日本能源新战略:开采海底热泉喷口矿藏

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冲绳岛属于日本西南的琉球群岛(Ryukyu Islands),在这一片狭长地带数千米之下的海底,散落着一些已经熄灭的海底热泉喷口。

由于国际社会对深海采矿的兴趣日益浓厚,这些早已死亡的海底热泉喷口处的矿物质正受到越来越多的关注。据悉,在这些散落的矿藏中,仅其中一处的锌储量就足以满足日本一年的需求。对一个大量矿产资源依赖进口的国家来说,海底硫化物矿床是诱人的潜在替代选择。但要付出高昂代价:采矿可能会破坏宁静的海域,危及独特而脆弱的生态系统。

这些富含矿物质的矿床,被称为海底块状硫化物,标志着曾经有滚烫的热水,从靠近板块边界的海底地壳烟囱状裂缝中涌上来,当冰冷的海水通过地壳的裂缝渗透下来,加热并从岩石中浸出矿物质时,就形成了这些块状硫化物。

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Image caption 海底热泉喷口是多种多样生命的家园(Credit: Getty Images)

直到1977年人们才发现,这些喷口在活跃的时候是各种生命形式的家园,包括可以长达两米多的管状蠕虫,身形没有颜色的白色虾蟹类和鱼类,还有无数种微生物,它们独特地适应了海底热泉喷口炙热而黑暗的生活环境。

这些喷口不会永远存在。在数千年的时间里,地壳构造力将这些喷口带离板块边界更远,它们变得越来越不活跃,逐渐冷却、消沉。在这些休眠地点附近有矿床,其中包括铜、锌、铅、金和银等金属。一个单独的矿丘就可以容纳数百万吨的金属矿石。

对日本来说,这些大型矿床成为供应国内金属需求的潜在资源。2013年,日本政府启动了一项寻找这些矿床的研究项目。尽管它们寻找规模很大,但是要找到这些矿床还是很困难。

英国地质调查所(British Geological Survey)矿床和有用物质调查小组组长鲁斯蒂(Paul Lusty)乘坐科学考查船,考查了巴西沿岸的里奥格兰德海隆(Rio Grande Rise),他在考查船上发邮件称。“遥感探测工具探测不到热金属排放。随着时间的推移,它们可能被沉积物改变和覆盖,最终被掩埋,在海底很难找到明确的位置。”

这项工作要在3000米深的海底进行,海底条件极其恶劣,水流汹涌。要确定这些矿床的位置的确是一种挑战,同时确定它们的规模也非常重要,它们有可能延伸到海底下几十到几百米。确定它们的规模有助于查明它们可以提供多少矿物资源。

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Image caption 每个单独的矿丘可以容纳数百万吨的金属矿石(Credit: Alamy)

研究人员正在研发新的技术来解决这些问题。在东京的一家地球物理测量公司 JGI 的研发部总经理浅川(Eiichi Asakawa)说,利用声波学是目前最有希望解决问题的方法,声波从水下传播到海底,遇坚硬的矿床表面,声波会被部分反射。“我们通过水听器探测能接收到非常细致、非常微弱的反射波。我们分析反射数据就能得到水下图像。我们的系统非常先进,这可能是目前世界上最先进系统。”

自2014年以来,JGI就利用这些方法与日本海洋地球科学技术研究所(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)合作,进行了下一代海洋资源勘探技术项目。

其他研究人员主要使用电磁方法来识别矿床。日本石油、天然气和金属国家公司(Japan Oil, Gas and Metals National Corporation)利用这些技术发现了6个大型矿床,可能是开采的合适选择。2017年,其中一个矿床在初步试验阶段被挖掘出来,首次将大量矿石从海底向海面抬升了1600米。下一步是要看这能否在商业规模上发挥做用。

但这类活动伴随着巨大的环境风险。皮尤信托(Pew Trust)海底采矿项目主管纽金特(Conn Nugent)表示,主要问题之一是,我们对海底环境和生态系统的了解非常少。尽管进行了几十年的研究,但大多数海底区域尚未绘制成地图。关于了解海底所支持的生态系统的研究更是少之又少。“对于深海采矿领域的研究很少有人探索过,”纽金特说。“所以我们是在空白的基础上出发的。”

