积极参与国际海底矿产资源的勘探与开发

□ 陈明义

辽阔的海洋是地球上尚未被人类充分认识和开发利用的最大资源宝库。目前海洋的油气资源、渔业资源、海滨的盐和砂已被人类大量开采利用，而对蕴藏在海底极其丰富的矿产资源的开发利用还处于初始的阶段。进入21世纪的第2个10年，国际海底矿产资源的探矿热正在升温。深海高科技装备在迅速地发展，国际上对海底矿产的勘探开发的竞争正在加剧。我国也要积极地参与国际海底矿产资源的勘探开发和利用，为建设海洋强国作出贡献！

一、海底蕴藏着极其丰富的矿产资源

国际海底区域面积达2.517亿平方公里，占地球表面积的49%，是国家领土、专属经济区、大陆架以外的海底及其底土，不受任何国家管辖。据已经掌握的资料，这一广阔的海底蕴藏着极其丰富的战略金属资源。人类可以利用的主要有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等。这些矿物中含镍、钴、铜、锰及金、银等。其中有的资源总储量分别比陆地上相应的储量要高出几十倍，甚至上千倍。随着人类对金属矿物资源需求的不断增加，以及陆地上矿产资源的不断被开采，而其中有的矿种已趋向枯竭，海底矿产资源必将成为人类21世纪重要的接替资源。

多金属结核又称为锰结核，是一种在深海海底自生的锰矿产。其主要成分为锰和铁的氧化物和氢氧化物，还含铜、镍、钴等各种金属元素，广泛分布于太平洋、大西洋和印度洋水深在4000-6000米的海底。一般呈现球状、椭圆状或块状，直径约1-20厘米，世界海洋底的锰结核总量约为3万多亿吨，其中锰储量是陆地储量的400多倍，镍储量是陆地储量的1000多倍，铜储量是陆地储量的88倍，钴储量是陆地储量的5000多倍。按现在人类对这些矿产的消耗量，就可以消费数千甚至数万年。更重要的是这些卵状矿物还在不断地生长，太平洋底的锰结核以每年1000万吨左右的速度生长，一年的生产量就可供世界用上几年。在几大洋中太平洋洋底锰结核储存量最多，约有1.7万亿吨。位于东太平洋近赤道的光拉里昂--克里帕顿两断裂带之间海域（简称CC区），是多金属结核分布最富集，经济价值最高的地区。

富钴结壳矿床主要分布在400-4000米水深的海山、中脊和海台的斜坡和顶部表面，以2-20厘米的厚度壳层粘附在地形复杂的海山基岩上。

海底金属硫化物一般分布在800-2400米水深的海底，含铜、铅、锌、锰、铁、金、银等多种金属。其中金银等贵金属的含量高于锰结核矿，故被称为“海底金库”。海底热液矿床的发现，引起了世界各国的高度重视，专家普遍认为海底热液矿是极有开发价值的。多金属硫化物矿床是由海底热泉喷发而成的，分布很广泛。比如在红海的“亚特兰蒂斯2号”深海矿床，矿石储量可达9400万吨。在海火山热泉附近还有铜、锌、银等资源。迄今发现的海底热泉已有300多处，其中67%在大洋中的山脉，22%在弧后盆地，12%在火山岛弧。1978年发现的第一个海底多金属硫化物矿床位于东太平洋海底高地，高达10英尺。

辽阔海底蕴藏着极其丰富的矿产资源，等待着人们去调查、勘探和开发利用。

二、开发海底矿床资源需要深海高科技

目前，开采海底金属矿产资源，还处于在深海底面表层矿产的开发阶段。开采方式以挖掘海底的松软岩体为主。在海底金属矿产资源开发中，处于前沿的两家公司分别为在加拿大注册的澳大利亚鹦鹉螺号矿业公司 （Nautilus Minerals）和总部设在澳大利亚的海王星矿业公司(Neptune Minerals)。

