海底热液多金属硫化物勘探开发与管理研究＊

公衍芬，刘志杰

（国家海洋信息中心 天津 300171）

海底热液多金属硫化物勘探开发与管理研究＊

公衍芬，刘志杰

（国家海洋信息中心 天津 300171）

文章综合分析了热液多金属硫化物勘探开发的技术可行性、经济可行性、环境和生物影响以及管理政策，并在此基础上，提出了建立我国国际海底资源开发的战略和对策建议。

海底热液多金属硫化物；勘探；开发；管理

随着陆地金属矿产资源的日渐枯竭，人类逐渐把目光转向深海矿产资源，海底块状多金属硫化物是继多金属结核和富钴结壳等深海矿产资源之后人类认识到的又一种新的海底矿产资源，由于其赋存水深较浅、距离陆地较近，经济价值也相对较高，被认为具有较好的开采价值。海底块状多金属硫化物的开发已引起了国际采矿界的高度关注。日本完成了硫化物资源勘探相关工作，已选定了两个开采区。俄罗斯完成了多金属硫化物矿区的第一阶段勘探工作，进入了多金属硫化物资源采矿系统设计研究阶段。澳大利亚的两家公司在西南太平洋区域的巴布亚新几内亚和新西兰等国专属经济区内申请和获得了面积达50万km2余的勘探区。海王星矿产公司完成了热液矿区勘探工作，并于2010年进行试验开采；鹦鹉螺矿产公司完成了热液矿区勘探工作和采矿设备的制造，于2010年开始进行商业开采。

1 海底热液多金属硫化物概况

多金属硫化物（polymetallic sulfide）是指热液作用形成的硫化物矿床及伴生的矿物资源［1］，亦称块状硫化物（seafloor massive sulfide，SMS），是汇聚或发散板块边界岩石圈与大洋（水圈）在洋脊扩张中心、岛弧、弧后扩张中心及板内火山活动中心发生热和化学交换作用的产物［2－3］，一般富含铜、铅、锌、金和银等金属，同时副产物有钴、锡、硫、硒、锰、铟、铋、镓与锗等［4］。按其形态分为海底多金属软泥和海底多金属硫化物矿床两种。2010年1月，世界上第一个海底矿产项目开发公司——鹦鹉螺矿产公司宣布，2009年对巴新巴萨穆克海域勘探样品分析结果显示，铜等级至32.4%，锌升至52.6%［5］。

据不完全统计，当前发现及经推断确定的海底热液成矿的硫化物矿床有350多处［6］，规模比较大的近20处，其中多处资源量超过百万吨。它们主要分布在10°S～30°N，其水深范围为2 500～2 900m，集中在地质构造不稳定的区域，如洋中脊、板内热点和弧后盆地［7］。这些区域大都与地震、火山、断裂、扩张紧密相关（图1）［8］。

图1 世界大洋主要海底热液区分布位置

2 国内外研究现状

1948年瑞典科学家利用“信天翁号”（al－batross）考察船在红海中部AtlantisⅡ深渊附近（21°20′N，38°09′E，水深1 937m）发现高温高盐溶液。1963—1965年国际印度洋调查期间，在红海轴部及中央盆地中识别高温高盐溶液，发现热液多金属软泥，揭开了海底热液活动研究的序幕［9］。从20世纪80年代起，世界上几个主要工业国家就制定了勘探和开发海底多金属硫化物的国家计划。苏联早在20世纪60年代中期，就在太平洋获得了多金属硫化物样品，并对大洋热液过程的成因进行研究。20世纪60—70年代，苏联在太平洋洋中脊和印度洋进行了一系列的调查，研究低温金属沉积物和热液矿床的成因。除俄罗斯外，大力进行海底多金属硫化物调查勘探和研究工作的还有美国、法国、德国、英国、日本、加拿大和澳大利亚。目前，葡萄牙和意大利也制订了勘探深海多金属硫化物的计划。

3 海底多金属硫化物勘探开发

3.1 技术可行性分析

根据发现的矿点水深情况，相对其他海底多金属结核及富钴结壳等资源而言，海底多金属硫化物一般分布在相对较浅的水域，从几十米至3 500m不等，多出现在2 500m左右，开采系统技术问题相对比较容易解决。

