出品：科普中國(guó)

作者：Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

深海采礦是指在水深200米至6500米的海底開(kāi)采礦物。為了獲取這些金屬資源，重量超過(guò)藍(lán)鯨的巨型機(jī)器會(huì)在深海海底進(jìn)行挖掘作業(yè)。隨后，這些機(jī)器通過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的管道將開(kāi)采出來(lái)的礦物材料泵送到作業(yè)船上。采礦過(guò)程中產(chǎn)生的沙子、海水和其他礦物廢料則會(huì)被重新泵回海中。

深海采礦設(shè)備

（圖片來(lái)源：文獻(xiàn)6）

深海里的礦產(chǎn)資源

海洋中的礦產(chǎn)資源種類(lèi)繁多且儲(chǔ)量豐富，特別是深海區(qū)域蘊(yùn)藏著大量的重要礦產(chǎn)資源，如多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等。

等等，結(jié)核？跟我們常說(shuō)的結(jié)核病有關(guān)系嗎？結(jié)殼又是什么呢？

1.多金屬結(jié)核

多金屬結(jié)核是一種在深海底部發(fā)現(xiàn)的礦物聚合體。結(jié)核通常呈現(xiàn)球形或橢球形，直徑從幾毫米到幾厘米不等，有時(shí)甚至可以達(dá)到10厘米以上，有的大小像雞蛋，有的像土豆。它們主要由錳、鐵、鎳、銅、鈷等多種金屬組成，此外還含有少量的稀土元素和貴金屬。

結(jié)核的形成是一個(gè)緩慢的地質(zhì)過(guò)程，通常需要數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間。其形成機(jī)制主要有兩種，一是金屬離子通過(guò)化學(xué)沉淀和氧化反應(yīng)在海底逐漸積累，形成錳氧化物和鐵氧化物，這些氧化物作為基質(zhì)包裹其他金屬元素，逐漸形成結(jié)核。另一種是靠微生物在海底沉積物中的活動(dòng)，也可以促進(jìn)金屬元素的沉積和結(jié)核的形成。

深海錳結(jié)核

（圖片來(lái)源：wikipedia）

多金屬結(jié)核主要分布在太平洋、印度洋和大西洋的深海底部，尤其是在太平洋的克拉里昂-克里珀頓區(qū)（Clarion-Clipperton Zone, CCZ）。這些結(jié)核富含錳、鎳、銅和鈷等金屬，估計(jì)該區(qū)域的多金屬結(jié)核資源量可達(dá)數(shù)十億噸。根據(jù)國(guó)際海底管理局的數(shù)據(jù)，僅克拉里昂-克里珀頓區(qū)的資源量就可能滿足全球數(shù)百年的金屬需求。

2.結(jié)殼

結(jié)殼是在海底硬基巖上形成的一層富含金屬的礦物殼層。結(jié)殼的厚度通常為幾毫米到幾厘米，主要由錳、鐵、鈷、鎳、銅和稀土元素等組成。

結(jié)殼主要是通過(guò)化學(xué)沉積過(guò)程形成的，其中金屬元素從海水中沉淀并在基巖表面逐漸積累。這一過(guò)程受到多種因素的影響，包括海水的化學(xué)成分、溫度、壓力以及海流等。結(jié)殼的形成速度極慢，通常需要數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間才能形成幾毫米的厚度。

蒙特利灣水族館研究所(MBARI)收集的玄武巖基底上的錳鐵結(jié)殼

（圖片來(lái)源：文獻(xiàn)3）

鈷結(jié)殼主要分布在太平洋的海山和大洋中脊地區(qū)，富含鈷、鈦、鎳、鉑和稀土元素。特別是在太平洋中部的海山上，鈷結(jié)殼的資源量巨大。根據(jù)估算，全球海底鈷結(jié)殼資源量可達(dá)數(shù)億噸，足以供應(yīng)全球?qū)︹捄推渌P(guān)鍵金屬的長(zhǎng)期需求。

3.多金屬硫化物

多金屬硫化物又稱(chēng)海底熱液硫化物，是一種在深海熱液噴口區(qū)域形成的礦物聚合體，尤其是在中大西洋洋脊和太平洋的東太平洋海隆等地區(qū)。它們富含多種有價(jià)值的金屬元素，如銅、鋅、鉛、金、銀，以及其他稀有金屬。

海底塊狀硫化物

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)4）

多金屬硫化物主要形成于深海熱液噴口區(qū)域。這些噴口常見(jiàn)于大洋中脊和海底火山活動(dòng)區(qū)域。這些礦床富含銅、鋅、鉛、金、銀和其他稀有金屬。海底的多金屬硫化物礦床中含有的金屬比例較高，開(kāi)采價(jià)值更大。海底熱液噴口區(qū)域的多金屬硫化物資源量預(yù)計(jì)有數(shù)億噸。

為什么要在深海采礦？

深海采礦是一種獲取海底礦產(chǎn)資源的新興方式，具有重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義。深海蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，這些資源中富含的關(guān)鍵金屬對(duì)現(xiàn)代工業(yè)、電子產(chǎn)品和電池制造至關(guān)重要。陸地礦產(chǎn)資源會(huì)逐漸枯竭，開(kāi)發(fā)深海資源成為滿足未來(lái)需求的重要途徑。

