘和利用歷史數據，預測潛在風險，優化作業流程；人工智能技術的應用將為平臺帶來革命性變革，通過機器學習、深度學習等算法，平臺能夠自主學習和優化作業策略，提高作業效率和安全性，還能實現對平臺設備的智能監控和故障預測，減少停機時間和維護成本。

從現狀來看，自２０ 世紀７０ 年代末開始，美國、加拿大、英國、日本、德國等國家組建了國際海洋采礦財團，通過改裝貨船、鉆探船或甲板駁船，打造了專門用于海試的采礦船只，并成功支持了各類深海采礦試驗。２０１８ 年３ 月，全球首艘深海采礦船“鸚鵡螺新紀元”出塢，該船由新加坡海洋科技公司（ＳｅａＴｅｃｈ）負責設計，中國福建馬尾造船廠承擔建造工作。船上的關鍵系統，如采礦車、布放回收系統、輸送系統、除水系統和中控系統等，均由船東負責采購和集成。該船原計劃作為采礦運營基地，服務于加拿大鸚鵡螺公司與巴布亞新幾內亞合作的索瓦拉１號項目。然而，由于鸚鵡螺礦業公司資金鏈緊張以及作業海域環保問題挑戰，該船在建造完成約８０％后被迫處于棄船狀態，迄今尚未完成海試驗證。

針對深海采礦相關的船舶與海洋工程技術能力，國際知名企業如康士伯（Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ）、ＡＢＢ 集團、通用集團（ＧＥ）等已在高度集成、高可靠性的多系統控制技術方面取得顯著成果，這些技術對于未來深海采礦系統在動力定位、推進控制、功率管理、監測報警等關鍵子系統實現綜合調控具有重要意義。針對電力傳輸技術，國外已研發出適用于深海采礦環境的大功率動力傳輸系統，并成功進行了水深范圍在１ ０００ 至６ ０００米、容量達數百千瓦級、中壓輸電的海上測試。比如上述加拿大鸚鵡螺公司的采礦項目，其水下大功率用電設備系統包含三臺采礦車，采用點對點電力輸送方案，單設備功率接近２ 兆瓦。在海洋工程的綜合性能分析研究領域，國外也積累了較豐富的成果，主要包括對非線性水動力問題、計算流體動力學計算可靠性的研究，以及總體性能分析軟件的開發與應用。

總的來說，迄今為止全球范圍內尚未出現商業化的開采平臺工程應用實例，但迄今已有的研究準備對于提升深海礦產資源開發系統的整體性能和安全性起到了重要作用，也為未來進一步優化和商業化應用提供了理論基礎和技術支持。

２．４ 發達國家深海礦產資源開采作業裝備研制進展

深海礦產資源開采作業裝備可被細化為一系列專門針對海底礦石采掘和水下輸運過程的關鍵作業工具，主要包括海底礦床開采裝備、礦石轉運裝備以及水面控制與輔助開采裝備等。其中，海底礦床開采裝備承擔著礦石采掘、破碎和收集的核心任務，其選擇與應用依據礦床類型的不同而有所調整。具體而言，針對多金屬結核的開采，主要依賴于礦石收集和破碎裝備；而富鈷結殼和多金屬硫化物的開采則首要運用采掘裝備進行礦石的切削與剝離，隨后再進行破碎和收集操作。礦石轉運裝備的核心是泵管提升系統，它通過特定的速度和濃度參數，將礦石與海水形成的混合物穩定地輸送到海面。為了實現這一過程的高效與穩定，水下通常配置有中繼裝備，用于精細控制礦石的輸送速度和濃度，確保輸送過程的均勻、穩定和高效。此外，水面控制和輔助裝備在海底礦石開采作業中也承擔著重要作用。這些裝備不僅用于集中調控海底礦石開采裝備，確保其高效運作，同時還具備輔助作業的功能，包括開采作業協同控制系統、水下導航定位裝備、水聲通信裝備以及輔助作業遠程操作車輛（ＲＯＶ）等。