海底多金属硫化物特殊的地质背景及结构形态，从另一个角度为开采系统设计提供了极大的便利，即对于一般呈丘状的硫化物矿体，采集器无需像采集多金属结核那样在较大的区域来回采集，更无需复杂的路径规划，而更趋向于集中在小块海底区域内的定点作业。因此，采矿系统对采集器行驶性能及控制系统的要求将大为简化，系统的可靠性将得到提高。同时，现有的深海采矿方法、陆地金属冶炼工艺、较为成熟深海机电产品技术及ROV装备、海洋石油开采技术及工程经验等为海底多金属硫化物的开采提供了借鉴的可能，经过适当的整合与集成，这些方法及技术完全可以保证硫化物开采的需要。

3.2 经济可行性分析

海底多金属硫化物普遍具有较高的金、银、铜、锌含量，无论是与海底多金属结核资源还是与陆地硫化物矿相比，都具有明显的开采价值，美国国家地质调查局1983年针对Juan de Fuca的三组硫化物矿样品的分析结果［10］显示，根据当时的金属市场价格，每吨硫化物矿剔除含有的稀有金属镉的价值（约106美元/t）后，仅铜、锌、金、银等的综合价值为348.23美元，而Cyprus的硫化矿每吨的综合价值为38.28美元，海底多金属结核每吨的综合价值为191.97美元。

鹦鹉螺矿业按开发期4年对SolwaraⅠ矿区块状硫化物（SMS）开发利用的技术经济性进行了初步的估算，得到支出与收入的大致情况如表1所示。

表1 鹦鹉螺矿产公司关于SolwaraⅠ矿区块状硫化物开发计划的收支情况预计［11］

从表1来看，鹦鹉螺矿业对SolwaraⅠ矿区SMS开发的经济效益给了收益率高达39.6%～89.6%的乐观估计。当然，这些估计只是在一系列假设下得到的一个初步粗略估算［11］。

目前，海底采矿的主要金属，即金、银、铜、镍和锰的价格，尽管有些动荡，但总体上呈强有力的上升趋势。总之，在国际金属市场价格上浮且有着良好的走势时，海底多金属硫化物将具有更好的采矿经济效益。

3.3 环境影响分析

开采多金属结核对环境影响主要有以下几种：①采矿系统对海底环境的影响。在集矿机采集多金属结核的过程中，对表层沉积物进行搅动，破坏沉积物原有的结构，并使沉积物进入水体形成沉积物云团，结果会使光照条件变差，并降低水体的清洁度。②采矿船废液、废水排放对海洋环境尤其是表层水域环境的影响。集矿机将结核收集到一起之后，将利用射流将结核冲洗干净，然后压碎，并将包含破碎结核与海水的泥浆提升到采矿船上。如果再在采矿船上对结核进行处理、加工，则势必将大量尾矿、废水排放到海水中，这些废水、矿渣中含有大量颗粒物质和微量元素，必将对表层海水产生严重的污染作用。③陆上加工处理造成的环境影响。在对多金属结核进行陆上加工处理过程中，会产生大量的废弃物，它们会对周围居民的生活和大气环境产生影响［12］。

开采多金属硫化物的许多环境影响问题与开采多金属结核所造成的环境问题相似，包括破坏动物栖息处的表层，甚至周围火山生态系统的改变，底层水因悬浮的颗粒羽流而发生化学变化。另一方面，硫化物颗粒的高密度会使采矿设备所造成的任何硫化物碎屑立即重新沉积。由于与海水接触面大，一些释放出的硫化物碎屑会氧化，如同许多海底矿床的非活性块状硫化物的氧化过程一样。采矿过程排放的废水及机械泄漏将造成对海洋环境的污染等［11］。

3.4 生物影响分析

在全球60 000km长的洋中脊系统，已发现了400多处热液喷口区，在热液喷口周围密集的生物群体和与热液喷口对应的热液生物的生命奇迹，为人类研究生命起源提供了新的视角。随着更深层次的生物科学研究的全面展开，将会产生不可估量的科学意义。硫化物矿产资源的开采，影响甚至破坏活动的热液喷口区的独特生态环境［13］。采矿引起的沉积物漂流及声呐设备的声音干扰可能影响采矿区附近的海底生物。因此，应选择性地开采多金属硫化物矿床，尤其是那些没有任何喷口动物生息的非活性矿床，因为在这些地方开采所造成的环境影响可能不会大于建造一个普通港口的设施。