国际上大规模的深海固体矿产资源开采，始于20世纪50年代末对多金属结核开采技术的研究。从功能上说，深海矿产的开采首先是要采集存在海底的矿物，其次要把这些矿物从几千米的海底输运到海面上来。目前比较成功的采集系统称为管道提升式，通常由三个部分组成，即：1，在海底进行结核采集的海底机器人和海底采矿车。2，通过泵和管道以水力或气力方式，将矿物从海底运送至海面的提升系统。3，为海底采矿和提升系统提供动力和操作支持，并对矿物进行初步脱水和分选处理的水面支持系统（深海采矿船）。

深海采矿是一项十分复杂和困难的工作。一是由于深海矿产资源都赋存在水深数千米的深海之中，极端恶劣的环境给深海作业及其装备的可靠性和维修更换周期等提出许多高的要求。极端环境表现在：海水腐蚀、海底无自然光、海底有几百个大气压，深海大部分地方处于1℃的低温，而热液口的温度高达近400℃，海水中电磁波传播衰减严重等。二是由于海底矿产资源的特殊赋存状态，深海底的多金属结核以直径仅数厘米的结核状赋存于极稀软的沉积物表面。富钴结壳以厚度仅数厘米的壳层粘附在地形复杂的海山基岩上。热液硫化物虽然以大块矿床形式存在，但矿床规模却相对较小。因此，深海矿床资源的开采原理、工艺和装备都不同于陆地上已发展成熟的采矿技术。三是深海采矿环保的要求高。深海采矿作业除了与陆地采矿一样有废水废渣的处理外，还含对海底表面产生扰动，并产生巨大的涡流，这对海底的动植物会产生严重的影响，所以海底采矿的环保要求更高。

海底矿产资源的采集技术，主要取决于矿产资源在海底的赋存状态。由于多金属结核、多金属硫化物和富钴结壳资源在海底赋存状态不同，因此其采集技术亦不同。对多金属结核的储存特点，目前已发展的采集方法包括水力式、机械式和水力——机械复合式等多种。多金属硫化物的采集技术，针对这种矿物体在海底成大块状，厚度高达十几米、数十米，矿物的断裂特性类似于煤，韧性和塑性类似于盐和碳酸钾，因此陆上采煤业已有相当成熟的技术和装备可以移植或借鉴。目前鹦鹉螺矿业公司的海底多金属硫化物商业采矿系统由三台作业车组成，主采矿机在工作面上进行高效矿石切割，辅助作业车用于准备合适的工作面，收集机收集切割下来的矿石并以矿浆形式泵送至提升系统。富钴结壳矿床采集技术的关键是如何将结壳从基岩上有效剥离。目前美、日、俄等一些国家提出的方案还是集中于陆地岩石切割螺旋滚筒截齿轧削、盘刀切削、拖刀耙削等机械式破碎剥离的方法。水射流剥离、声波破碎等概念和方案也曾提出，但还难以实际应用。总体上说深海富钴结壳的采集还是一项尚未完全解决的难题。

矿物从海底向海面输送技术。采矿车在海底采集的矿物，通过数千米的管道泵送至水面采矿船上，这是一项长距离管道输送问题。这种长距离管道输送在陆地采矿工程中已相当成熟。但陆地上管道输送中固体的颗粒度为毫米级，且输送管道多为水平布置。而在深海采矿输送管道中，海底矿物颗粒状浆体既会有从海底带上来的海底沉积物，又含有颗粒径可能达50毫米粗大的矿物颗粒，矿物的粒级组成十分复杂、宽广，而且管道为垂直布置，需要有高扬程（几千米）的可通过颗粒性能的传送泵，这就需要有特殊功能的、制造难度比较大的新泵型。

深海采矿的水面支持系统。这个系统由采矿船及搭载的各种设备组成。水面支持系统要为海底机器人、采矿车、矿物输送管道提供动力和操作控制，提供采矿系统工作人员的生活起居服务设施。这种水面支持系统还需要对采集上来的矿石进行初步的脱水或分选处理后再送到运输船上运至陆地上的有关工厂去冶炼。因此采矿船上需要有足够大的船舱与空间来存放矿石及对矿石进行脱水处理。比如，韩国为多金属采矿系统设计的采矿船主尺度为船长265米，船宽42米。在采矿作业时采矿船的船面上还会安装一个数十米高的塔架，船体之下更是会悬挂一个数千米长，数百吨重的扬矿管线系统。