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Image caption 由于完成的研究很少,我们对开采深海喷口的潜在环境成本知之甚少(Credit: Alamy)

鲁斯蒂说,“灭绝的矿床仍将有它们自己的生态系统存住,而这些生态系统可能受到干扰,目前严重缺乏关于生物和生态系统的基础研究,对将要采用的采矿方法及其对深海生态系统影响的程度和持续时间都存在不确定性。”

对于国际水域的未来项目,国际海底管理局(International Seabed Authority)正在拟订关于深海采矿的环境条例。纽金特正在就这些规定提出建议。他说,鉴于我们对这些潜在的采矿地点缺乏了解,最好的办法是采取预防措施。

有毒的烟云状沉积物

当国际海底管理局的指导方针最终生效时,此类的规定可能只适用于国际水域,这些水域构成了海洋的大部分。但在公海之外,在沿海国家周围的海洋,专属经济区内,各国都按照自己的规则行事。

深海采矿的潜在影响是广泛的,会产生绵延数百公里的烟云状沉积物。这些烟云状沉积物是由于扰乱了海底生态而产生的,它们被认为是深海采矿的最大伤害,内含有毒物质,也可能会使它所覆盖的海底生物窒息。海底水流的湍流让我们很难预测这些烟云状沉积物如何扩散。

除了这些烟云状沉积物,如果采矿活动持续24小时,还会对野生生物产生其他形式的干扰。“我们知道,只要有船在海面作业就会给鸟类带来夜间灯光;增加的航运噪音,对于有些海洋哺乳动物和鱼类来说也是一个干扰。”埃克塞特大学(University of Exeter)生态学家汤普森(Kirsten Thompson)说,他正在研究深海采矿的潜在影响。

“我们能预测很多事情会与这类采矿活动有关,但有关的程度我们真的不知道。这是一个问题。”但是,鲁斯蒂说,深海的环境影响可能会被一个巨大的好处所抵消。它们可能是一种比陆地上发现的金属矿,含量更高的金属资源。例如,陆上铜矿的矿石质量在10年内下降了25%。质量较差的矿石,每千克矿石中含铜量较少,这意味着提取金属铜需要更多的能源和碳排放。

“这些海底矿床的金属含量,比我们在陆地上开采的同类矿床要高得多,”鲁斯蒂说。“因此,生产同样数量的金属,需要更少的矿石。减少采矿、碎石和研磨意味着减少能源消耗。”

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Image caption 对海底热泉喷口的探索提出了许多挑战——这意味着这些陌生世界对科学家来说仍然是个谜(Credit: Alamy)

在建造太阳能和风能等可再生能源基础设施方面,铜等金属的需求量非常大。一些最大的陆基铜矿的铜矿石产量约为0.7%,而海底块状硫化物提炼出的含量要高出数倍。

鲁斯蒂说,“开采深海金属资源将导致对自然环境的干扰,但这些金属对许多技术来说至关重要,而这些技术对于实现消除贫困、保护地球、确保人类的繁荣和可持续发展的目标而言,是至关重要的。”

汤普森说,要为再生能源技术提供原材料和保护深海之间找到一条路,是很艰难的。“我们需要一个去碳化的未来,但我们也知道,我们无法以目前的速度,维持这些资源的使用。”

汤普森认为,要更多地关注循环利用。从我们已经在使用的矿物和材料中,寻找解决办法。“我们应该以一种更可持续的方式做到这一点,方法是:提高回收率,找到不需要开发那些资源的新型技术,”

日本最新能源战略声称,它计划进一步研究海底开采的大量硫化物。但它最终是否会以商业规模出现,还取决于矿床的可获得性和开采成本。能源战略的另一部分是:注重矿物的再利用,“积极促进”新循环利用技术的发展。

海底热泉喷口周围的矿床,只是未来几年深海采矿的几个兴趣点之一。其他还包括在深海平原采矿,在富盐水域探勘富含金属的泥浆。但是总体来说,深海采矿和环境破坏之间的矛盾,尚未得到解决。

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