4 海底多金属硫化物管理研究

关于深海采矿立法方面，美国率先于1980年第一个通过了《深海海底固体矿物资源法》，联邦德国1980年制定了《深海海底采矿临时管理法》，英国1981年制定了《深海采矿法》，法国于1981年制定了《深海海底矿物资源勘探和开发法》，苏联1982年颁布了《关于调整苏联企业勘探和开发大陆架以外海底区域矿物资源活动的临时措施》，美国、英国、法国和联邦德国1982年9月还联合签订了《关于深海海底多金属结核的临时措施的协议》等［12］。

根据《联合国海洋法公约》的规定，国际海底区域属国际海底管理局管理，因此深海矿产资源开采的法律问题应遵循国际海底管理局相关勘探开采章程。2010年4月26日至5月7日国际海底管理局在牙买加金斯敦召开第16届会议，于5月7日通过了《“区域”内多金属硫化物探矿和勘探规章》［14］。此规章是管理局继《“区域”内多金属结核探矿和勘探规章》后制定的第二个深海“采矿法典”，对规范和促进国际海底区域资源的勘探及开采具有重要意义。

5 海底多金属硫化物的开采

短期内，在特殊的条件下，海洋开采是可行的：①高的金和贱金属品位；②离陆地较近，一般在浅水的专属经济区或平均12海里区内；③不超过2 000m的浅水区。在目前已发现的金属硫化物矿床（点）中，仅有12个矿床具有相当的规模和高的品位，并且具有商业开采价值（表2）［15］。

人口对铜和金之类商品的需求不断增大，一项名为海底块状硫化物的海洋采矿业便应运而生。迄今仅有日本、新西兰和瓦努阿图立法同意SMS的勘探活动。鹦鹉螺和海王星矿产公司是SMS矿业集团中的两个主要企业。

表2 可能开采的海底硫化物矿床

我国已于2010年向联合国国际海底管理局提交了位于西南印度洋的硫化物矿区申请，这是国际上首例对多金属硫化物矿区的申请。我国在世界上按照相关规章第一个提出矿区申请，是建立在长期对海底热液硫化物科考调查的基础上，2011年11月18日，中国大洋矿产资源研究开发协会与国际海底管理局签署《国际海底多金属硫化物矿区勘探合同》［16］。

6 建立我国国际海底资源开发的战略

制定深海矿产资源勘探规章，是执行《联合国海洋法公约》的具体步骤之一，也是加强国际海底资源管理的一项主要措施，同时将使国际海底新资源的开发活动纳入管理局的管辖范围，可以阻止一些海洋技术强国垄断海底资源。全面介入国际海底区域活动，维护“区域”这一全人类共同继承财产，积极开展多金属硫化物等新资源的勘探开发研究和关于新资源的国际立法研究，争取国际游戏规则制定中的话语权，也是维护中国在“区域”的长远利益，扩宽中国经济建设战略资源储备的必要选择。从长远考虑，制定这样的规章对中国在国际海底区域开发新资源是有利的。

我国在海洋矿产的勘探开发及相关影响因素的立法管理，从20世纪70年代至今，做了大量的工作，先后颁布了多个法规。如《对外合作开采海洋石油资源条例》（1982）、《矿产资源法》（1986）、《矿产资源勘探登记管理暂行办法》（1987）、《矿产资源监督管理暂行办法》（1987）和《海洋石油勘探开发环境保护管理条例》（1983）等。但这些法律法规都是关于我国领土内的矿产资源的勘探开发，不适用于我国在大洋深海“区域”的勘探开发活动［12］。基于大洋多金属矿产资源勘探开发管理立法工作的现状，应加快我国在这方面的工作进度。