全球深海礦產資源開采作業裝備的發展趨勢是秉持重裝、協同、智能和綠色的原則，加速推進核心技術創新，為深海礦產資源的開發提供強有力的技術支撐。通過加速開發具備大功率和高效能的重載作業裝備，可以滿足深海礦產資源商業化開采的需求。基于信息融合、數字孿體以及人工智能技術的海底多裝備聯合作業的全系統協同調控技術將成為研發的重點。通過引入智能算法和決策支持系統，將實現開采裝備的環境感知與精準控制技術，以及長距離多相流管道輸送的流動保障技術和動力響應預報分析技術，大大提升深海礦產資源開發的效率和安全性。① 深海礦產資源開發必須滿足日益苛刻的環境保護要求，全球將致力于發展綠色開采技術，也將加強對深海生態系統的保護和修復技術的研究。此外，未來將構建一個完整的深海礦產資源開發技術產業鏈，基于技術創新、裝備研發、海上作業以及礦石處理和綜合利用的整合，將有助于實現深海礦產資源的商業化開采，促進全球深海經濟的可持續發展。

在開采作業裝備實際研制方面，２０ 世紀７０年代，由美國、歐洲、日本等組成的跨國聯盟或合資公司成功完成了５ ０００ 米級水深的多金屬結核采礦試驗，這一里程碑式的進展為深海采礦技術的后續發展奠定了基礎。隨后，在１９７９年，美國成功進行了５ ５００ 米水深的多金屬結核采礦試驗，并采集了約１ ０００ 噸的結核樣品。這一試驗不僅驗證了深海采礦技術的可行性，也為后續的技術研發和商業化應用提供了重要參考。進入２１ 世紀后，隨著深海礦產資源開發成為全球關注的焦點，歐盟設立了深海采礦（ＢｌｕｅＭｉｎｉｎｇ）、深海多金屬結核（Ｂｌｕｅ Ｎｏｄｕｌｅｓ）等多個專項項目，旨在推動深海采礦技術的進一步發展。② 同時，荷蘭、比利時、加拿大、日本、印度等國家也紛紛開展百米級至千米級水深的海底礦床開采裝備海試，這些試驗不僅積累了寶貴的深海采礦經驗，也初步展示了這些國家在深海采礦技術及采礦技術標準規則制定方面的能力。

日本是全球深海采礦領域最活躍的國家之一，依托日本國家石油天然氣和金屬公司（ＪＯＧ?ＭＥＣ）和日本海洋科技中心（ＪＡＭＳＴＥＣ）兩家單位進行了四個礦種的采礦試驗。２０１２ 年３ 月，日本國家石油天然氣和金屬公司建造了海底多金屬硫化物采礦車，并在沖繩海域１ ６００ 米深處進行了采礦試驗，并分別于２０１３ 年８ 月和２０１４年１ 月用該系統進行了陸地和現場測試，試驗取得了２５ 公斤金屬硫化物。２０１７ 年８ 月至９月，該公司在沖繩縣附近海域采用了三菱重工自主研發的挖掘與集礦試驗機，成功進行了世界首次海底多金屬硫化物開采和提礦的先導試驗。該系統由半潛式平臺、垂直管道、水力旋流器、軟管和集礦機等關鍵組件組成，試驗方案主要針對水深７００ 米至１ ６００ 米的區域，能夠在海底半徑２５０ 米范圍內有效采集多金屬硫化物，展示了日本在深海采礦技術方面的實力。２０２０年，日本在深海富鈷結殼開采領域也取得了重要進展，在９４０ 米水深處成功進行了世界首次富鈷結殼采、輸聯合海試，采集量達到６４９ 公斤。這次試驗主要采用了機械方法，包括螺旋滾筒式截齒切削、刀盤式軋削、沖擊鉆沖擊破碎和水射流切削等，有效提高了富鈷結殼的開采效率和采集質量。此外，日本在深海稀土資源開采方面也取得了重要成果，２０１８ 年，日本從南鳥島周邊２５ 個５ ０００ 米水深的海底區采集了稀土樣本，為日本在深海稀土資源勘探和開發方面提供了寶貴的數據支持。２０２２ 年，日本在深海稀土開采技術方面再次取得突破，日本海洋科技中心在２ ４７０ 米水深處進行了世界首次稀土沉積物開采、輸送、環境監測聯合海試，為其未來在深海稀土資源商業化開發方面奠定了基礎。