海底采矿要实现商业化、产业化的成功运营，必须开发适应海底作业环境回采率高的智能化的采集设备，回采过程形态复杂多变的软管输送技术，高效安全可靠的多相流提升设备和技术，深海开采水下设备留放回收技术，及抗风浪性能良好的采矿船及各种自动控制系统。因此海底采矿需要系统的深海高科技。

三、国际海底矿产资源的竞争在加剧

国际海底探矿始于20世纪60年代，进入21世纪第2个10年后，国际海底探矿热迅速升温，竞争日益加剧。

首先表现在海底探矿的“圈地”活动加剧。为了协调和规范海底资源的开发，早在1982年国际社会就根据联合国海洋法公约成立了国际海底管理局，并于1996年正式投入运行，成员国达到159个。截至2010年国际海底管理局总共才批准八项国际海底探矿申请，而从2010年到2013年，仅3年时间就核准了11项申请，2014年8月份之前又核准了7项。这样总共获准的26项申请中的海底矿区总面积达到120万平方公里。至今提出申请海底矿区勘探开发权的，不仅有发达国家还有新兴经济体国家、发展中国家甚至企业。我国已在太平洋和印度洋获准取得三块海底矿区。2014年7月国际海底管理局批准巴西在南太平洋里奥格朗德海丘勘探富钴结壳矿的申请，矿区面积达3000平方公里。

其次，国际海底探矿活动已从过去集中于太平洋转向各大洋全面推进。探矿的矿种也由单一的多金属结核矿向富钴结壳和多金属硫化物矿床拓展。据专家推算，目前人类已对世界大洋中脊约6000公里地带进行了矿产资源的考察，占全球大洋中脊总量的7.5%。

第三，国际海底探矿从“圈地”竞争开始向采矿竞争过度。目前，西方发达国家和一些跨国矿产公司已加快对深海高技术装备的研发，而且具备了在深海开发矿床的能力。所以海底矿产商业开采的时代即将来临。海底矿产资源的竞争实际上是勘探和开发海底矿产能力的竞争。首批共7项国际海底管理局批准的多金属结核勘探合同将于2016年到期，届时这些项目有可能首批进入商业开发阶段。

第四，海洋观测、勘察和海底钻探高技术装备日新月异。美国、日本、法国、俄罗斯和中国都已拥有6000米以上的深海载人潜水器。美、英已在研制11000米载人深潜器。日本12000米深潜器计划在2023年进行海试。美国研制的无人潜水器曾潜至1万米水深海底，还在开发世界最大的海底观测系统。世界上现代化的考察船和先进的遥感卫星对海底观测也会起到重要的辅助作用。人类对海底资源的调查和考察已日趋成熟。

第五，海底探矿的升温，也促使国际海底管理局加快建章立制的步伐。2000年7月，国际海底管理局通过了《多金属结核探矿和勘探规章》，以适应当时国际社会对多金属结核矿的探测工作。到2010年和2012年随着国际上对海底矿产工作的拓展，又分别通过了关于多金属硫化物和富钴结壳的探矿与勘探的规章。目前考虑到首批7项批准的矿区即将进入商业开发，国际海底管理局又在研究制定 《关于多金属结核矿开采监管规则》，以满足国际商业开采的需要。

我国在海洋科考和国际海底资源勘探方面，虽然起步较晚，但起点高、进步快。

四、我国在海底矿床调查起步晚、进展快

我国从20世纪70年代末开始进行大洋锰结核的勘探调查。1990年我国以“中国大洋矿产资源研究开发协会”的名义向“联合国海底筹委会”申请矿区登记，并将大洋锰结核资源勘探开发作为国家长远发展项目给予专项投资。我国于2001年取得位于东太平洋国际海底区的超过7.5万平方公里的金属锰结核资源合同区。2011年又取得西南印度洋国际海底区1万平方公里的金属硫化物资源矿区的专属勘探权及优先开发权。中国大洋协会还向国际海底管理局申请的第三块矿区位于太平洋的富钴结壳区，面积为3000平方公里，并已于2013年7月通过国际大洋理事会的核准，标志着我国已正式获得太平洋富钴结壳区专属勘探权。另外，中国五矿集团提出的矿区申请也已获得国际海底委员会法技委审议通过，正等待2015年7月国际海底管理局理事会核准。