隨著海洋技術(shù)的進(jìn)步，深海采礦逐漸變得可行。先進(jìn)的水下機(jī)器人、深?？碧皆O(shè)備和海底采礦技術(shù)，使得在極端環(huán)境下進(jìn)行資源開(kāi)采成為可能。盡管前期投資較高，但深海礦產(chǎn)資源的開(kāi)采可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，并推動(dòng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。此外，掌握深海采礦技術(shù)對(duì)國(guó)家而言具有重要的戰(zhàn)略意義，有助于保障國(guó)家資源安全，并提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，深海采礦在國(guó)際上面臨三大技術(shù)難題：第一，礦區(qū)海底地形異常復(fù)雜，導(dǎo)致裝備的安全行進(jìn)困難重重；第二，深海礦產(chǎn)的賦存形式與物理特性復(fù)雜多樣，使得高效開(kāi)采和收集面臨巨大挑戰(zhàn)；第三，深海重載作業(yè)裝備在海上風(fēng)浪條件下的安全布放和回收難度較大。

“開(kāi)拓二號(hào)”創(chuàng)我國(guó)深海采礦多項(xiàng)紀(jì)錄

由上海交通大學(xué)自主研制的深海重載作業(yè)采礦車(chē)工程樣機(jī)“開(kāi)拓二號(hào)”，在完成深海試驗(yàn)航次后，搭乘“向陽(yáng)紅03”號(hào)科考船順利返回廈門(mén)，海試取得了圓滿成功。

深海采礦機(jī)器“開(kāi)拓二號(hào)”

（圖片來(lái)源：上海交通大學(xué)）

此次海試中，“開(kāi)拓二號(hào)”共進(jìn)行了5次探采作業(yè)，創(chuàng)下了我國(guó)深海采礦領(lǐng)域的6項(xiàng)新紀(jì)錄，技術(shù)性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。

“開(kāi)拓二號(hào)”在海底多金屬結(jié)殼與結(jié)核礦區(qū)，成功完成了5次連續(xù)下潛，其中1次達(dá)到了4000米級(jí)深度，其余4次在2000米級(jí)深度進(jìn)行。具體深度分別為1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米和4102.8米，這是我國(guó)深海重載作業(yè)采礦車(chē)首次在4000米左右深度的海底開(kāi)展深海礦產(chǎn)資源試開(kāi)采試驗(yàn)。

開(kāi)拓二號(hào)采集的礦石

（圖片來(lái)源：上海交通大學(xué)）

這一次的深海采礦技術(shù)取得重大突破，成功獲取大量多金屬結(jié)殼和多金屬結(jié)核等深海礦產(chǎn)樣品。此外，首創(chuàng)的深海復(fù)雜海底地形高機(jī)動(dòng)行進(jìn)技術(shù)和多礦類(lèi)復(fù)合鉆采技術(shù)，即使在陡峭海山和稀軟沉積物等復(fù)雜地形中，也能安全穩(wěn)定行進(jìn)、高效開(kāi)采多種礦石。同時(shí)，智能精細(xì)控制技術(shù)和非金屬纜深海重載布放回收技術(shù)，確保了深水作業(yè)的精確定位和安全回收。

這些技術(shù)的突破標(biāo)志著中國(guó)在深海采礦技術(shù)上的領(lǐng)先地位，并為未來(lái)的資源開(kāi)發(fā)提供了有力保障。這一成就不僅展示了中國(guó)在深海采礦領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，還為未來(lái)深海礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

深海采礦作為未來(lái)資源開(kāi)發(fā)的重要方向，展現(xiàn)出巨大的潛力和前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和對(duì)陸地資源需求的增加，深海區(qū)域的礦物資源逐漸引起人們的關(guān)注。深海采礦不僅可以提供豐富的金屬礦物，還能緩解陸地資源的枯竭壓力，推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

然而，深海采礦也面臨諸多挑戰(zhàn)。未來(lái)，通過(guò)多方協(xié)作和創(chuàng)新科技，深海采礦有望在保證生態(tài)平衡的前提下，成為全球資源供應(yīng)的重要補(bǔ)充。我們期待著深海采礦技術(shù)的成熟和應(yīng)用，為人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展開(kāi)辟新的路徑。

參考文獻(xiàn)：

1. Du K, Xi W, Huang S, et al. Deep-sea Mineral Resource Mining: A Historical Review, Developmental Progress, and Insights[J]. Mining, Metallurgy & Exploration, 2024, 41(1): 173-192.

2. van Putten E I, Aswani S, Boonstra W J, et al. History matters: societal acceptance of deep-sea mining and incipient conflicts in Papua New Guinea[J]. Maritime Studies, 2023, 22(3): 32.

3. MINERALS, DEEP SEA. "Cobalt-rich Ferromanganese Crusts."

4. Deep Sea Minerals: Cobalt-rich Ferromanganese Crusts, a physical, biological, environmental, and technical review Archived 2021-09-06 at the Wayback Machine. Baker, E. and Beaudoin, Y. (Eds.) Vol. 1C, Secretariat of the Pacific Community

5. 楊震,劉丹.中國(guó)國(guó)際海底區(qū)域開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀、特征與未來(lái)戰(zhàn)略構(gòu)想[J].東北亞論壇,2019,28(03):114-126+128.

6. Sharma, Rahul, ed. Deep-sea mining: Resource potential, technical and environmental considerations. Springer, 2017.