歐美國家近年來在深海采礦技術領域也取得了顯著進展。２０１７ 年，比利時在４ ５７１ 米的深海海底成功完成了海底采礦車的海試，并提交了環境評估報告。這份報告評估了采礦活動對海洋環境的影響，為后續的深海采礦作業提供了重要的環境參考。荷蘭皇家ＩＨＣ 公司設計建造的阿波羅號（Ａｐｏｌｌｏ）集礦車于２０１９ 年完成了海試，這款集礦車采用了環保履帶設計，有效避免了沉積物羽狀流的大面積擴散，顯著降低了對海洋環境的影響，該次試驗不僅監測了履帶在水下的運動過程，還關注了運行過程中可能產生的揚塵情況。比利時全球海洋礦產資源公司（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ）２０２１ 年４ 月在帕拉尼克拉珀頓區對２５ 噸重的采礦機器人原型Ｐａｔａｎｉａ ＩＩ 進行了測試，收集了富含錳、鈷和鎳的礦石，還完成了環境監測海試。２０２２ 年加拿大金屬公司（ＴＭＣ）與全海洋公司（Ａｌｌｓｅａｓ）合作在大西洋水深７４５ 米和２ ４７０ 米處分別完成了采礦車與立管系統和柔性軟管的水下連接，還測試了采礦車的各種泵和關鍵機動功能，并在海底行駛了１ ０１８ 米，驗證了采礦車在壓力和溫度條件下的運行能力。在太平洋克拉里昂—克利珀頓區（Ｃｌａｒｉｏｎ－Ｃｌｉｐｐｅｒｔｏｎ Ｚｏｎｅ），加拿大金屬公司進行了世界上首次深海結核開采與環境監測的聯合海試，試驗應用了自主水下航行器（ＡＵＶ）、遙控潛水器（ＲＯＶ）以及多種海洋探測裝備，對羽流分布、海底沉積物特性以及海底生態環境等關鍵參數進行了研究與分析，試驗中共采集結核４ ５００ 噸，產能達到８６．４ 噸／ 小時。

此外，近年來亞洲國家韓國、印度在深海采礦技術方面也展現了顯著進步。韓國于２００９年率先開展了第一代采礦車的淺海試驗，初步驗證了設計可行性和基本性能，之后在２０１２ 年又進行了第二代采礦車的淺海試驗，相較于第一代，第二代采礦車在設計和功能上有了顯著的改進和優化。２０１３ 年，韓國在深海領域取得了重大突破，成功在１ ３７０ 米的水深下完成了第二代采礦車的深水試驗，驗證了采礦車在深海環境下的穩定性和可靠性。此外，韓國在２０１５年還完成了１２００ 米水深泵—管提升系統的海試，為深海礦產的有效提取和運輸提供了技術支持。印度分別于２０００ 年、２００６ 年和２０１０ 年完成了多次海底采礦系統的水下測試，展現了在海底采礦系統設計和制造方面的能力。

表１ 統計了近４０ 年來全球發達國家深海礦產開發的主要進展。

綜上所述，當前深海采礦技術正逐步從試驗驗證階段邁向試開采階段。雖然當前全球范圍內尚未出現完全適用于商業化開發的成熟裝備，但發達國家已經通過實施礦區原位海試驗證了技術可行性和有效性，也展示出多樣化的基本開采能力。同時，針對海底礦物采集、輸送、處理、布放回收、測控導航以及選冶等核心系統集成的專項研發仍然需要持續深入。

２．５ 國外深海采礦環境影響評估和監測技術研究進展

為了深化對深海采礦活動環境效應的科學理解，精確評估其對海洋生態系統的潛在影響，通過現場試驗來研究深海采礦的環境影響尤為重要。自２０ 世紀８０ 年代以來，國際上已啟動了一系列海底擾動影響實驗，旨在探究底棲生物群落及其棲息地環境在受到采礦活動干擾后的自然恢復機制。近年來，熒光示蹤技術已成為深海采礦環境影響評估的有力工具，德國和比利時已成功開發出羽狀流監測的熒光示蹤技術，并計劃在未來太平洋結核區的深海采礦試驗中加以應用。

盡管在深海采礦活動潛在環境影響評估方面已取得一定進展，但面臨的挑戰仍較多。國際海底管理局（ＩＳＡ）雖已提出一份環境影響評估報告的框架性模板，但針對深海采礦的具體評估方法與評價標準尚未形成共識，這凸顯了當前評估體系的局限性和緊迫性。因此，迫切需要突破現場模擬實驗、深海原位實驗和數值模擬等關鍵技術，構建一套全面、系統的深海采礦環境影響評估技術體系與標準框架，為深海礦產資源的可持續開發和利用提供堅實的技術支撐和決策依據。這一目標的實現，對海底水動力學研究、水下高精度影像測量技術和定量分析方法的進一步發展提出了更高的要求，也為深海采礦的可持續發展提供了重要保障。