我国科学家对海底矿产资源的研究也有30多年的历史。从20世纪80年代末随着海底多金属结核调查开始，我国科学家已对太平洋沉积物稀土元素的地球化学特征、储存状态、分布规律和富集机制进行了研究，并发表了多篇论文。2005年我国科学家在东太平洋中脊已知热液区采集到220公斤重的热液硫化物，在西南印度洋首次采集到热液硫化物矿石标本。2007年以来，中国大洋调查航次在西南印度洋，开展了4个航次共8个航段的海底热液活动调查，发现了8处热液区。近几年我国科学家还发现在东太平洋和东印度洋沉积物中也有稀土元素的储存，但受调查手段的限制，我们所取得的沉积柱样长度大部分在10米以内。最近，由湖南科技大学主持自主研发的“海底60米多用途钻机”在南海3109米海底海试成功，并顺利通过国家863计划项目海试验收专家组验收，标志着我国深海钻井技术从此跻身世界一流。

“蛟龙”号载人潜水器试验性应用的成功，极大地带动了我国深海高新技术装备的发展、探索、发现和知识水平的提升。在2014年11月20日至2015年2月19日期间，“蛟龙”号在我国西南印度洋多金属硫化物矿区成功开展了13次下潜作业，我国科学家利用“蛟龙”号开展了当今海洋科学前沿研究，对超慢速扩散中脊不同类型热液系统的地质、生物及环境等方面进行了综合调研，取得了大量的数据和资料，缩短了我国在海底资源勘探与开发上与西方发达国家的差距。

在海底采矿船的研制方面，我国这几年也开展了很有意义的工作。由我国自主研发的首艘海洋采矿船“泰鑫1号”于2014年底建造完工并在我国第一个海洋采矿项目——海南万宁海区锆钛砂矿项目中投入使用，这标志着中国采矿业从陆地向海洋迈出坚实的第一步。“泰鑫1号”是由北车海工与崇和实业联合开发。该船总长99.4米，型宽25米，型深5.2米，吃水2.7米，非自航式，入级中国船级社（C.C.S）。该船采用绞吸式和高压冲水式两种采矿方式，每小时矿浆采掘量达4000立方米，约1900吨。最大挖深达35米。该船尾矿处理可采取浮管远排、装驳等多种形式，并可实现就近回填，对保护海洋环境和海底地貌具有良好的作用。崇和实业和北车海工还在加紧研发“精采系列”的滨海采矿船。

2016年，福建马尾造船股份有限公司要建造227米深海采矿船。这艘新型深海采矿船的总长227米，型宽40米，型深18.2米，设计吃水13.2米。采用6台总功率为3万千瓦的柴油电力驱动。该船建成后准备在南太平洋巴布亚新几内亚海域2000米水深处进行海底采矿作业。船上配备有：遥控水下机器人 （ROV），专业的海底作业工具（SPT），起升起吊系统（RALS）, 包括海底泵及提升系统等各种设备。该船还配备DPS-2,EHS-F动力定位系统,专设有200吨海底吊和100吨船吊，并可舒适居住180人。在船的中部有4个货舱，可装载约45000吨铜矿，其装运散货能力为2.5-4.5万载重吨。这将是一艘全球先进的深海探矿船。

可以说我国在国际海底矿床资源的勘探开发工作虽然起步较晚，但是起点高，进步快。

五、加强我国海底矿产开发工作的建议

国际海底矿产资源勘探开发是当前国际海洋竞争的一个重要领域，也是发展深海高科技的一个重要前沿。为了进一步加强我国在这方面的工作，本文提出如下建议。

1、在制定国家海洋战略和建设海洋强国的规划时，要把我国在国际海底矿产资源的调查、勘探与开发利用作为一个重要部分予以规划和布署。我国的人均资源和人均环境容量大大低于世界平均水平，因此加快海洋矿产资源的开发利用是一个必然的选择。到2020年我国在这方面要有大的进展，到2050年建成海洋强国时，我国在海底矿产资源的利用方面要处于世界的前列。