多元化经略国际海底的战略思想：①发展深海科学，为我国利用深海和国际海底提供科学基础；②发展深海技术，探查技术、运载技术、勘探开发技术、环境技术，形成深海技术体系，基本完成深海多种矿物资源开采技术的研发。同时通过研究成果的产业化转化获取经济效益；③寻找新的可开发资源和建立深海产业，深海技术装备产业、深海采矿业、深海生物产业；④探索深海其他利用的可能性，包括国防安全的利用问题；⑤加强对全球海底金属市场的调查研究。为实现“区域”资源的商业开采，应加强对全球金属市场的跟踪研究，合理制定我国相关产业政策［17］。积极参与国际海底科学研究、国际海底资源的勘探开发、国际海底管理事务，分享国际海底资源利用之利，在国际海底事务中发挥应有的作用。

［1］ 国际海底管理局.“区域”内多金属硫化物探矿和勘探规章［Z］.2010.

［2］ RONA P A，SCOTT S P.A special issue on seafloor hydrothermal mineralization：New perspectives－Preface［J］.Econ Geol，1993，88：1933－1976.

［3］ 侯增谦，莫宣学.现代海底热液成矿作用研究现状及发展方向［J］.地学前缘，1996，3（4）：263－273.

［4］ 丁六怀，陈新明，高宇清.海底热液硫化物：深海采矿前沿探索［J］.海洋技术，2009，28（1）：126－132.

［5］ 曲笑.世界上第一个海底矿产项目公布勘探结果［N］.中国海洋报，2010－01－29（A4）.

［6］ SCOTT S.The future of mining seafloor massive sulfides［C］∥International Geological Congress，OSLO August 6－14th，2008.

［7］ RISE Project Group（Speiss F N，et al）.East Pacific Rise：hot spring and geophysical experiments［J］.Science，1980，207：1421－1444.

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［11］ 邬长斌，刘少军，戴瑜，等.海底多金属硫化物开发动态与前景分析［J］.海洋通报，2008，27（6）：101－109.

［12］ 侯贵卿，周立君，李日辉，等.深海矿产资源勘探开发法规及开发前景分析［J］.海洋地质与第四纪地质，1998，18（4）：121－124.

［13］ 陈新明，高宇清，吴鸿云，等.海底热液硫化物的开发现状［J］.矿业研究与开发，2008，28（5）：1－5.

［14］ 国际海底管理局第16届会议.［EB/OL］.［2012－04－24］.http：//china－isa.jm.china－embassy.org/chn/hdxx/t711469.htm

［15］ 李军.现代海底热液块状硫化物矿床的资源潜力评价［J］.海洋地质动态，2007，23（6）：23－30.

［16］ 中国大洋协会与国际海底管理局签订国际海底多金属硫化物矿区勘探合同［N］.中国海洋报，2011－11－22（A1）.

［17］ 金永明.国际海底区域的法律地位与资源开发制度研究［D］.上海：华东政法学院，2005.

海洋公益性行业科研专项“国际海底资源开发与公海保护区选划技术支持系统及应用示范”（201005003）.

我国海底多金属硫化物研究起步较晚，1988年7—8月中德科学家合作So－57航次对马里亚纳海槽区热液多金属硫化物的分布情况和形成机理进行调查和研究，获得非活动性的热液多金属硫化物和硅质“烟囱”。这是我国科学家首次参加的热液活动调查。1988年9月至1989年1月期间，中国科学院海洋研究所组队参加了苏联科学院组织，为期5个月的太平洋综合调查，沿太平洋海岭采到热液沉积物样品。1992年6月受国家自然科学基金委员会（NSFC）资助，中国科学院海洋研究所赵一阳教授组织对冲绳海槽中部热液活动调查，这是我国首次独立组队进行热液活动的调查，取得了一些重要成果。2005年，我国执行首次环球大洋科学考察任务，在大西洋进行海底热液多金属硫化物前期调查，获得了超过200kg热液多金属硫化物和海底沉积物样品［9］。2007年，中国“大洋一号”深海考察船在水深2 800m西南印度洋中脊，发现了新的海底热液活动区（“黑烟囱”）。2008年5月22日至2009年3月17日，“大洋一号”船两度横跨太平洋和印度洋，共发现了11个海底热液区和4个热液异常区。2009年7月18日至2010年5月28日中国第二次环球大洋科学考察远涉太平洋、大西洋和印度洋三大洋，在大西洋发现了新的热液活动区。中国大洋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发现3个热液区和4个热液异常区。