三、我國深海礦產資源開發的進展、差距與啟示

３．１ 我國深海礦產資源開發的進展

（１）法規制定與機制構建進展

１９９１ 年，我國正式成為繼印度、法國、日本和前蘇聯之后，第五個國際海底區域先驅投資者，這一里程碑事件標志著我國在國際海底資源勘探和開發領域獲得了重要地位。同年，我國成立了大洋礦產資源研究開發協會（簡稱“大洋協會”），協會以申請國際海底礦區為契機，通過常務理事會的運行機制，有效爭取了中央編辦、外交部、發展改革委、財政部、科技部等部門對大洋工作的政策指導和資金、能力等方面的支持。協會通過設立專項領導小組等協調機制，依托國家海底新資源工作領導小組、國家深海基地建設領導小組、“蛟龍”號海試（試驗性應用）領導小組等，高效組織和實施了一批大洋領域重大任務。在業務開展方面，協會依托理事單位，在多個關鍵領域如大洋資源勘查技術與資源評價研究、大洋地球科學與環境評價研究、大洋生物基因資源利用研究等，建立了一系列業務平臺，同時也加強了中國大洋樣品館和大洋信息系統建設。此外，協會還啟動了國家深海基地項目一期工程建設，為大洋事務管理提供了強有力的科學技術支撐。這一系列舉措顯著提升了我國在國際海底資源開發和管理領域的綜合實力。

此外，我國高度重視深海礦產資源開發的國內法制建設，全國人民代表大會常務委員會于２０１６ 年２ 月２６ 日通過了《中華人民共和國深海海底區域資源勘探開發法》。該法律由七章共計二十九條組成，標志著我國首次在法律層面對中國公民、法人或其他組織在國家管轄范圍以外海域從事的資源勘探、開發活動進行了規范。這一立法舉措對于完善我國海洋法律體系，規范并促進“深海海底區域”資源勘探、開發活動的有序進行，以及保護“深海海底區域”海洋環境的可持續發展，具有里程碑式的意義。

（２）海底礦產資源勘探裝備研究進展

我國自１９８３ 年開始啟動海底礦區勘查工作，尤其對東北太平洋的多金屬結核礦區開展了多次勘查。１９９１ 年，我國成為第一批國際海底礦產資源勘探的“先驅投資者”，此后我國陸續與國際海底管理局先后共簽訂了５ 個礦區勘探合同，總面積約為２３．５ 萬平方公里，其中多金屬結核礦區３ 塊、多金屬硫化物礦區１ 塊、富鈷鐵錳結殼１ 塊，是目前全球擁有國際海底礦區最多的國家。在２０００ 年以前我國海底勘探主要以地質取樣為主，２０００ 年以后，我國在深海載人潛水器方面取得快速進展，２０１２ 年“蛟龍”號載人深潛器下潛至７ ０６２ 米，創世界同類作業型潛水器最大下潛深度紀錄。２０１７ 年，４ ５００ 米型的“深海勇士”號載人深潛器正式投入使用，國產自主率超過９５％。２０２０ 年，“奮斗者”號萬米級載人潛水器成功坐底馬里亞納海溝，創下中國載人深潛１０ ９０９ 米新紀錄，標志著我國在大深度載人深潛領域達到世界領先水平。迄今我國已初步建立全海深潛水器譜系，包括“海斗”“潛龍”“海燕”“海翼”和“海龍”號等系列無人潛水器，基本形成了高清光學、高頻聲學和多種取樣工具等綜合探測技術體系。在鉆探技術方面，我國已經研制出了適用于富鈷結殼資源探測的１．５ 米和６．０ 米深海淺鉆，適用于多金屬硫化物資源探測的２０ 米深海鉆機。２０２１ 年４ 月，湖南科技大學研發的我國首臺“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統，在南海超２ ０００ 米深水成功下鉆２３１ 米，刷新了世界深海海底鉆機鉆探深度的紀錄。截至目前，我國已在國際海域開展了８０ 余航次的資源和環境調查，初步具備海底地形地質識別、鉆探和深海資源探查能力。為我國國際海域礦產資源勘探開發積累了豐富資料。①

（３）海底礦產資源開發平臺裝備研制進展

目前，我國僅有馬尾船廠有采礦船船體建造的經驗，但該船尚未進行系統總裝和海上試驗。現階段國內主要是利用海洋科考船來開展采礦試驗，受船型條件限制，試驗時間短、全系統集成驗證少，驗證水深和作業規模仍處于取樣規模，全系統協同作業的技術先進性和成熟度驗證尚不充分，對于水面平臺與水下采集和輸送系統協同控制的技術驗證尚屬空白，在全天候采礦船開發、全流程系統集成、耦合系統性能分析、多系統協同控制等關鍵技術方面尚待突破。