2、要着手研究和制定我国在国际海底资源开发利用中的国内法，使我国的这项工作有法可依。制定这个法律，要在我国的国家海洋基本法的总体框架下进行，同时还要与国际上相关的法律和规章相衔接。

3、要大力加强深海高科技的研发，尤其是加快深海装备制造业的发展。最近国务院印发《指导意见》，推进国际产能的装备制造合作。其中船舶和海工装备作为重要内容。我们要抓住这个机遇，加大投入，集中国内一些优秀的高校、企业和研究机构的力量，开发先进的大洋采矿船，深海钻探船，水下机器人，海底采矿车，集矿车以及研究高效能的从海底向海面的矿产输送系统。要进一步研究更深海的载人深潜器和海底信息系统。进一步增强我国在海底调查、勘探、钻探与开发利用的水平和能力。

4、加强与发达国家和相关跨国公司在海底矿产资源开发方面的交流与合作。可以吸收和引进一些先进的设备，派员与他们共同研发装备和开展共同的勘探开发工作，以进一步提高我国的勘探开发水平。

5、加强国内高校和相应研究机构的建设，加大投入，培养国际海底矿产资源开发人才。选派一些专业人士到发达的海洋强国和跨国公司做访问学者，选派留学生和相关企业的科技人员，到世界上先进的跨国公司工作。

6、加强国家海洋局大洋矿产资源研究开发协会的机构建设，加大投入，进一步增强其组织协调能力，为进一步加强与国际交流合作以及为国内有关科技力量参与海底矿产勘探开发工作创造更好的条件。我们要按照中央确定的“一带一路”战略构想，创新矿区申请机制，加快研究、探讨与“21世纪海上丝绸之路”沿线有关国家联合开展矿区申请的可行性。

7、充分利用我国已申请批准的位于太平洋和印度洋的三个矿区，对多金属结核、富钴结壳矿和海底金属硫化物三种不同的矿床作深入的调查和勘探。这三个矿区也可作为我国科技人员和深海高科技装备的实验基地、科研基地，发挥更大的作用，并创造条件逐步进入商业化开发阶段。

8、积极争取派员参与国际海底管理局的工作，加大我国在这个国际领域的参与度和发言权，并积极参与有关国际法规的制定和相关国际开发的协调组织工作。

［1］岳发强、朱永楷、胡先铭：《海底采矿技术的研究与进展》，《采矿工程》2013年第1期。

［2］刘少军、刘畅、戴瑜：《深海采矿装备研发的现状与进展》，《机械工程学报》2014年1月第5卷第5期。

［3］陶春辉、李怀明、金肖兵、周建平、吴涛、何拥华、邓显明、顾春华、张国堙、刘为勇：《西南印度洋脊的海底热液活动和硫化物勘探》，《科学通报》2014年第59卷第19期。

［4］阳宁、王英杰：《海底矿产资源开采技术研究动态与前景分析》Mining Equipment专题 (Special Topic)2012.01。

［5］福建省马尾造船股份有限公司：《马尾造船》2014年5月26日。

［6］国家海洋局：《最具规模性商业开发价值的海底矿产资源——多金属结核》，《海洋专报》2013年第19期，总第96期。

［7］国家海洋局：《东太平洋多金属结核区环境工作及对策建议》，《海洋专报》2013年第109期。

［8］国家海洋局：《世界海底可能蕴藏巨量稀土资源，我应尽快组织开展稀土资源调查”》，《海洋专报》2013年第115期。

［9］《推进国际产能和装备制造合作》，《人民日报》2015年5月17日。

［10］国家海洋局：《“蛟龙”添彩“21世纪海上丝绸之路”》，《海洋专报》2015年第16期。

［11］《我国海底60米钻机海试成功》，《人民日报》2015年6月22日。