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创新纪录！我国首次实现深海 4000 米左右矿产资源试开采试验

作者：科普中国 Denovo团队日期：2024-08-02

深海采矿是指重量超过蓝鲸的巨型机器在水深200米-6500米的海底开采矿物。这些机器为了获取金属资源，在深海海底进行挖掘作业，再通过长达数千米的管道，将开采出来的矿物材料泵送到作业船上，采矿过程中产生的沙子、海水和其他矿物废料会被重新泵回海中。

深海采矿设备。图片来源：参考文献[6]

深海里丰富的矿产资源

海洋中的矿产资源种类繁多且储量丰富，特别是深海区域，蕴藏着大量重要的矿产资源，如多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等。

1、多金属结核

多金属结核是一种在深海底部发现的矿物聚合体，结核通常呈现球形或椭球形（像鸡蛋和土豆），直径从几毫米到几厘米不等，有的甚至可以达到10厘米以上。它们主要由锰、铁、镍、铜、钴等多种金属组成，含有少量的稀土元素和贵金属。

结核的形成是一个缓慢的地质过程，通常需要数百万年的时间。其形成机制主要有两种，一种是金属离子通过化学沉淀和氧化反应在海底逐渐积累，形成锰氧化物和铁氧化物，这些氧化物作为基质包裹其他金属元素，逐渐形成结核；另一种是靠微生物在海底沉积物中的活动，促进金属元素的沉积，形成结核。

深海锰结核。图片来源：维基百科

多金属结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-克里珀顿区（Clarion-Clipperton Zone, CCZ），估计该区域的多金属结核资源量可达数十亿吨，这些结核富含锰、镍、铜和钴等金属。根据国际海底管理局数据，仅克拉里昂-克里珀顿区（Clarion-Clipperton Zone, CCZ）的资源量就能满足全球数百年的金属需求。

2、结壳

结壳是在海底硬基岩上形成的一层富含金属的矿物壳层，结壳的厚度通常在几毫米到几厘米之间，主要由锰、铁、钴、镍、铜和稀土元素组成。

结壳主要通过化学沉积形成，其中的金属元素在海水中沉淀并逐渐在基岩表面积累，这一过程受海水化学成分、温度、压力以及海流等多种因素影响。结壳的形成速度极慢，通常需要数百万年的时间才能形成几毫米的厚度。

蒙特利湾水族馆研究所（MBARI）收集的玄武岩基底上的锰铁结壳。图片来源：参考文献[3]

钴结壳主要分布在太平洋的海山和大洋中脊地区，富含钴、钛、镍、铂和稀土元素，特别是在太平洋中部的海山上，钴结壳资源量巨大。据估算，全球海底钴结壳资源量达数亿吨，足以供应全球对钴和其他关键金属的长期需求。

3、多金属硫化物

多金属硫化物又称海底热液硫化物，是一种在深海热液喷口区域形成的矿物聚合体，集中在中大西洋洋脊和太平洋的东太平洋海隆等地区。它们富含多种有价值的金属元素，如铜、锌、铅、金、银以及其他稀有金属。

海底块状硫化物。图片来源：参考文献[4]

多金属硫化物主要在深海热液喷口区域形成，这些喷口常见于大洋中脊和海底火山活动区域，这些矿床富含铜、锌、铅、金、银和其他稀有金属。海底的多金属硫化物矿床中含有的金属比例较高，开采价值更大，海底热液喷口区域的多金属硫化物资源量预计有数亿吨。

深海采矿的价值

深海采矿是一种获取海底矿产资源的新兴方式，具有重要的经济意义和战略意义。深海蕴藏着丰富的矿产资源，这些资源中富含的关键金属对现代工业、电子产品和电池制造至关重要。伴随陆地矿产资源逐渐枯竭的风险，深海资源的开发成为满足未来能源需求的重要途径。

海洋技术的进步让深海采矿的可行性越来越高。先进的水下机器人、深海勘探设备和海底采矿技术，使极端环境下的资源开采成为可能。尽管深海采矿前期投资成本较高，但能够带来可观的经济回报，并推动相关技术和产业的发展。此外，掌握深海采矿技术有助于保障国家资源安全，具有重要的战略意义。

目前，深海采矿在国际上面临三大技术难题：第一，矿区海底地形异常复杂，导致装备的安全行进困难重重；第二，深海矿产的赋存形式与物理特性复杂多样，使高效开采和收集面临巨大挑战；第三，深海重载作业装备在海上风浪条件下的安全布放和回收难度较大。

“开拓二号”海试成功

由上海交通大学自主研制的深海重载作业采矿车工程样机“开拓二号”，在完成深海试验航次后，搭乘“向阳红03”号科考船顺利返回厦门，海试取得圆满成功。

深海采矿机器“开拓二号”。图片来源：上海交通大学

此次海试中，“开拓二号”共进行了5次探采作业，创下了我国深海采矿领域的6项新纪录，技术性能达到国内领先、国际先进水平。

“开拓二号”在海底多金属结壳与结核矿区，成功完成了5次连续下潜，其中一次达到了4000米级深度（4102.8米），其余四次在2000米级深度进行，具体深度分别为1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米。这是我国深海重载作业采矿车首次在4000米左右深度的海底开展深海矿产资源试开采试验。

“开拓二号”采集的矿石。图片来源：上海交通大学

这一次的深海采矿取得重大突破，我国成功获取了大量多金属结壳和多金属结核等深海矿产样品。此外，首创的“深海复杂海底地形高机动行进技术”和“多矿类复合钻采技术”，即使在陡峭海山和稀软沉积物等复杂地形中，也能安全稳定行进，高效开采多种矿石。同时，“智能精细控制技术”和“非金属缆深海重载布放回收技术”，也确保了深水作业的精确定位和安全回收。

这些技术的突破标志着中国在深海采矿技术上的领先地位，并为未来的资源开发提供了有力保障。这一成就不仅展示了中国在深海采矿领域的技术实力，还为未来深海矿产资源的开发奠定了坚实基础。

结语

深海采矿在未来能源产业方面具有巨大发展潜力，不仅可以提供丰富的金属矿物资源，还能缓解陆地资源逐渐枯竭带来的压力。然而，深海采矿技术也面临诸多挑战，我们期待该项技术的不断成熟和应用。未来，深海采矿有望在保证生态平衡的前提下，成为全球资源供应的重要补充，为人类社会的可持续发展开辟广阔前景。

参考文献

[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] 杨震,刘丹.中国国际海底区域开发的现状、特征与未来战略构想[J].东北亚论坛,2019,28(03):114-126+128.

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

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