在相關研究方面，以浮式鉆井船（平臺）和漂浮式生產儲油卸油裝置（ＦＰＳＯ）等相關科研項目為基礎，我國在水面平臺的水動力性能共性技術研究方面積累了一定基礎，采用數值計算與模型試驗相結合的方法研究了水面平臺的運動性能以及在深海海況下的作業能力，同時對立管系統的水動力性能、渦激振動等也取得了一定的研究成果。但是，針對深海采礦系統的水動力分析技術還未能擴展至工程化采礦平臺系統，尤其是水面平臺－水下懸掛式大深度重載荷耦合系統動力學分析研究還處于空白狀態。

（ ４）海底礦產資源開采作業裝備研制進展

２０ 世紀９０ 年代開始，我國開始正式開展深海采礦技術研發。大洋協會、長沙礦冶研究院有限責任公司、中南大學、中央民族大學、上海交通大學等單位針對提升泵管裝備、長距離管道輸送等關鍵技術進行了陸上試驗和仿真研究。② “十二五”期間我國開展了多金屬結核集礦系統５００ 米海上試驗，“十三五”期間開展了１ ０００米級深海采礦工程試驗驗證，為未來更大水深更高性能采礦系統研制奠定了基礎。③

具體來說，在２００１ 年，由國內多家科研和工程單位聯合研制的多金屬結核采礦車及泵管輸送系統，在云南撫仙湖成功完成了１３０ 米水深的湖泊試驗。這一試驗初步驗證了海底開采工藝及其裝備的可行性。隨后，在２０１６ 年，長沙礦冶研究院完成了３００ 米深度的海上揚礦海試，進一步驗證了深海采礦技術的可靠性和實用性。２０１８ 年，長沙礦冶研究院研制的“鯤龍５００”采礦車在中國南海成功進行了５００ 米深度的海上試驗，驗證了針對多金屬結核的海底礦物水力自適應采集、海底導航定位和控制等關鍵功能④。同年，我國在富鈷結殼合同區完成了２ ０００ 米水深的富鈷結殼綜合采集海試。次年，采用深海富鈷結殼規模采樣裝置在南海進行了兩次富鈷結殼礦石的采集作業，并通過水力式收集系統將破碎后的鈷結殼碎塊輸送到物料倉。２０１９ 年，中科院深海所開展了２ ５００ 米深度的集礦海試，驗證了深海集礦系統的穩定性。到了２０２１ 年，大洋協會組織開發了我國首套多金屬結核中試采礦系統，并成功進行了１ ３００ 米級深海采礦系統的海上試驗。同年，上海交通大學研制的深海采礦車“開拓１ 號”完成了海底礦石采集與沉積物取樣等試驗。該試驗突破了深水大功率液壓、高壓電力能源供給、信號傳輸與智能控制、水壓布放回收姿態自動控制等多項關鍵技術，并在南海成功完成了１ ３００ 米深度的海試。這些成果為我國深海礦產資源的開發提供了重要技術支持。

２０２１ 年８ 月，大連理工大學聯合長沙礦冶院等多家單位研制完成我國首套深海采礦智能化混輸裝備系統“長遠號”，搭載“長和海洋”號科考船在中國南海完成５００ 米級深海多金屬結核混輸系統研制及海試，驗證了技術可行性；２０２２ 年，北京先驅高技術開發有限責任公司聯合上海交通大學研制的“海龍Ｖ－曼塔號”浮游式深海多金屬結核原位集礦技術驗證平臺，采用低擾動取樣技術，在西太平洋先驅多金屬結核礦區完成了海試，這是國際上首次基于浮游行進方式的多金屬結核采集，此次海試開展了６個潛次的試驗，試驗最大水深５ ６００ 米，總采集距離超過３００ 米，采集行進速度０．２～０．６ 米／ 秒，搭載的小型集礦頭集礦能力超過２０ 噸／ 小時。２０２４ 年６ 月，上海交通大學自主研制的深海重載作業采礦車工程樣機“開拓二號”在海試中完成５ 次著底采礦，最深水深達到４ １０２．８ 米，成功獲得了２００ 多公斤的多金屬結殼、多金屬結核、海底基巖等各類深海礦產樣品，這是國內深海重載作業采礦車首次在４ ０００ 米以深海底開展深海礦產資源試開采試驗。“開拓二號” 在國內首創深海復雜海底地形高機動行進深海多礦類復合鉆采等深海采礦領域多項技術，展現出了強大的海底礦巖鉆進與采集能力，此外“開拓二號”的爬坡和避障能力可以讓它在復雜地形環境下實現多方向進行，從而大范圍覆蓋結殼礦區，提升礦石采收率；此外，該采礦車還搭載了環境監測系統，對海底羽狀流生成擴散、水下作業噪聲等環境影響情況進行了全面監測與評估。

下表統計了近２０ 年來我國深海礦產開發的主要進展。

（５）我國深海采礦環境影響評估和監測技術研究進展

自“十一五”規劃實施以來，我國在深海多金屬結核區環境參照區的選劃方面進行了深入研究，期間對環境參照區的選劃原則和標準進行了探討，并在此基礎上提出了適用于合同區的環境參照區選劃技術方案。為了科學系統地評估采礦活動對深海環境和生物群落可能產生的影響，２０２１ 年我國在南海開展了１ ０００ 米級多金屬結核采礦試驗的環境影響評估工作，初步構建了環境影響評價指標體系，并建立了羽狀流評估模型，期間還完成了國際上首個深海原位重金屬毒理試驗，為深海采礦環境影響評價提供了生物標志物。

３．２ 我國深海礦產資源開發的主要差距

在深海采礦的裝備技術格局中，我國相較于全球領先國家及地區如美國、日本及歐洲，仍面臨一系列顯著的挑戰與差距。這些挑戰和差距具體體現在以下幾個方面：

第一，基礎研究與自主研發能力的欠缺。我國在深海采礦裝備系統的動力特性分析，特別是在復雜條件下的耦合動力響應分析預報方法上，存在顯著的研究短板。深水管道輸送相關工程實踐經驗和測試數據的不足，使得對超深水作業環境中管道結構力學特性的深入研究受限。在組合導航定位裝備與算法、大功率深水電纜及光纖技術、深海傳感器、水密接插件以及中央控制系統等核心元器件的研發上，我國仍依賴外部技術，高性能材料在深水礦石輸運管道的應用研發也亟待加強。

第二，核心技術裝備驗證與研發能力的局限。我國在完善海底礦石采集技術方案、深水海試驗證以及關鍵技術和裝備的自主研發方面仍有待提升。尤其是多金屬結核和多金屬硫化物的深水試驗尚未展開，水下海洋環境實時感知技術基礎薄弱，配套設備能力不足，關鍵技術和裝備多依賴進口。礦石長距離提升泵技術、重載裝備的布放回收技術、升沉補償技術以及全系統、多設備的聯動控制等方面，均需要進一步的技術研發與實證。

第三，全系統聯合海試與規模化、商業化開采能力和戰略規劃能力不足。我國尚未進行全系統的聯合海試，同時也缺乏明確的深海采礦技術規模化、商業化開采規劃。盡管已進行多次單體海試，但關于系統生產效率、穩定性、可靠性、長期運維性能及經濟性的綜合研究尚需深入。

第四，環境友好型裝備研發與環境評估的滯后。在環境影響評估及環境友好型裝備研發上，我國與先進國家之間存在顯著的差距。發達國家已在深海采礦的環境影響評估上取得初步成果，建立了相應的分析模型，而中國在此領域尚未形成系統的環境影響評估方法，環境友好型的開采和輸送裝備研發也缺乏成熟的技術方案。此外，針對環境評估所需的海底傳感、通信技術和安全監測等核心技術方面，我國仍面臨外部制約。

３．３ 我國深海礦產資源開發的發展啟示

針對以上這些差距，近期有必要依托深海礦產開發專項，以國家為主導，企業為主體，協同科技部、發改委等多部門，全面打造我國的深海礦產自主開發能力，力求在深海礦產開發系統設計、核心裝備制造、礦產資源利用等方面取得國際領先地位，提升我國深海環境評價與國際規則標準制訂的能力。中遠期有必要通過目標導向和政策支持，推進供給側結構性改革，促進國內企業通過合作、聯營、借殼等多種方式進入深海海底資源勘探開發領域，引領我國深海產業向高端、智能、綠色方向發展，并帶動促進材料、通訊、導航定位等相關領域的創新發展，以及深海與深空、深地、深藍戰略支撐技術的融合發展。

責任編輯 鄧文科

基金項目：本文系中國工程院２０２４ 年一般咨詢項目“海洋科技創新提升海上絲綢之路建設效能研究”（２０２４－ＨＺ－１６）的階段性成果。